Ang unipolar generator ay isang direktang kasalukuyang electrical mechanism na naglalaman ng electrically conductive disk o cylinder na umiikot sa isang eroplano. Ito ay may mga potensyal na magkaibang kapangyarihan sa pagitan ng gitna ng disk at ng rim (o mga dulo ng cylinder) na may electric polarity, na nakadepende sa direksyon ng pag-ikot at sa oryentasyon ng field.
Kilala rin ito bilang unipolar Faraday oscillator. Ang boltahe ay karaniwang mababa, sa pagkakasunud-sunod ng ilang volts sa kaso ng mga maliliit na modelo ng demonstrasyon, ngunit ang malalaking research machine ay maaaring makabuo ng daan-daang volts, at ang ilang mga sistema ay may maraming mga serye ng oscillator para sa mas mataas na boltahe. Ang mga ito ay hindi pangkaraniwan dahil maaari silang makabuo ng isang de-koryenteng current na may kakayahang lumampas sa isang milyong amperes, dahil ang isang unipolar generator ay hindi kinakailangang magkaroon ng mataas na panloob na resistensya.
Kuwento ng Imbensyon
Ang unang mekanismo ng homopolar ay binuo ni Michael Faraday sa panahon ng kanyang mga eksperimento noong 1831. Ito ay madalas na tinutukoy bilang isang Faraday disc o gulong pagkatapos niya. Ito ang simula ng modernong dinamomga makina, iyon ay, mga electric generator na tumatakbo sa isang magnetic field. Ito ay napaka-inefficient at hindi ginamit bilang isang praktikal na pinagmumulan ng kuryente, ngunit nagpakita ng posibilidad ng pagbuo ng kuryente gamit ang magnetism at naging daan para sa mga switched DC dynamos at pagkatapos ay mga alternator.
Mga disadvantage ng unang generator
Ang disc ni Faraday ay pangunahing hindi epektibo dahil sa mga paparating na kasalukuyang daloy. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang unipolar generator ay ilalarawan lamang sa pamamagitan ng halimbawa nito. Habang ang kasalukuyang daloy ay sapilitan nang direkta sa ilalim ng magnet, ang kasalukuyang circulated sa kabaligtaran direksyon. Nililimitahan ng backflow ang output power para sa pagtanggap ng mga wire at nagiging sanhi ng hindi kinakailangang pag-init ng copper disk. Mamaya malutas ng mga homopolar generator ang problemang ito gamit ang isang set ng magnet na inilagay sa paligid ng perimeter ng disk upang mapanatili ang isang pare-parehong field sa paligid ng circumference at alisin ang mga lugar kung saan maaaring mangyari ang backflow.
Mga karagdagang development
Di-nagtagal matapos ang orihinal na disk ng Faraday ay siraan bilang isang praktikal na generator, isang binagong bersyon ang binuo na pinagsasama ang magnet at disk sa isang umiikot na bahagi (rotor), ngunit ang mismong ideya ng isang impact unipolar generator ay nakalaan para dito pagsasaayos. Ang isa sa mga pinakaunang patent para sa mga generic na unipolar na mekanismo ay nakuha ni A. F. Delafield, U. S. Patent 278,516.
Pagsasaliksik ng mga natatanging kaisipan
Iba pang maagang epekto na mga unipolar na patentang mga generator ay iginawad nang hiwalay sa S. Z. De Ferranti at S. Batchelor. Si Nikola Tesla ay interesado sa Faraday disk at gumana sa mga mekanismo ng homopolar, at kalaunan ay nag-patent ng pinahusay na bersyon ng device sa US Patent 406,968.
Tesla's "Dynamo Electric Machine" patent (Tesla's unipolar generator) ay naglalarawan ng pagkakaayos ng dalawang parallel disk na may magkahiwalay na parallel shaft na konektado, tulad ng mga pulley, ng metal belt. Ang bawat disk ay may isang patlang na kabaligtaran sa isa, upang ang kasalukuyang daloy ay dumaan mula sa isang baras hanggang sa gilid ng disk, sa pamamagitan ng sinturon patungo sa kabilang gilid, at sa pangalawang baras. Ito ay lubos na makakabawas sa friction losses na dulot ng mga sliding contact, na nagpapahintulot sa parehong mga de-koryenteng sensor na makipag-ugnayan sa mga shaft ng dalawang disc sa halip na sa shaft at high speed rim.
