Vienpolis generatorius yra nuolatinės srovės elektrinis mechanizmas, kuriame yra elektrai laidus diskas arba cilindras, besisukantis plokštumoje. Jis turi skirtingos galios potencialą tarp disko centro ir ratlankio (arba cilindro galų) su elektriniu poliškumu, kuris priklauso nuo sukimosi krypties ir lauko orientacijos.
Jis taip pat žinomas kaip vienpolis Faradėjaus osciliatorius. Įtampa paprastai yra žema, kelių voltų eilės mažų demonstracinių modelių atveju, tačiau didelės tyrimų mašinos gali generuoti šimtus voltų, o kai kuriose sistemose yra keli serijiniai generatoriai, skirti dar aukštesnei įtampai. Jie neįprasti tuo, kad gali generuoti elektros srovę, galinčią viršyti milijoną amperų, nes vienpolio generatoriaus vidinė varža nebūtinai turi didelę.
Išradimų istorija
Pirmąjį homopolinį mechanizmą sukūrė Michaelas Faradėjus savo eksperimentų metu 1831 m. Po jo jis dažnai vadinamas Faradėjaus disku arba ratu. Tai buvo šiuolaikinių dinamų pradžiamašinos, tai yra elektros generatoriai, veikiantys magnetiniame lauke. Jis buvo labai neefektyvus ir nenaudojamas kaip praktiškas energijos š altinis, tačiau parodė galimybę generuoti elektrą naudojant magnetizmą ir atvėrė kelią perjungiamiems nuolatinės srovės dinamams, o vėliau – generatoriams.
Pirmojo generatoriaus trūkumai
Faradėjaus diskas pirmiausia buvo neefektyvus dėl artėjančių srovės srautų. Vienpolio generatoriaus veikimo principas bus aprašytas tik jo pavyzdžiu. Nors srovės srautas buvo indukuojamas tiesiai po magnetu, srovė cirkuliavo priešinga kryptimi. Atgalinis srautas riboja priimančių laidų išėjimo galią ir sukelia nereikalingą vario disko kaitinimą. Vėliau homopoliniai generatoriai galėtų išspręsti šią problemą su magnetų rinkiniu, išdėstytu aplink disko perimetrą, kad būtų išlaikytas pastovus laukas aplink perimetrą ir pašalintos vietos, kuriose gali atsirasti atgalinis srautas.
Tolimesni pokyčiai
Netrukus po to, kai originalus Faradėjaus diskas buvo diskredituotas kaip praktiškas generatorius, buvo sukurta modifikuota versija, sujungianti magnetą ir diską vienoje besisukančioje dalyje (rotoriuje), tačiau pati smūginio vienpolio generatoriaus idėja buvo skirta tam. konfigūracija. Vieną iš pirmųjų generinių vienpolių mechanizmų patentų gavo A. F. Delafieldas, JAV patentas 278 516.
Išskirtinių protų tyrimai
Kiti ankstyvojo poveikio vienpoliai patentaigeneratoriai buvo apdovanoti atskirai S. Z. De Ferranti ir S. Batchelor. Nikola Tesla domėjosi Faradėjaus disku ir dirbo su homopoliariniais mechanizmais, o galiausiai užpatentavo patobulintą įrenginio versiją JAV patentu 406 968.
Tesla „Dynamo Electric Machine“patentas (Tesla unipolinis generatorius) aprašo dviejų lygiagrečių diskų išdėstymą su atskirais lygiagrečiais velenais, sujungtus, kaip skriemuliai, metaliniu diržu. Kiekvienas diskas turėjo lauką, priešingą kitam, todėl srovė tekėjo iš vieno veleno į disko kraštą, per diržą į kitą kraštą ir į antrą veleną. Tai labai sumažintų trinties nuostolius, atsirandančius dėl slankiojančių kontaktų, todėl abu elektriniai jutikliai galėtų sąveikauti su dviejų diskų velenais, o ne su velenu ir didelio greičio ratlankiu.
