Oscilator unipolar: construcție, istorie, aplicație

Oscilatorul unipolar este un mecanism electric de curent continuu care conține un disc sau un cilindru conductor electric care se rotește într-un plan. are potențiale de putere diferite între centrul discului și jantă (sau capetele cilindrului) cu o polaritate electrică care depinde de direcția de rotație și de orientarea câmpului electric.

Este cunoscut și sub numele de oscilator Faraday unipolar. Tensiunea este de obicei scăzută, de ordinul a câtorva volți în cazul modelelor mici de demonstrație, dar mașinile mari de cercetare pot genera sute de volți, iar unele sisteme au mai multe generatoare în serie pentru a produce o tensiune și mai mare. Ele sunt neobișnuite prin faptul că pot genera curenți electrici care pot depăși un milion de amperi, deoarece generatorul unipolar nu are neapărat o rezistență internă mare.

Istoria invenției

Primul mecanism homopolar a fost dezvoltat de Michael Faraday în 1831, în timpul experimentelor sale. Este adesea numit discul sau roata lui Faraday, în onoarea acestuia. Acesta a fost începutul dinamelor moderne, adică al generatoarelor electrice alimentate de un câmp magnetic. A fost foarte ineficient și nu a fost folosit ca sursă de energie practică, dar a arătat că este posibil să se genereze electricitate cu ajutorul magnetismului și a deschis calea pentru dinamoarele de curent continuu cu comutație și, mai târziu, pentru generatoarele de curent alternativ.

Dezavantajele primului generator

Discul lui Faraday era ineficient în primul rând din cauza fluxurilor de contracurent. Cum funcționează Oscilatorul unipolar va fi descris ca exemplu. În timp ce fluxul de curent a fost indus direct sub magnet, curentul a circulat în direcția opusă. Contracurentul limitează puterea de ieșire la firele de recepție și provoacă încălzirea inutilă a discului de cupru. Generatoarele homopolare mai recente ar putea rezolva această problemă prin utilizarea unui set de magneți dispuși în jurul perimetrului discului pentru a menține un câmp constant în jurul circumferinței și a elimina zonele în care contracurentul.

Evoluții ulterioare

La scurt timp după ce discursul original Faraday a fost discreditat ca generator practic, a fost dezvoltată o versiune modificată care combină un magnet și un disc într-o singură parte rotativă (rotor), dar ideea de generator unipolar de șoc a fost rezervată pentru această configurație. Unul dintre primele brevete pentru mecanisme unipolare de tip general a fost obținut de A. F. Delafield, brevet SUA 278,516.

Cercetări efectuate de minți eminente

Alte brevete timpurii pentru generatoare unipolare de șoc au fost acordate lui C. З. De Ferranti & S. Batchelor separat. Nikola Tesla a fost interesat de discul Faraday și a lucrat cu mecanisme homopolare și a patentat în cele din urmă o versiune îmbunătățită a dispozitivului în brevetul US 406,968.

Brevet Tesla "Dinamo Electric Machine" (generator unipolar Tesla) descrie un aranjament de două discuri paralele cu arbori paraleli separați, conectați, ca niște scripeți, printr-o curea metalică. Fiecare disc avea un câmp opus celuilalt, astfel încât fluxul de curent trecea de la un arbore la marginea discului, prin curea, la cealaltă margine și la cel de-al doilea arbore. Acest lucru ar reduce foarte mult pierderile de frecare cauzate de contactele glisante, permițând ambilor senzori electrici să interacționeze cu arborii celor două discuri, mai degrabă decât cu arborele și janta de mare viteză.

Brevetele au fost acordate ulterior lui C. П. Steinmetz & E. Thomson pentru activitatea lor cu generatoare unipolare de înaltă tensiune. Dinamo Forbes, proiectată de inginerul electric scoțian George Forbes, a fost folosită pe scară largă la începutul secolului XX. Majoritatea dezvoltărilor făcute în mecanismele homopolare au fost brevetate de către J.E. Noeggerath și R. Eickemeyer.

1950s

Generatoarele homopolare au cunoscut o renaștere în anii `50 ca sursă de stocare a energiei pulsatorii. Aceste dispozitive foloseau discuri grele ca o formă de volant pentru a stoca energie mecanică care ar putea fi rapid descărcată într-un experiment.

Un prim exemplu de astfel de dispozitiv a fost creat de Sir Mark Oliphant la Școala de Cercetare în Științe Fizice și Inginerie a Universității Naționale din Australia. Acesta a stocat până la 500 de megajouli de energie și a fost folosit ca sursă de curent ultra-înalt pentru experimente sincrotronice din 1962 până la dezmembrarea sa în 1986. Proiectul lui Oliphant era capabil să livreze curenți de până la 2 megaamperi (MA).

