Униполярен осцилатор: конструкция, история, приложение

Униполярният генератор е електрически механизъм за постоянен ток, който съдържа електропроводим диск или цилиндър, въртящ се в равнина. има различни силови потенциали между центъра на диска и ръба (или краищата на цилиндъра) с електрическа полярност, която зависи от посоката на въртене и ориентацията на полето.

Известен е също като униполярен осцилатор на Фарадей. Напрежението обикновено е ниско, от порядъка на няколко волта при малките демонстрационни модели, но големите изследователски машини могат да генерират стотици волта, а някои системи имат няколко последователно свързани генератора, за да произвеждат още по-голямо напрежение. Те са необичайни с това, че могат да генерират електрически ток с мощност над един милион ампера, тъй като униполярният генератор не е задължително да има високо вътрешно съпротивление.

История на изобретението

Първият хомополярен механизъм е разработен от Майкъл Фарадей по време на експериментите му през 1831 г. Често се нарича диск или колело на Фарадей в негова чест. Това е началото на съвременните динамо, т.е. електрически генератори, задвижвани от магнитно поле. Той е много неефективен и не се използва като практически източник на енергия, но показва възможността за генериране на електроенергия с помощта на магнетизма и проправя пътя за динамо с постоянен ток, а след това и за алтернаторите.

Недостатъци на първия генератор

Дискът на Фарадей е неефективен на първо място заради обратния поток на тока. Принцип на работа на униполярния осцилатор ще бъде описан като пример. Докато токът се индуцираше директно под магнита, токът циркулираше в обратна посока. Противотокът ограничава изходната мощност на приемащите проводници и води до ненужно нагряване на медния диск. По-новите хомополярни генератори биха могли да решат този проблем, като използват набор от магнити, разположени по периметъра на диска, за да поддържат постоянно поле по периферията и да елиминират областите, в които могат да възникнат противотокове.

По-нататъшно развитие

Малко след като оригиналният диск на Фарадей е дискредитиран като практически генератор, е разработена модифицирана версия, съчетаваща магнит и диск в една въртяща се част (ротор), но идеята за поразителен еднополюсен генератор е запазена за тази конфигурация. Един от първите патенти за униполярни механизми от общ тип е получен от A. F. Delafield, патент на САЩ 278,516.

Изследвания на изтъкнати учени

Други ранни патенти за шокови униполярни генератори са присъдени на C. З. De Ferranti и C. Batchelor отделно. Никола Тесла се интересува от диска на Фарадей и работи с хомополярни механизми, като в крайна сметка патентова подобрена версия на устройството в американски патент 406 968.

Патент на Tesla "Динамо Електрическа машина" (еднополюсен генератор на Тесла) описва разположението на два паралелни диска с отделни паралелни валове, свързани като ремъци с метален ремък. Всеки диск има поле, противоположно на другото, така че потокът от ток преминава от единия вал до ръба на диска през ремъка до другия край и до втория вал. Това би намалило значително загубите от триене, причинени от плъзгащите се контакти, като позволи на двата електрически сензора да взаимодействат с валовете на двата диска, а не с вала и високоскоростната джанта.

По-късно са издадени патенти на C. П. Steinmetz и E. Томсън за работата им с униполярни генератори на високо напрежение. Динамото на Форбс, разработено от шотландския електроинженер Джордж Форбс, е широко използвано в началото на ХХ век. Повечето от разработките в областта на хомополярните механизми са патентовани от J.E. Noeggerath и R. Eickemeyer.

1950s

Хомополярните генератори преживяват ренесанс през 50-те години на миналия век като източник за съхранение на импулсна енергия. Тези устройства използват тежки дискове като вид маховик за съхранение на механична енергия, която може бързо да се вкара в експерименталния апарат.

Ранният пример за такова устройство е създаден от сър Марк Олифант в Изследователското училище по физически науки и инженерство към Австралийския национален университет. Съхранява до 500 мегаджаула енергия и се използва като източник на свръхвисок ток за синхротронни експерименти от 1962 г. до разглобяването му през 1986 г. Конструкцията на Олифант е способна да подава ток до 2 мегаампера (МА).

