Oscylator unipolarny: urządzenie, historia budowy, zastosowania

Oscylator unipolarny jest elektryczną maszyną prądu stałego zawierającą elektrycznie przewodzącą tarczę lub cylinder obracający się w płaszczyźnie. posiada różne potencjały elektryczne pomiędzy środkiem tarczy a obrzeżem (lub końcami cylindra), przy czym biegunowość elektryczna zależy od kierunku obrotu i orientacji pola.

Jest on również znany jako unipolarny oscylator Faradaya. Napięcie jest zwykle niskie, rzędu kilku woltów w przypadku małych modeli demonstracyjnych, ale duże maszyny badawcze mogą generować setki woltów, a niektóre systemy mają kilka generatorów połączonych szeregowo, aby wytworzyć jeszcze większe napięcie. Są one o tyle nietypowe, że mogą generować prądy elektryczne o natężeniu przekraczającym milion amperów, ponieważ generator unipolarny nie musi mieć dużego oporu wewnętrznego.

Historia wynalazku

Pierwszy mechanizm homopolarny opracował Michael Faraday podczas swoich eksperymentów w 1831 r. Często nazywany jest dyskiem lub kołem Faradaya na jego cześć. Był to początek dzisiejszych maszyn dynamo, czyli generatorów elektrycznych zasilanych polem magnetycznym. Był on bardzo mało wydajny i nie został wykorzystany jako praktyczne źródło energii, ale pokazał, że możliwe jest generowanie energii elektrycznej za pomocą magnetyzmu i utorował drogę dynamom prądu stałego, a później alternatorom.

Wady pierwszego generatora

Dysk Faradaya był przede wszystkim nieefektywny z powodu przeciwnych przepływów prądu. Zasada działania Na tym przykładzie zostanie opisany oscylator unipolarny. Podczas gdy przepływ prądu był indukowany bezpośrednio pod magnesem, prąd krążył w przeciwnym kierunku. Prąd przeciwny ogranicza moc wyjściową do przewodów odbiornika i powoduje niepotrzebne nagrzewanie się miedzianej tarczy. Nowsze generatory homopolarne mogą rozwiązać ten problem, stosując zestaw magnesów rozmieszczonych na obwodzie tarczy w celu utrzymania stałego pola na obwodzie i wyeliminowania obszarów, w których mogłyby występować prądy przeciwne.

Dalszy rozwój

Wkrótce po zdyskredytowaniu oryginalnego Faradaya jako praktycznego generatora, opracowano zmodyfikowaną wersję łączącą magnes i dysk w jednej części obrotowej (wirniku), ale idea unipolarnego generatora szokowego została zarezerwowana dla tej konfiguracji. Jeden z najwcześniejszych patentów na mechanizmy unipolarne typu ogólnego uzyskał A. F. Delafield, U.S. Patent 278,516.

Badania prowadzone przez wybitne umysły

Inne wczesne patenty na szokowe oscylatory unipolarne zostały przyznane C. З. De Ferranti & S. Batchelor osobno. Nikola Tesla był zainteresowany dyskiem Faradaya i pracował z mechanizmami homopolarnymi, ostatecznie opatentował ulepszoną wersję urządzenia w patencie US 406,968.

patent Tesli "Dynamo Maszyna elektryczna" (generator unipolarny Tesli) opisuje układ dwóch równoległych tarcz z oddzielnymi równoległymi wałami połączonymi, jak koła pasowe, metalowym pasem. Każda tarcza miała pole przeciwne do drugiej, tak że przepływ prądu odbywał się od jednego wału do krawędzi tarczy przez taśmę do drugiej krawędzi i do drugiego wału. Pozwoliłoby to w znacznym stopniu ograniczyć straty wynikające z tarcia spowodowanego przez styki ślizgowe, umożliwiając obu czujnikom elektrycznym oddziaływanie na wały obu tarcz, a nie na wał i obręcz szybkobieżną.