Dezvoltarea Parker Kinetic Designs Corporation

Dispozitive similare de dimensiuni și mai mari au fost proiectate și fabricate de Parker Kinetic Designs (fostă OIME Research) & din Austin. Ei au produs dispozitive pentru o varietate de aplicațiide la alimentarea tunurilor pe șine la motoare liniare (pentru lansări spațiale) și diverse modele de arme. Prototipuri industriale la 10MJ au fost introduse pentru diferite roluri, inclusiv pentru sudură electrică.

Aceste dispozitive constau dintr-un volant conductiv, unul care se rotește într-un câmp magnetic cu un contact electric în apropierea axei și celălalt la periferie. Acestea au fost folosite pentru a genera curenți foarte mari la tensiuni joase în aplicații precum sudarea, electroliza și cercetarea în domeniul armei cu șină. În aplicațiile de energie de impuls, momentul unghiular al rotorului este utilizat pentru a stoca energie pe o perioadă lungă de timp și apoi a o elibera într-un timp scurt.

Spre deosebire de alte tipuri de generatoare unipolare cu colector, tensiunea de ieșire nu își inversează niciodată polaritatea. Diviziunea sarcinilor este rezultatul forței Lorentz care acționează asupra sarcinilor libere din disc. Mișcarea este azimutală, iar câmpul este axial, deci forța electromotoare este radială.

Contactele electrice se realizează în mod normal prin intermediul unei "perii" sau a unui inel de contact, ceea ce duce la pierderi mari la tensiuni mici generate. Unele dintre aceste pierderi pot fi reduse prin utilizarea mercurului sau a unui alt metal sau aliaj ușor de lichefiat (galiu, NaK) ca "perie" pentru a asigura un contact electric practic continuu.

Modificare

O modificare propusă recent a fost aceea de a folosi un contact cu plasmă echipat cu un jet de neon cu rezistență negativă care atinge marginea discului sau a tamburului, folosind carbon specializat cu randament scăzut în benzile verticale. Acest lucru ar avea avantajul unei rezistențe foarte scăzute în domeniul curentului, posibil până la mii de amperi, fără contact cu metal lichid.

Dacă un câmp magnetic este creat de un magnet permanent, un oscilator funcționează indiferent dacă magnetul este atașat la stator sau se rotește odată cu discul. Înainte de descoperirea electronului și a legii forței lui Lorentz, acest fenomen era inexplicabil și era cunoscut sub numele de paradoxul lui Faraday.

"Tipul de tambur"

Un generator de tip tambur homopolar are un câmp magnetic (V) care radiază radial din centrul tamburului și induce o tensiune (V) pe toată lungimea acestuia. Un tambur conductiv care se rotește de sus în regiunea unui "magnet de difuzor" cu un pol în centru și celălalt în jurul acestuia, poate folosi rulmenți cu bile conductoare în părțile superioare și inferioare pentru a capta curentul generat.

În natură

Inductori unipolari se găsesc în astrofizică, unde un conductor se rotește printr-un câmp magnetic, de exemplu, atunci când plasma foarte conductivă din ionosfera unui corp spațial se mișcă prin câmpul magnetic al acestuia.

Inductori unipolari au fost asociați cu aurorele de pe Uranus, stelele duble, găurile negre, galaxiile, satelitul lui Jupiter, Io, Luna, vântul solar, petele solare și coada magnetică a planetei Venus.

Caracteristicile mecanismului

La fel ca toate obiectele spațiale menționate mai sus, discul lui Faraday transformă energia cinetică în energie electrică. Această mașină poate fi analizată cu ajutorul legii inducției electromagnetice a lui Faraday.

Această lege, în forma sa modernă, afirmă că derivata constantă a fluxului magnetic printr-un circuit închis induce o forță electromotoare în circuit, care, la rândul ei, excită un curent electric.

Integrala de suprafață care determină fluxul magnetic poate fi rescrisă ca un circuit liniar de jur împrejur. Deși integrala este independentă de timp, deoarece discul Faraday, care face parte din integrala liniară, se mișcă, derivata integrală în timp nu este egală cu zero și returnează valoarea corectă pentru calculul forței electromotoare. Alternativ, discul poate fi redus la un inel conductor în jurul circumferinței sale prin intermediul unui singur rază metalică care să conecteze inelul la axă.

Legea forței lui Lorentz este mai ușor de utilizat pentru a explica comportamentul unei mașini. Această lege, formulată la treizeci de ani după moartea lui Faraday, afirmă că forța exercitată asupra electronului este proporțională cu produsul încrucișat al vitezei sale și al vectorului flux magnetic.