Mamaya ay iginawad ang mga patent kina S. P. Steinmetz at E. Thomson para sa kanilang trabaho sa mga high voltage unipolar generator. Ang Forbes Dynamo, na idinisenyo ng Scottish electrical engineer na si George Forbes, ay malawakang ginamit noong unang bahagi ng ika-20 siglo. Karamihan sa mga pag-unlad na ginawa sa mga mekanismo ng homopolar ay na-patent ni J. E. Noeggerath at R. Eickemeyer.
50s
Ang Homopolar generators ay nakaranas ng renaissance noong 1950s bilang pinagmumulan ng pulsed energy storage. Gumamit ang mga device na ito ng mabibigat na disk bilang isang anyo ng flywheel upang mag-imbak ng mekanikal na enerhiya na maaaring mabilis na itapon sa pang-eksperimentong apparatus.
Ang isang maagang halimbawa ng ganitong uri ng device ay ginawa ni Sir Mark Oliphant sa Research SchoolPhysical Sciences and Engineering mula sa Australian National University. Nag-imbak ito ng hanggang 500 megajoules ng enerhiya at ginamit bilang isang napakataas na kasalukuyang pinagmumulan para sa mga eksperimento sa synchrotron mula 1962 hanggang sa ito ay lansagin noong 1986. Ang disenyo ng Oliphant ay may kakayahang maghatid ng mga agos hanggang 2 megaamperes (MA).
Binuo ng Parker Kinetic Designs
Kahit mas malalaking device na tulad nito ay idinisenyo at ginawa ng Parker Kinetic Designs (dating OIME Research & Development) ng Austin. Gumawa sila ng mga device para sa iba't ibang layunin, mula sa pagpapagana ng mga riles ng tren hanggang sa mga linear na motor (para sa paglulunsad sa kalawakan) at iba't ibang disenyo ng armas. 10 MJ pang-industriya na disenyo ang ipinakilala para sa iba't ibang tungkulin kabilang ang electric welding.
Ang mga device na ito ay binubuo ng isang conductive flywheel, na ang isa ay umiikot sa isang magnetic field na may isang electrical contact malapit sa axis at ang isa ay malapit sa periphery. Ginamit ang mga ito upang makabuo ng napakataas na agos sa mababang boltahe sa mga lugar tulad ng welding, electrolysis, at railgun research. Sa pulsed energy applications, ang angular momentum ng rotor ay ginagamit upang mag-imbak ng enerhiya sa mahabang panahon at pagkatapos ay ilabas ito sa maikling panahon.
Hindi tulad ng iba pang mga uri ng commutated unipolar generators, hindi kailanman binabaligtad ng output voltage ang polarity. Ang paghihiwalay ng mga singil ay resulta ng pagkilos ng puwersa ng Lorentz sa mga libreng singil sa disk. Ang motion ay azimuthal at ang field ay axial, kayaAng electromotive force ay radial.
Ang mga de-koryenteng contact ay karaniwang ginagawa sa pamamagitan ng "brush" o slip ring, na nagreresulta sa mataas na pagkalugi sa mababang boltahe na nabuo. Ang ilan sa mga pagkalugi na ito ay maaaring mabawasan sa pamamagitan ng paggamit ng mercury o iba pang madaling tunaw na metal o haluang metal (gallium, NaK) bilang isang "brush" upang magbigay ng halos tuluy-tuloy na pakikipag-ugnay sa kuryente.
Pagbabago
Ang isang kamakailang iminungkahing pagbabago ay ang paggamit ng isang plasma contact na nilagyan ng negatibong resistensyang neon streamer na dumampi sa gilid ng disc o drum gamit ang espesyal na carbon na may mababang paggana ng trabaho sa mga vertical na guhit. Magkakaroon ito ng bentahe ng napakababang resistensya sa kasalukuyang hanay, posibleng hanggang sa libu-libong amp, nang walang kontak sa likidong metal.
Kung ang magnetic field ay nilikha ng isang permanenteng magnet, gumagana ang generator hindi alintana kung ang magnet ay nakakabit sa stator o umiikot sa disk. Bago ang pagtuklas ng electron at ang batas ng puwersa ni Lorentz, hindi maipaliwanag ang hindi pangkaraniwang bagay na ito at kilala bilang kabalintunaan ni Faraday.