Patenty te zostały później przyznane C. П. Steinmetz i E. Thomson za pracę nad unipolarnymi generatorami wysokiego napięcia. Dynamo Forbesa, zaprojektowane przez szkockiego inżyniera elektryka George`a Forbesa, było szeroko stosowane na początku XX wieku. Większość osiągnięć w zakresie mechanizmów homopolarnych została opatentowana przez J.E. Noeggerath i R. Eickemeyer.

50s

Generatory homopolarne przeżyły renesans w latach 50-tych jako źródło magazynowania energii impulsowej. Urządzenia te wykorzystywały ciężkie tarcze jako formę koła zamachowego do przechowywania energia mechaniczna, która może być szybko uwolniona do pojazdu eksperymentalnego.

Wczesny przykład tego typu urządzenia został stworzony przez Sir Marka Oliphanta w Research School of Physical Sciences and Engineering, Australian National University. Przechowywał on do 500 megadżuli energii i był używany jako źródło ultra-wysokiego prądu do eksperymentów z synchrotronem od 1962 r. do momentu jego demontażu w 1986 r. Projekt Oliphanta był w stanie dostarczyć prąd o natężeniu do 2 mega amperów (MA).

Zaprojektowany przez Parker Kinetic Designs Corporation

Podobne urządzenia o jeszcze większych rozmiarach zostały zaprojektowane i wyprodukowane przez Parker Kinetic Designs (dawniej OIME Research & Development) z Austin. Produkowali oni urządzenia do szeroki wachlarz zastosowań: od zasilania dział kolejowych po silniki liniowe (do startów kosmicznych) i różne konstrukcje broni. Wprowadzono wzory przemysłowe na poziomie 10 MJ dla różnych ról, w tym spawania elektrycznego.

Urządzenia te składały się z przewodzącego koła zamachowego, obracającego się w polu magnetycznym z jednym stykiem elektrycznym w pobliżu osi i drugim w pobliżu obwodu. Zostały one wykorzystane do generowania bardzo dużych prądów przy niskich napięciach w takich zastosowaniach jak spawanie, elektroliza i badania nad karabinami kolejowymi. W zastosowaniach energii impulsowej moment pędu wirnika jest wykorzystywany do przechowywania energii przez długi okres, a następnie uwalniania jej w krótkim czasie.

W przeciwieństwie do innych typów generatorów unipolarnych z komutatorem, napięcie wyjściowe nigdy nie zmienia biegunowości. Podział ładunków jest wynikiem działania siły Lorentza na swobodne ładunki w dysku. Ruch jest azymutalny, a pole jest osiowe, więc siła elektromotoryczna jest promienista.

Styki elektryczne są zwykle wykonywane poprzez "szczotkę" lub pierścień kontaktowy, co powoduje wysokie straty przy niskich napięciach generowanych. Niektóre z tych strat można by zmniejszyć stosując rtęć lub inny łatwo skraplający się metal, lub stop (gal, NaK) jako "szczotkę" zapewniającą niemal ciągły kontakt elektryczny.

Modyfikacja

Ostatnio zaproponowana modyfikacja polegała na zastosowaniu kontaktu plazmowego wyposażonego w strumienicę neonową o ujemnej rezystancji dotykającą krawędzi tarczy lub bębna, przy zastosowaniu specjalistycznego węgla o niskiej wydajności wyjściowej w pasach pionowych. Zaletą tego rozwiązania byłaby bardzo niska rezystancja w zakresie prądów, być może do tysięcy amperów bez kontaktu z ciekłym metalem.

Jeśli pole magnetyczne jest tworzone przez magnes stały, generator działa niezależnie od tego, czy magnes jest przymocowany do stojana, czy obraca się z tarczą. Przed odkryciem elektronu i prawa siły Lorentza zjawisko to było niewytłumaczalne i znane jako paradoks Faradaya.

