Un generatore unipolare è un meccanismo elettrico a corrente continua contenente un disco o un cilindro elettricamente conduttivo che ruota su un piano. Ha potenziali di diversa potenza tra il centro del disco e il bordo (o estremità del cilindro) con polarità elettrica, che dipende dal senso di rotazione e dall'orientamento del campo.
È anche conosciuto come oscillatore unipolare di Faraday. La tensione è generalmente bassa, dell'ordine di pochi volt nel caso di piccoli modelli dimostrativi, ma grandi macchine di ricerca possono generare centinaia di volt e alcuni sistemi hanno più oscillatori in serie per tensioni ancora più elevate. Sono insoliti in quanto possono generare una corrente elettrica in grado di superare il milione di ampere, poiché un generatore unipolare non ha necessariamente un'elevata resistenza interna.
Storia dell'invenzione
Il primo meccanismo omopolare fu sviluppato da Michael Faraday durante i suoi esperimenti nel 1831. Viene spesso chiamato disco o ruota di Faraday dopo di lui. Questo fu l'inizio delle dinamo modernemacchine, cioè generatori elettrici operanti su un campo magnetico. Era molto inefficiente e non veniva usata come pratica fonte di alimentazione, ma mostrava la possibilità di generare elettricità usando il magnetismo e spianava la strada a dinamo CC commutate e poi ad alternatori.
Svantaggi del primo generatore
Il disco di Faraday era principalmente inefficiente a causa dei flussi di corrente in arrivo. Il principio di funzionamento di un generatore unipolare sarà descritto solo dal suo esempio. Mentre il flusso di corrente veniva indotto direttamente sotto il magnete, la corrente circolava nella direzione opposta. Il riflusso limita la potenza di uscita per i cavi di ricezione e provoca un riscaldamento non necessario del disco di rame. I generatori omopolari successivi potrebbero risolvere questo problema con una serie di magneti posizionati attorno al perimetro del disco per mantenere un campo costante attorno alla circonferenza ed eliminare le aree in cui potrebbe verificarsi il riflusso.
Ulteriori sviluppi
Poco dopo che il disco di Faraday originale è stato screditato come un pratico generatore, è stata sviluppata una versione modificata combinando magnete e disco in una parte rotante (rotore), ma a questo è stata riservata l'idea stessa di un generatore unipolare di impatto configurazione. Uno dei primi brevetti per meccanismi unipolari generici è stato ottenuto da AF Delafield, brevetto USA 278.516.
Ricerca di menti eccezionali
Altri brevetti unipolari a impatto precocei generatori sono stati assegnati separatamente a S. Z. De Ferranti e S. Batchelor. Nikola Tesla era interessato al disco di Faraday e ha lavorato con meccanismi omopolari, e alla fine ha brevettato una versione migliorata del dispositivo nel brevetto statunitense 406.968.
Il brevetto "Dynamo Electric Machine" di Tesla (il generatore unipolare di Tesla) descrive una disposizione di due dischi paralleli con alberi paralleli separati collegati, come pulegge, da una cinghia di metallo. Ogni disco aveva un campo opposto all' altro, in modo che il flusso di corrente passasse da un albero al bordo del disco, attraverso la cinghia all' altro bordo e al secondo albero. Ciò ridurrebbe notevolmente le perdite per attrito causate dai contatti striscianti, consentendo a entrambi i sensori elettrici di interagire con gli alberi dei due dischi piuttosto che con l'albero e il cerchio ad alta velocità.
Brevetti successivi sono stati assegnati a S. P. Steinmetz ed E. Thomson per il loro lavoro sui generatori unipolari ad alta tensione. La dinamo Forbes, progettata dall'ingegnere elettrico scozzese George Forbes, è stata ampiamente utilizzata all'inizio del XX secolo. La maggior parte degli sviluppi realizzati nei meccanismi omopolari sono stati brevettati da J. E. Noeggerath e R. Eickemeyer.
50s
I generatori omopolari hanno conosciuto una rinascita negli anni '50 come fonte di accumulo di energia pulsata. Questi dispositivi utilizzavano dischi pesanti come una forma di volano per immagazzinare energia meccanica che poteva essere scaricata rapidamente nell'apparato sperimentale.
Un primo esempio di questo tipo di dispositivo è stato creato da Sir Mark Oliphant alla Research SchoolScienze fisiche e ingegneria dell'Australian National University. Ha immagazzinato fino a 500 megajoule di energia ed è stato utilizzato come fonte di corrente ultraelevata per esperimenti di sincrotrone dal 1962 fino al suo smantellamento nel 1986. Il progetto di Oliphant era in grado di fornire correnti fino a 2 megaampere (MA).