Uri ng Drum
Ang isang drum-type homopolar generator ay may magnetic field (V) na radiated mula sa gitna ng drum at nag-uudyok ng boltahe (V) sa buong haba nito. Ang isang conductive drum na umiikot mula sa itaas sa rehiyon ng isang "loudspeaker" na uri ng magnet na may isang poste sa gitna at ang isa ay nakapaligid dito, ay maaaring gumamit ng conductive ball bearings sa tuktok nito atibabang bahagi upang makuha ang nabuong kasalukuyang.
Sa kalikasan
Matatagpuan ang mga unipolar inductors sa astrophysics, kung saan umiikot ang conductor sa isang magnetic field, halimbawa, kapag ang isang mataas na conductive plasma sa ionosphere ng isang space body ay gumagalaw sa magnetic field nito.
Unipolar inductors ay nauugnay sa Uranian aurora, binary star, black hole, galaxies, Jupiter's moon Io, the Moon, solar wind, sunspots, at Venusian magnetic tail.
Mga tampok ng mekanismo
Tulad ng lahat ng nabanggit na mga bagay sa kalawakan, ang Faraday disk ay nagko-convert ng kinetic energy sa electrical energy. Masusuri ang makinang ito gamit ang sariling batas ni Faraday ng electromagnetic induction.
Ang batas na ito sa modernong anyo nito ay nagsasaad na ang patuloy na derivative ng magnetic flux sa pamamagitan ng closed circuit ay nag-uudyok ng electromotive force sa loob nito, na kung saan ay nagpapasigla ng electric current.
Ang integral sa ibabaw na tumutukoy sa magnetic flux ay maaaring isulat muli bilang isang linear sa paligid ng circuit. Kahit na ang integrand ng line integral ay hindi nakasalalay sa oras, dahil ang Faraday disk na bahagi ng hangganan ng line integral ay gumagalaw, ang derivative ng kabuuang oras ay hindi zero at ibinabalik ang tamang halaga para sa pagkalkula ng electromotive force. Bilang kahalili, ang disk ay maaaring gawing conductive ring sa paligid ng circumference nito gamit ang isang metal spoke na nagkokonekta sa ring sa axle.
Lorentz force law lightergagamitin upang ipaliwanag ang pag-uugali ng makina. Ang batas na ito, na nabuo tatlumpung taon pagkatapos ng kamatayan ni Faraday, ay nagsasaad na ang puwersa sa isang electron ay proporsyonal sa cross product ng bilis nito at ang magnetic flux vector.
Sa mga geometric na termino, nangangahulugan ito na ang puwersa ay nakadirekta sa tamang mga anggulo sa parehong bilis (azimuth) at magnetic flux (axial), na kung gayon ay nasa radial na direksyon. Ang radial na paggalaw ng mga electron sa disk ay nagdudulot ng paghihiwalay ng mga singil sa pagitan ng gitna at gilid nito, at kung ang circuit ay nakumpleto, isang electric current ang mabubuo.
Electric motor
Ang unipolar na motor ay isang DC device na may dalawang magnetic pole, na ang mga conductor ay palaging tumatawid sa unidirectional magnetic flux na linya, na pinapaikot ang konduktor sa paligid ng isang nakapirming axis upang ito ay nasa tamang mga anggulo sa static na magnetic field. Ang resultang EMF (electromotive force), na tuloy-tuloy sa isang direksyon, sa isang homopolar motor ay hindi nangangailangan ng commutator, ngunit nangangailangan pa rin ng mga slip ring. Ang pangalang "homopolar" ay nagpapahiwatig na ang electrical polarity ng conductor at ang mga pole ng magnetic field ay hindi nagbabago (ibig sabihin, hindi ito nangangailangan ng paglipat).
Ang unipolar na motor ay ang unang electric motor na ginawa. Ang pagkilos nito ay ipinakita ni Michael Faraday noong 1821 sa Royal Institution sa London.