"Typ bębna"

Homopolarna prądnica bębnowa posiada pole magnetyczne (V), które promieniuje promieniście od środka bębna i indukuje napięcie (V) na całej jego długości. Przewodzący bęben, obracający się od góry w obszarze magnesu typu głośnikowego, z jednym biegunem w centrum i drugim wokół niego, może wykorzystywać przewodzące łożyska kulkowe w swojej górnej i dolnej części do przechwytywania powstającego prądu.

W naturze

Induktory unipolarne występują w astrofizyce, gdzie przewodnik obraca się poprzez pole magnetyczne, np. gdy wysoce przewodząca plazma porusza się w jonosferze ciała kosmicznego poprzez jego pole magnetyczne.

Induktory unipolarne zostały powiązane z Uranem, gwiazdami podwójnymi, czarnymi dziurami, galaktykami, satelitą Jowisza Io, Księżycem, wiatrem słonecznym, plamami na Słońcu i wenusjańskim ogonem magnetycznym.

Cechy mechanizmu

Podobnie jak wszystkie wymienione wyżej obiekty kosmiczne, dysk Faradaya zamienia energię kinetyczną na energię elektryczną. Maszyna ta może być analizowana przy użyciu prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya.

Prawo to w obecnej postaci stwierdza, że stała pochodna strumienia magnetycznego przez obwód zamknięty indukuje w obwodzie siłę elektromotoryczną, która z kolei wzbudza prąd elektryczny.

Całka powierzchniowa określająca strumień magnetyczny może być zapisana jako liniowa po obwodzie. Chociaż całka liniowa jest niezależna od czasu, to ponieważ tarcza Faradaya, będąca częścią granicy całki liniowej, porusza się, pochodna całki nie jest równa zeru i zwraca prawidłową wartość do obliczenia siły elektromotorycznej. Alternatywnie, dysk mógłby zostać zredukowany do przewodzącego pierścienia na swoim obwodzie przez pojedynczą metalową szprychę łączącą pierścień z osią.

Prawo siły Lorentza jest łatwiejsze do zastosowania w celu wyjaśnienia zachowania maszyny. Prawo to, sformułowane trzydzieści lat po śmierci Faradaya, mówi, że siła działająca na elektron jest proporcjonalna do iloczynu krzyżowego jego prędkości i wektora strumienia magnetycznego.

W kategoriach geometrycznych oznacza to, że siła jest skierowana pod kątem prostym zarówno do prędkości (azymutalnie), jak i strumienia magnetycznego (osiowo), który jest zatem w kierunku promieniowym. Promienisty ruch elektronów w dysku powoduje rozdzielenie ładunków między jego środkiem a brzegiem i w przypadku zamknięcia obwodu powstaje prąd elektryczny.

Silnik elektryczny

Silnik unipolarny jest urządzeniem prądu stałego z dwoma biegunami magnetycznymi, którego przewodniki zawsze przecinają jednokierunkowe linie strumienia magnetycznego, obracając przewodnik wokół stałej osi tak, że jest on ustawiony pod kątem prostym do statycznego pola magnetycznego. Wynikowa EMF (siła elektromotoryczna), która jest ciągła w jednym kierunku, silnik homopolarny nie wymaga komutatora, ale nadal wymaga pierścieni kontaktowych. Nazwa homopolarny wskazuje, że biegunowość elektryczna przewodnika i bieguny pola magnetycznego nie zmieniają się (tzn. że nie wymaga komutacji).

Silnik unipolarny był pierwszym silnikiem elektrycznym, który został zbudowany. Jego działanie zademonstrował Michael Faraday w 1821 roku w Royal Institution w Londynie.