Sviluppato da Parker Kinetic Designs
Anche i dispositivi più grandi come questo sono progettati e costruiti da Parker Kinetic Designs (ex OIME Research & Development) di Austin. Hanno prodotto dispositivi per una varietà di scopi, dall'alimentazione di pistole ferroviarie a motori lineari (per lanci spaziali) e vari modelli di armi. Sono stati introdotti 10 progetti industriali MJ per vari ruoli, inclusa la saldatura elettrica.
Questi dispositivi consistevano in un volano conduttivo, uno dei quali ruotava in un campo magnetico con un contatto elettrico vicino all'asse e l' altro vicino alla periferia. Sono stati utilizzati per generare correnti molto elevate a basse tensioni in aree come la saldatura, l'elettrolisi e la ricerca sui cannoni. Nelle applicazioni con energia pulsata, il momento angolare del rotore viene utilizzato per immagazzinare energia per un lungo periodo e quindi rilasciarla in breve tempo.
A differenza di altri tipi di generatori unipolari commutati, la tensione di uscita non inverte mai la polarità. La separazione delle cariche è il risultato dell'azione della forza di Lorentz sulle cariche libere nel disco. Il moto è azimutale e il campo è assiale, quindila forza elettromotrice è radiale.
I contatti elettrici sono solitamente realizzati tramite una "spazzola" o un collettore rotante, con conseguenti perdite elevate alle basse tensioni generate. Alcune di queste perdite possono essere ridotte utilizzando il mercurio o un altro metallo o lega facilmente liquefatti (gallio, NaK) come "spazzola" per fornire un contatto elettrico quasi continuo.
Modifica
Una modifica proposta di recente è stata quella di utilizzare un contatto al plasma dotato di uno streamer al neon a resistenza negativa che tocca il bordo del disco o del tamburo utilizzando carbonio specializzato a bassa funzione di lavoro in strisce verticali. Ciò avrebbe il vantaggio di una resistenza molto bassa nella gamma attuale, possibilmente fino a migliaia di ampere, senza contatto con il metallo liquido.
Se il campo magnetico è creato da un magnete permanente, il generatore funziona indipendentemente dal fatto che il magnete sia attaccato allo statore o ruoti con il disco. Prima della scoperta dell'elettrone e della legge della forza di Lorentz, questo fenomeno era inspiegabile ed era noto come il paradosso di Faraday.
Tipo di batteria
Un generatore omopolare a tamburo ha un campo magnetico (V) che si irradia radialmente dal centro del tamburo e induce una tensione (V) per tutta la sua lunghezza. Un tamburo conduttivo rotante dall' alto nella regione di un magnete di tipo " altoparlante" con un polo al centro e l' altro che lo circonda, può utilizzare cuscinetti a sfere conduttivi nella parte superiore eparti inferiori per catturare la corrente generata.
Nella natura
Gli induttori unipolari si trovano in astrofisica, dove il conduttore ruota attraverso un campo magnetico, ad esempio, quando un plasma altamente conduttivo nella ionosfera di un corpo spaziale si muove attraverso il suo campo magnetico.
Gli induttori unipolari sono stati associati all'aurora uranica, alle stelle binarie, ai buchi neri, alle galassie, alla luna di Giove Io, alla Luna, al vento solare, alle macchie solari e alla coda magnetica venusiana.
Caratteristiche del meccanismo
Come tutti gli oggetti spaziali sopra menzionati, il disco di Faraday converte l'energia cinetica in energia elettrica. Questa macchina può essere analizzata usando la legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica.
Questa legge nella sua forma moderna afferma che la derivata costante del flusso magnetico attraverso un circuito chiuso induce in esso una forza elettromotrice, che a sua volta eccita una corrente elettrica.
L'integrale di superficie che definisce il flusso magnetico può essere riscritto come lineare attorno al circuito. Sebbene l'integrando dell'integrale di linea non dipenda dal tempo, poiché il disco di Faraday che fa parte del confine dell'integrale di linea si muove, la derivata del tempo totale non è zero e restituisce il valore corretto per il calcolo della forza elettromotrice. In alternativa, il disco può essere ridotto a un anello conduttivo attorno alla sua circonferenza con un unico raggio metallico che collega l'anello all'asse.
Legge della forza di Lorentz più leggeraessere utilizzato per spiegare il comportamento della macchina. Questa legge, formulata trent'anni dopo la morte di Faraday, afferma che la forza su un elettrone è proporzionale al prodotto incrociato della sua velocità e del vettore del flusso magnetico.