Vėliau patentai buvo suteikti S. P. Steinmetzui ir E. Thomsonui už darbą su aukštos įtampos vienpoliais generatoriais. „Forbes Dynamo“, sukurtas škotų elektros inžinieriaus George'o Forbeso, buvo plačiai naudojamas XX amžiaus pradžioje. Daugumą homopolinių mechanizmų patobulinimų užpatentavo J. E. Noeggerathas ir R. Eickemeyeris.
50s
Homopoliniai generatoriai XX a. šeštajame dešimtmetyje patyrė renesansą kaip impulsinės energijos kaupimo š altinis. Šiuose įrenginiuose buvo naudojami sunkūs diskai kaip smagratis, kad būtų galima kaupti mechaninę energiją, kurią būtų galima greitai išmesti į eksperimentinį aparatą.
Ankstyvą tokio tipo prietaiso pavyzdį sukūrė seras Markas Oliphantas tyrimų mokyklojeFiziniai mokslai ir inžinerija iš Australijos nacionalinio universiteto. Jis saugojo iki 500 megadžaulių energijos ir buvo naudojamas kaip itin didelės srovės š altinis sinchrotroniniams eksperimentams nuo 1962 m. iki buvo išmontuotas 1986 m. Oliphant konstrukcija galėjo tiekti iki 2 megaamperų (MA) srovę.
Sukūrė Parker Kinetic Designs
Dar didesnius įrenginius, tokius kaip šis, sukūrė ir pagamino Ostino „Parker Kinetic Designs“(anksčiau vadinta OIME Research & Development). Jie gamino prietaisus įvairiems tikslams – nuo geležinkelio pistoletų maitinimo iki linijinių variklių (skirtų paleidimui į kosmosą) ir įvairių ginklų konstrukcijų. 10 MJ pramoninis dizainas buvo pristatytas įvairiems veiksmams, įskaitant elektrinį suvirinimą.
Šiuos įrenginius sudarė laidus smagratis, iš kurių vienas sukasi magnetiniame lauke, o vienas elektrinis kontaktas yra šalia ašies, o kitas - šalia periferijos. Jie buvo naudojami generuoti labai dideles sroves esant žemai įtampai tokiose srityse kaip suvirinimas, elektrolizė ir bėgių ginklų tyrimai. Naudojant impulsinę energiją, rotoriaus kampinis impulsas naudojamas energijai kaupti ilgą laiką, o po to ją per trumpą laiką išleisti.
Skirtingai nuo kitų tipų komutuojamų vienpolių generatorių, išėjimo įtampa niekada nekeičia poliškumo. Krūvių atskyrimas yra Lorenco jėgos poveikio disko laisviesiems krūviams rezultatas. Judėjimas yra azimutinis, o laukas ašinis, taigielektrovaros jėga yra radialinė.
Elektriniai kontaktai dažniausiai daromi per „šepetį“arba slydimo žiedą, todėl susidaro dideli nuostoliai esant žemai įtampai. Kai kuriuos iš šių nuostolių galima sumažinti naudojant gyvsidabrį ar kitą lengvai suskystantį metalą ar lydinį (galio, NaK) kaip „šepetį“, kad būtų užtikrintas beveik nuolatinis elektros kontaktas.
Modifikacija
Neseniai pasiūlyta modifikacija buvo naudoti plazminį kontaktą su neigiamos varžos neonine srovele, liečiančia disko arba būgno kraštą, naudojant specialią mažo darbo anglį vertikaliose juostose. Tai turėtų pranašumą dėl labai mažo pasipriešinimo srovės diapazone, galbūt iki tūkstančių amperų, be sąlyčio su skystu metalu.
Jei magnetinį lauką sukuria nuolatinis magnetas, generatorius veikia nepriklausomai nuo to, ar magnetas pritvirtintas prie statoriaus, ar sukasi kartu su disku. Prieš atrandant elektroną ir Lorenco jėgos dėsnį, šis reiškinys buvo nepaaiškinamas ir buvo žinomas kaip Faradėjaus paradoksas.