Wynalazek

W 1821 roku, wkrótce po odkryciu przez duńskiego fizyka i chemika Hansa Christiana Ørsteda zjawiska elektromagnetyzmu, Humphry Davy i brytyjski naukowiec William Hyde Wollaston próbowali, ale bezskutecznie, skonstruować silnik elektryczny. Faraday, którego Humphrey wyzwał jako żart, poszedł dalej, aby stworzyć dwa urządzenia do tworzenia tego, co nazwał "rotacją elektromagnetyczną". Jeden z nich, znany obecnie jako silnik homopolarny, tworzył ciągły ruch kołowy. Zostało ono wywołane przez kołową siłę magnetyczną wokół drutu umieszczonego w basenie rtęci, w którym umieszczono magnes. Drut obracałby się wokół magnesu, gdyby był zasilany prądem z baterii chemicznej.

Te eksperymenty i wynalazki stworzyły podstawy nowoczesnej technologii elektromagnetycznej. Faraday wkrótce opublikował wyniki. To nadwerężyło relacje z Davym z powodu jego zazdrości o osiągnięcia Faradaya i spowodowało, że ten ostatni podjął się innych rzeczy, a w rezultacie uniemożliwił mu udział w badaniach elektromagnetycznych przez kilka lat.

Б. Г. Lamm opisał w 1912 roku maszynę homopolarną o mocy 2000 kW, 260 V, 7700 A, 1200 obr/min z 16 pierścieniami stykowymi, pracującą z prędkością obwodową 67 m/s. Generator unipolarny o mocy 1125 kW, 7,5 V, 150 000 A, 514 RPM zbudowany w 1934 roku został zainstalowany w amerykańskiej hucie stali do spawania rur.

To prawo Lorentza

Działanie tego silnika jest podobne do działania unipolarnego generatora przepięć. Silnik unipolarny jest napędzany siłą Lorentza. Przewodnik z płynącym przez niego prądem, umieszczony w polu magnetycznym i prostopadle do niego, odczuwa siłę w kierunku prostopadłym zarówno do pola magnetycznego, jak i do prądu. Moc ta zapewnia moment obrotowy wokół osi obrotu.

Ponieważ pole to jest równoległe do pola magnetycznego, a przeciwne pola magnetyczne nie odwracają polaryzacji, komutacja nie jest konieczna do kontynuowania obrotu przewodnika. Ta prostota jest najłatwiejsza do osiągnięcia w konstrukcjach unipolarnych, co sprawia, że silniki homopolarne nie nadają się do większości praktycznych zastosowań.

Jak większość maszyn elektromechanicznych (np. unipolarny generator Neggeratha), silnik homopolarny jest odwracalny: jeśli przewodnik jest obracany mechanicznie, będzie działał jako generator homopolarny, wytwarzając napięcie stałe między dwoma przewodami przewodnika.

Prąd stały jest konsekwencją homopolarnego charakteru konstrukcji. Generatory homopolarne (HPG) były dokładnie badane pod koniec XX wieku jako źródła prądu stałego o niskim napięciu, ale bardzo dużym natężeniu. Odniosły one pewien sukces w zasilaniu eksperymentalnych dział kolejowych.

Struktura

Wykonanie generatora unipolarnego własnymi rękami jest dość proste. Silnik unipolarny jest również bardzo łatwy w montażu. Magnes stały służy do wytworzenia zewnętrznego pola magnetycznego, w którym przewodnik będzie się obracał, a bateria wymusza przepływ prądu wzdłuż przewodzącego drutu.

Nie ma potrzeby, aby magnes poruszał się lub nawet kontaktował z resztą silnika; jego jedynym celem jest wytworzenie pola magnetycznego, które będzie oddziaływać z podobnym polem indukowanym przez prąd w przewodzie. Możliwe jest przymocowanie magnesu do baterii i umożliwienie swobodnego obracania się przewodnika, gdy obwód elektryczny jest zamknięty, dotykając zarówno górnej części baterii, jak i magnesu przymocowanego do jej dolnej części. Przewody i bateria mogą się nagrzewać podczas ciągłej pracy.