Разработване на Parker Kinetic Designs Corporation

Подобни устройства с още по-големи размери са проектирани и произведени от Parker Kinetic Designs (бивша OIME Research) & от Остин. Те произвеждат устройства за голямо разнообразие от приложения: от задвижване на релсови оръжия до линейни двигатели (за изстрелване в космоса) и различни оръжейни конструкции. Индустриалните модели с мощност 10MJ са въведени за различни роли, включително електрическо заваряване.

Тези устройства се състоят от проводящ маховик, въртящ се в магнитно поле, с един електрически контакт близо до оста и друг близо до периферията. Те се използват за генериране на много високи токове при ниски напрежения в области като заваряване, електролиза и изследване на железопътни оръжия. В приложенията за импулсна енергия ъгловият момент на ротора се използва за натрупване на енергия за дълъг период от време, след което се освобождава за кратко време.

За разлика от другите видове униполярни генератори с комутатори, изходното напрежение никога не променя полярността си. Разделянето на зарядите е резултат от действието на силата на Лоренц върху свободните заряди в диска. Движението е азимутално, а полето е аксиално, така че електродвижещата сила е радиална.

Електрическите контакти обикновено се осъществяват чрез "четка" или контактен пръстен, което води до високи загуби при ниски напрежения. Някои от тези загуби могат да бъдат намалени чрез използване на живак или друг лесно втечняващ се метал или сплав (галий, NaK) като "четка" за осигуряване на почти непрекъснат електрически контакт.

Модификация

Неотдавна предложената модификация беше да се използва плазмен контакт, оборудван с неонова струя с отрицателно съпротивление, докосваща ръба на диска или барабана, като се използва специализиран въглерод с ниска производителност във вертикалните ивици. Предимство на този метод е много ниското съпротивление в токовия диапазон, вероятно до хиляди ампери, без контакт с течен метал.

Ако магнитното поле се създава от постоянен магнит, генераторът работи независимо дали магнитът е прикрепен към статора или се върти заедно с диска. Преди откриването на електрона и закона за силата на Лоренц това явление е необяснимо и е известно като парадокс на Фарадей.

"Тип барабан"

Хомополярен генератор от барабанен тип има магнитно поле (V), което се излъчва радиално от центъра на барабана и индуцира напрежение (V) по цялата му дължина. Проводим барабан, въртящ се отгоре в областта на "магнит за високоговорители" с един полюс в центъра и другия около него, може да използва проводими сачмени лагери в горната и долната си част, за да улавя генерирания ток.

В природата

Еднополюсни индуктори се срещат в астрофизиката, където проводник се върти в магнитно поле, например когато силно проводима плазма се движи в йоносферата на космическо тяло чрез неговото магнитно поле.

Еднополярните индуктори са свързани с полярните сияния на Уран, двойните звезди, черните дупки, галактиките, луната Йо на Юпитер, Луната, слънчевия вятър, слънчевите петна и магнитната опашка на Венера.

Характеристики на машината

Подобно на всички космически обекти, споменати по-горе, дискът на Фарадей преобразува кинетичната енергия в електрическа. Тази машина може да се анализира с помощта на закона на Фарадей за електромагнитната индукция.

Този закон в съвременния си вид гласи, че постоянната производна на магнитния поток през затворена верига предизвиква в нея електродвижеща сила, която от своя страна възбужда електрически ток.

Повърхностният интеграл, който определя магнитния поток, може да се препише като линейна окръжност. Въпреки че интегралът е независим от времето, тъй като дискът на Фарадей, който е част от границата на линейния интеграл, се движи, пълната производна по време не е нула и връща правилната стойност за изчисляване на електродвижещата сила. Алтернативно, дискът може да бъде сведен до проводящ пръстен по периферията си, като се използва една метална спица, свързваща пръстена с оста.

Законът за силата на Лоренц е по-лесен за обяснение на поведението на една машина. Този закон, формулиран тридесет години след смъртта на Фарадей, гласи, че силата върху електрона е пропорционална на кръстосаното произведение на скоростта му и вектора на магнитния поток.

В геометричен смисъл това означава, че силата е под прав ъгъл както към скоростта (азимутално), така и към магнитния поток (аксиално), който следователно е в радиална посока. Радиалното движение на електроните в диска води до разделяне на зарядите между неговия център и ръб и ако веригата се затвори, се получава електрически ток.