Imbensyon
Noong 1821, ilang sandali matapos matuklasan ng Danish na pisiko at chemist na si Hans Christian Oerstedphenomenon ng electromagnetism, sinubukan ni Humphry Davy at ng British scientist na si William Hyde Wollaston, ngunit nabigo, na bumuo ng electric motor. Si Faraday, na pinagtatalunan bilang isang biro ni Humphrey, ay nagpatuloy upang lumikha ng dalawang aparato upang lumikha ng tinatawag niyang "electromagnetic rotation". Ang isa sa kanila, na kilala ngayon bilang homopolar drive, ay lumikha ng tuluy-tuloy na pabilog na paggalaw. Ito ay sanhi ng isang pabilog na magnetic force sa paligid ng wire na inilagay sa pool ng mercury kung saan inilagay ang magnet. Ang wire ay umiikot sa magnet kung ito ay pinapagana ng isang kemikal na baterya.
Ang mga eksperimento at imbensyon na ito ay naging batayan ng mga modernong teknolohiyang electromagnetic. Di-nagtagal, inilathala ni Faraday ang mga resulta. Naputol ang relasyon nito kay Davy dahil sa kanyang paninibugho sa mga nagawa ni Faraday at naging dahilan upang ang huli ay bumaling sa iba pang mga bagay, na bilang isang resulta ay humadlang sa kanya na makilahok sa electromagnetic research sa loob ng ilang taon.
B. Inilarawan ni G. Lamm noong 1912 ang isang homopolar machine na may lakas na 2000 kW, 260 V, 7700 A at 1200 rpm na may 16 na slip ring na tumatakbo sa peripheral na bilis na 67 m/s. Isang 1125kW, 7.5V, 150,000A, 514rpm unipolar generator na binuo noong 1934 ang na-install sa isang American steel mill para sa pipe welding.
Ang parehong batas ng Lorentz
Ang pagpapatakbo ng makinang ito ay katulad ng sa isang shock unipolar generator. Ang unipolar motor ay hinihimok ng puwersa ng Lorentz. Ang isang konduktor na may kasalukuyang dumadaloy dito, kapag inilagay sa isang magnetic field at patayo dito, ay nakakaramdam ng puwersa sadireksyon patayo sa parehong magnetic field at ang kasalukuyang. Nagbibigay ang puwersang ito ng pag-ikot sa paligid ng axis ng pag-ikot.
Dahil ang huli ay parallel sa magnetic field, at ang magkasalungat na magnetic field ay hindi nagbabago ng polarity, hindi kinakailangan ang paglipat upang magpatuloy sa pag-ikot ng konduktor. Ang pagiging simple na ito ay pinakamadaling makamit gamit ang mga single-turn na disenyo, na ginagawang hindi angkop ang mga homopolar motor para sa karamihan ng mga praktikal na aplikasyon.
Tulad ng karamihan sa mga electromechanical na makina (tulad ng unipolar generator ng Neggerath), ang homopolar na motor ay nababaligtad: kung ang conductor ay pinihit nang mekanikal, ito ay gagana bilang isang homopolar generator, na lumilikha ng DC boltahe sa pagitan ng dalawang terminal ng conductor.
Ang patuloy na agos ay bunga ng homopolar na katangian ng disenyo. Ang mga homopolar generator (HPG) ay malawakang ginalugad noong huling bahagi ng ika-20 siglo bilang mga pinagmumulan ng mababang boltahe ngunit napakataas na kasalukuyang direktang kasalukuyang, at nakamit ang ilang tagumpay sa pagpapagana ng mga eksperimentong railgun.
Gusali
Ang paggawa ng unipolar generator gamit ang iyong sariling mga kamay ay medyo simple. Ang unipolar motor ay napakadaling i-assemble. Ang permanenteng magnet ay ginagamit upang lumikha ng isang panlabas na magnetic field kung saan ang konduktor ay iikot, at ang baterya ay nagiging sanhi ng daloy sa kahabaan ng conductive wire.
Hindi kinakailangan para sa magnet na gumalaw o kahit na madikit sa natitirang bahagi ng motor; ang tanging layunin nito ay lumikha ng magnetic field na gagawinnakikipag-ugnayan sa isang katulad na field na dulot ng kasalukuyang nasa wire. Posibleng mag-attach ng magnet sa isang baterya at payagan ang conductor na malayang umikot habang ang electrical circuit ay nakumpleto, na hinahawakan ang parehong tuktok ng baterya at ang magnet na nakakabit sa ilalim ng baterya. Maaaring uminit ang wire at baterya sa patuloy na paggamit.