Būgnų tipas
Būgninio tipo homopoliarinis generatorius turi magnetinį lauką (V), kuris spinduliuoja radialiai nuo būgno centro ir per visą jo ilgį indukuoja įtampą (V). Laidus būgnas, besisukantis iš viršaus „garsiakalbio“tipo magneto srityje, kurio vienas polius yra centre, o kitas jį supa, jo viršuje gali būti naudojami laidūs rutuliniai guoliai irapatines dalis, kad užfiksuotų generuojamą srovę.
Gamtoje
Astrofizikoje randama vienpolių induktorių, kur laidininkas sukasi per magnetinį lauką, pavyzdžiui, kai labai laidži plazma erdvės kūno jonosferoje juda jo magnetiniu lauku.
Vienpoliai induktoriai buvo siejami su Urano pašvaistėmis, dvinarėmis žvaigždėmis, juodosiomis skylėmis, galaktikomis, Jupiterio mėnuliu Io, Mėnuliu, saulės vėju, saulės dėmėmis ir Veneros magnetine uodega.
Mechanizmo savybės
Kaip ir visi aukščiau paminėti kosminiai objektai, Faradėjaus diskas kinetinę energiją paverčia elektros energija. Šią mašiną galima analizuoti naudojant paties Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsnį.
Šis šiuolaikinės formos įstatymas teigia, kad nuolatinė magnetinio srauto išvestinė per uždarą grandinę sukelia joje elektrovaros jėgą, kuri savo ruožtu sužadina elektros srovę.
Paviršinis integralas, apibrėžiantis magnetinį srautą, gali būti perrašytas kaip tiesinis aplink grandinę. Nors linijos integralo integralas nepriklauso nuo laiko, kadangi Faradėjaus diskas, kuris yra linijos integralo ribos dalis, juda, viso laiko išvestinė nėra lygi nuliui ir grąžina teisingą reikšmę elektrovaros jėgai apskaičiuoti. Arba diskas gali būti sumažintas iki laidaus žiedo aplink jo perimetrą, naudojant vieną metalinį stipiną, jungiantį žiedą su ašimi.
Lorentzo jėgos įstatymo žiebtuvėlisbūti naudojamas paaiškinti mašinos elgesį. Šis dėsnis, suformuluotas praėjus trisdešimčiai metų po Faradėjaus mirties, teigia, kad jėga, veikianti elektroną, yra proporcinga jo greičio ir magnetinio srauto vektoriaus sandaugai.
Geometrine prasme tai reiškia, kad jėga nukreipta stačiu kampu tiek greičiui (azimutui), tiek magnetiniam srautui (ašiniam), kuris yra radialine kryptimi. Radialinis elektronų judėjimas diske sukelia krūvių atsiskyrimą tarp jo centro ir krašto, o užbaigus grandinę sukuriama elektros srovė.
Elektros variklis
Vienipolis variklis yra nuolatinės srovės įtaisas su dviem magnetiniais poliais, kurių laidininkai visada kerta vienakrypčius magnetinio srauto linijas, sukdami laidininką aplink fiksuotą ašį taip, kad jis būtų stačiu kampu statiniam magnetiniam laukui. Gautam EMF (elektrovaros jėgai), kuri yra ištisinė viena kryptimi, į homopolinį variklį nereikia komutatoriaus, tačiau vis tiek reikia slydimo žiedų. Pavadinimas „homopoliarinis“rodo, kad laidininko elektrinis poliškumas ir magnetinio lauko poliai nesikeičia (tai yra, kad nereikia perjungti).
Vienipolis variklis buvo pirmasis pagamintas elektros variklis. Jos veiksmą pademonstravo Michaelas Faradėjus 1821 m. Londono karališkojoje institucijoje.