În termeni geometrici, aceasta înseamnă că forța este direcționată în unghi drept atât față de viteză (azimutală), cât și față de fluxul magnetic (axial), care este deci în direcție radială. Mișcarea radială a electronilor din disc determină o separare de sarcini între centrul și marginea acestuia, iar dacă circuitul se închide, se induce un curent electric.

Motor electric

Un motor unipolar este un dispozitiv de curent continuu cu doi poli magnetici, ale cărui conductoare sunt întotdeauna traversate de linii unidirecționale de flux magnetic, care rotesc conductorul în jurul unei axe fixe, astfel încât să fie perpendicular pe câmpul magnetic static. Rezultatul EMF (forța electromotoare), care este continuă într-o singură direcție, un motor homopolar nu are nevoie de un comutator, dar necesită totuși arcurile de alunecare. Denumirea de homopolar indică faptul că polaritatea electrică a conductorului și polii câmpului magnetic nu se schimbă (adică nu necesită comutație).

Motorul unipolar a fost primul motor electric care a fost construit. Acțiunea sa a fost demonstrată de Michael Faraday în 1821 la Royal Institution din Londra.

Invenție

În 1821, la scurt timp după ce fizicianul și chimistul danez Hans Christian Ørsted a descoperit fenomenul electromagnetismului, Humphry Davy și omul de știință britanic William Hyde Wollaston au încercat, dar nu au reușit, să dezvolte un motor electric. Faraday, pe care Humphrey l-a contestat ca pe o glumă, a continuat să construiască două dispozitive pentru a crea ceea ce el a numit "rotație electromagnetică. Unul dintre acestea, cunoscut acum sub numele de motor homopolar, a creat o mișcare circulară continuă. A fost provocată de o forță magnetică circulară în jurul unui fir plasat într-un bazin de mercur în care era plasat magnetul. Firul s-ar roti în jurul magnetului dacă ar fi alimentat cu curent de la o baterie chimică.

Aceste experimente și invenții au stat la baza tehnologiei electromagnetice moderne. Faraday a publicat în curând rezultatele. Acest lucru a tensionat relațiile cu Davy, din cauza geloziei acestuia față de realizările lui Faraday și a cauzat, că acesta din urmă a preluat de alte cazuri, care l-au împiedicat să participe la cercetări electromagnetice timp de mai mulți ani.

Б. Г. Lamm a descris în 1912 o mașină homopolară de 2000 kW, 260 V, 7700 A, 1200 RPM cu 16 inele de contact care funcționa la o viteză periferică de 67 m/s. Un generator unipolar de 1125kW, 7,5V, 150.000A, 514rpm construit în 1934 a fost instalat într-o oțelărie americană pentru sudarea țevilor.

Aceeași lege Lorentz

Funcționarea acestui motor este similară cu cea a unui mic generator unipolar. Un motor unipolar este acționat de forța Lorentz. Un conductor străbătut de curent, atunci când este plasat într-un câmp magnetic și perpendicular pe acesta, resimte o forță în direcție perpendiculară atât la câmpul magnetic, cât și la curent. Această forță asigură un cuplu de inversare în jurul axei de rotație.

Deoarece acesta din urmă este paralel cu câmpul magnetic și câmpurile magnetice opuse nu își inversează polaritatea, comutația nu este necesară pentru a menține conductorul în rotație. Această simplitate este cel mai ușor de realizat cu modele unipolare, ceea ce face ca motoarele homopolare să fie nepotrivite pentru majoritatea aplicațiilor practice.

La fel ca majoritatea mașinilor electromecanice (precum generatorul unipolar Neggerath), motorul homopolar este reversibil: dacă un conductor este rotit mecanic, acesta va funcționa ca un generator homopolar, generând o tensiune continuă între cele două conductoare ale conductorului.

Curentul permanent este o consecință a naturii homopolare a construcției. Generatoarele homopolare (HPGs) au fost cercetate temeinic la sfârșitul secolului al XX-lea ca surse de curent continuu de joasă tensiune, dar de curent foarte mare, și au avut un oarecare succes în alimentarea tunurilor experimentale pe șine.

Structura

Realizarea unui generator unipolar cu propriile mâini este destul de ușoară. Motorul unipolar este, de asemenea, foarte simplu de asamblat. Un magnet permanent este folosit pentru a crea un câmp magnetic extern în care conductorul se va roti, iar bateria forțează curentul să circule de-a lungul firului conductor.

Nu este nevoie ca magnetul să se miște sau chiar să intre în contact cu restul motorului; singurul său scop este de a crea un câmp magnetic care va interacționa cu un câmp similar indus de curentul din fir. Puteți atașa un magnet la baterie și permiteți conductorului să se rotească liber atunci când circuitul electric este închis, atingând atât partea superioară a bateriei, cât și magnetul atașat la partea inferioară a acesteia. Cablul și bateria se pot încălzi în timpul utilizării continue.