In termini geometrici, ciò significa che la forza è diretta perpendicolarmente sia alla velocità (azimut) che al flusso magnetico (assiale), che è quindi in direzione radiale. Il movimento radiale degli elettroni nel disco provoca una separazione delle cariche tra il suo centro e il bordo e, se il circuito è completato, viene generata una corrente elettrica.
Motore elettrico
Un motore unipolare è un dispositivo CC con due poli magnetici, i cui conduttori attraversano sempre linee di flusso magnetico unidirezionali, ruotando il conduttore attorno ad un asse fisso in modo che sia ad angolo retto rispetto al campo magnetico statico. La risultante EMF (forza elettromotrice), che è continua in una direzione, a un motore omopolare non richiede un commutatore, ma richiede comunque collettori rotanti. Il nome "omopolare" indica che la polarità elettrica del conduttore e dei poli del campo magnetico non cambia (cioè non necessita di commutazione).
Il motore unipolare è stato il primo motore elettrico ad essere costruito. La sua azione fu dimostrata da Michael Faraday nel 1821 presso la Royal Institution di Londra.
Invenzione
Nel 1821, poco dopo la scoperta del fisico e chimico danese Hans Christian Oerstedfenomeno dell'elettromagnetismo, Humphry Davy e lo scienziato britannico William Hyde Wollaston tentarono, ma fallirono, di sviluppare un motore elettrico. Faraday, contestato per scherzo da Humphrey, ha continuato a creare due dispositivi per creare quella che ha chiamato "rotazione elettromagnetica". Uno di questi, ora noto come impulso omopolare, creava un movimento circolare continuo. Era causato da una forza magnetica circolare attorno a un filo posto in una pozza di mercurio in cui era posizionato il magnete. Il filo ruoterebbe attorno al magnete se fosse alimentato da una batteria chimica.
Questi esperimenti e invenzioni hanno costituito la base delle moderne tecnologie elettromagnetiche. Presto Faraday pubblicò i risultati. Questo ha messo a dura prova i rapporti con Davy a causa della sua gelosia per i risultati di Faraday e ha fatto sì che quest'ultimo si rivolgesse ad altre cose, che di conseguenza gli hanno impedito di partecipare alla ricerca elettromagnetica per diversi anni.
B. G. Lamm descrisse nel 1912 una macchina omopolare con una potenza di 2000 kW, 260 V, 7700 A e 1200 giri/min con 16 collettori rotanti operanti ad una velocità periferica di 67 m/s. Un generatore unipolare da 1125kW, 7,5V, 150.000A, 514rpm costruito nel 1934 è stato installato in un'acciaieria americana per la saldatura di tubi.
La stessa legge di Lorentz
Il funzionamento di questo motore è simile a quello di un generatore di shock unipolare. Il motore unipolare è azionato dalla forza di Lorentz. Un conduttore attraversato da una corrente, quando posto in un campo magnetico e perpendicolare ad esso, sente una forza all'internodirezione perpendicolare sia al campo magnetico che alla corrente. Questa forza fornisce un momento di svolta attorno all'asse di rotazione.
Poiché quest'ultimo è parallelo al campo magnetico e i campi magnetici opposti non cambiano la polarità, non è necessaria la commutazione per continuare a ruotare il conduttore. Questa semplicità si ottiene più facilmente con i modelli a giro singolo, rendendo i motori omopolari inadatti alla maggior parte delle applicazioni pratiche.
Come la maggior parte delle macchine elettromeccaniche (come il generatore unipolare di Neggerath), il motore omopolare è reversibile: se il conduttore viene ruotato meccanicamente, funzionerà come un generatore omopolare, creando una tensione continua tra i due terminali del conduttore.
La corrente costante è una conseguenza della natura omopolare del progetto. I generatori omopolari (HPG) sono stati ampiamente esplorati alla fine del XX secolo come sorgenti di corrente continua a bassa tensione ma corrente molto elevata e hanno ottenuto un certo successo nell'alimentazione di cannoni a rotaia sperimentali.
Edificio
Creare un generatore unipolare con le tue mani è abbastanza semplice. Il motore unipolare è anche molto facile da montare. Il magnete permanente viene utilizzato per creare un campo magnetico esterno in cui il conduttore ruoterà e la batteria farà fluire la corrente lungo il filo conduttivo.
Non è necessario che il magnete si muova o addirittura entri in contatto con il resto del motore; il suo unico scopo è creare un campo magnetico che lo faràinteragire con un campo simile indotto dalla corrente nel filo. È possibile collegare un magnete a una batteria e consentire al conduttore di ruotare liberamente mentre il circuito elettrico è completato, toccando sia la parte superiore della batteria che il magnete attaccato alla parte inferiore della batteria. Il cavo e la batteria possono riscaldarsi durante l'uso continuo.