Išradimas
1821 m., netrukus po to, kai danų fizikas ir chemikas Hansas Christianas Oerstedas atradoelektromagnetizmo fenomenas, Humphry Davy ir britų mokslininkas Williamas Hyde'as Wollastonas bandė sukurti elektros variklį, bet nepavyko. Faradėjus, kurį Humphrey ginčijo kaip pokštą, sukūrė du įrenginius, kad sukurtų tai, ką jis pavadino „elektromagnetiniu sukimu“. Viena iš jų, dabar žinoma kaip homopolinė pavara, sukūrė nenutrūkstamą sukamąjį judesį. Jį sukėlė žiedinė magnetinė jėga aplink laidą, įdėtą į gyvsidabrio baseiną, kuriame buvo įdėtas magnetas. Viela suktųsi aplink magnetą, jei jį maitintų cheminė baterija.
Šie eksperimentai ir išradimai sudarė šiuolaikinių elektromagnetinių technologijų pagrindą. Netrukus Faradėjus paskelbė rezultatus. Tai įtempė santykius su Davy dėl jo pavydo Faradėjaus laimėjimų ir paskatino pastarąjį pasukti prie kitų dalykų, o tai kelerius metus neleido jam dalyvauti elektromagnetiniuose tyrimuose.
B. G. Lammas 1912 metais aprašė homopolinę mašiną, kurios galia 2000 kW, 260 V, 7700 A ir 1200 aps./min. su 16 slydimo žiedų, veikiančių 67 m/s periferiniu greičiu. 1934 m. pastatytas 1125 kW, 7,5 V, 150 000 A, 514 aps./min. vienpolis generatorius buvo sumontuotas Amerikos plieno gamykloje vamzdžių suvirinimui.
Tas pats Lorenco įstatymas
Šio variklio veikimas panašus į šoko vienpolio generatoriaus veikimą. Vienpolį variklį varo Lorenco jėga. Laidininkas, kuriuo teka srovė, patekęs į magnetinį lauką ir statmenai jam, jaučia jėgąkryptis statmena tiek magnetiniam laukui, tiek srovei. Ši jėga sukuria posūkio momentą aplink sukimosi ašį.
Kadangi pastarasis yra lygiagretus magnetiniam laukui, o priešingi magnetiniai laukai nekeičia poliškumo, norint toliau sukti laidininką, perjungti nereikia. Tokį paprastumą lengviausia pasiekti naudojant vieno apsisukimo konstrukciją, todėl homopoliniai varikliai netinka daugeliui praktinių pritaikymų.
Kaip ir dauguma elektromechaninių mašinų (pvz., Neggerath vienpolis generatorius), homopoliarinis variklis yra grįžtamasis: jei laidininkas pasukamas mechaniškai, jis veiks kaip homopoliarinis generatorius, sukurdamas nuolatinę įtampą tarp dviejų laidininko gnybtų.
Nuolatinė srovė yra homopoliaro konstrukcijos pasekmė. Homopoliniai generatoriai (HPG) buvo plačiai tyrinėjami XX amžiaus pabaigoje kaip žemos įtampos, bet labai didelės srovės nuolatinės srovės š altiniai, ir pasiekė tam tikros sėkmės varant eksperimentinius bėgius.
Pastatas
Pagaminti vienpolį generatorių savo rankomis yra gana paprasta. Vienpolį variklį taip pat labai lengva surinkti. Nuolatinis magnetas naudojamas sukurti išorinį magnetinį lauką, kuriame laidininkas suksis, o akumuliatorius priverčia srovę tekėti laidžiu laidu.
Nebūtina, kad magnetas judėtų ar net liestųsi su likusia variklio dalimi; jo vienintelis tikslas yra sukurti magnetinį lauką, kuris bussąveikauti su panašiu lauku, kurį sukelia srovė laidoje. Galima pritvirtinti magnetą prie akumuliatoriaus ir leisti laidininkui laisvai suktis, kai baigiama elektros grandinė, liečiant tiek akumuliatoriaus viršų, tiek prie akumuliatoriaus apačios pritvirtintą magnetą. Nepertraukiamo naudojimo metu laidas ir baterija gali įkaisti.