Електрически двигател

Еднополюсен електродвигател е устройство за постоянен ток с два магнитни полюса, чиито проводници винаги се пресичат от еднопосочни линии на магнитния поток, като се въртят около фиксирана ос, така че да са под прав ъгъл спрямо статичното магнитно поле. Получената ЕМФ (електродвижеща сила), която е непрекъсната в една посока, при хомополярния двигател не се нуждае от комутатор, но все пак изисква контактни пръстени. Наименованието "хомополярен" показва, че електрическата полярност на проводника и полюсите на магнитното поле не се променят (т.е. не се налага превключване).

Еднополюсният двигател е първият конструиран електрически двигател. Действието му е демонстрирано от Майкъл Фарадей през 1821 г. в Кралския институт в Лондон.

Изобретяването на

През 1821 г., малко след като датският физик и химик Ханс Кристиан Орстед открива явлението електромагнетизъм, Хъмфри Дейви и британският учен Уилям Хайд Уоластън се опитват, но не успяват, да разработят електрически двигател. Фарадей, когото Хъмфри предизвиква на шега, създава две устройства за създаване на така нареченото "електромагнитно въртене". Един от тях, известен днес като хомополярен двигател, създава непрекъснато кръгово движение. Причината е кръгова магнитна сила около проводник, поставен в живачен басейн, в който е поставен магнит. Проводникът ще се върти около магнита, ако му се подаде ток от химическа батерия.

Тези експерименти и изобретения са в основата на съвременната електромагнитна технология. Фарадей скоро публикува резултатите. Това обтяга отношенията с Дейви, защото той ревнува от постиженията на Фарадей и предизвиква, че последният взе други въпроси и в резултат на това му попречи да участва в електромагнитни изследвания в продължение на няколко години.

Б. Г. През 1912 г. Лам описва хомополярна машина с мощност 2000 kW, 260 V, 7700 A и 1200 оборота в минута с 16 контактни пръстена, работеща с периферна скорост 67 m/s. Униполярен осцилатор с мощност 1125 kW, 7,5 V, 150 000 A, 514 об/мин, създаден през 1934 г., е инсталиран в американски стоманодобивен завод за заваряване на тръби.

Същият закон на Лоренц

Работата на този двигател е подобна на тази на еднополюсния генератор на импулси. Еднополюсен двигател се задвижва от силата на Лоренц. Проводник с протичащ през него ток, поставен в магнитно поле и перпендикулярно на него, изпитва сила в посока, перпендикулярна както на магнитното поле, така и на тока. Тази сила създава въртящ момент около оста на въртене.

Тъй като последният е успореден на магнитното поле и противоположните магнитни полета не се обръщат полярно, не е необходима комутация, за да се поддържа въртенето на проводника. Тази простота се постига най-лесно с еднооборотни конструкции, което прави хомополярните двигатели неподходящи за повечето практически приложения.

Подобно на повечето електромеханични машини (като еднополюсния генератор на Негерат) хомополярният двигател е обратим: ако проводник се върти механично, той ще работи като хомополярен генератор, произвеждайки постоянен ток между двата извода на проводника.

Постоянният ток е следствие от хомополярния характер на конструкцията. Хомополярните генератори (HPG) бяха задълбочено изследвани в края на 20-ти век като източници на постоянен ток с ниско напрежение, но с много висок ток, и постигнаха известен успех при захранването на експериментални железопътни оръжия.

Структура

Създаването на униполярен генератор със собствени ръце е доста лесно. Униполярният двигател също е много лесен за сглобяване. Използва се постоянен магнит, за да се създаде външно магнитно поле, в което проводникът се върти, а батерията кара тока да тече по проводника.

Не е необходимо магнитът да се движи или дори да контактува с останалата част на двигателя; единствената му цел е да създаде магнитно поле, което да взаимодейства с подобно поле, предизвикано от тока в проводника. Към батерията може да се прикрепи магнит, който да позволи на проводника да се върти свободно, когато веригата е затворена, докосвайки както горната част на батерията, така и магнита, прикрепен към долната ѝ част. Проводникът и батерията могат да се нагорещят при продължителна работа.