Një gjenerator unipolar është një mekanizëm elektrik i rrymës së drejtpërdrejtë që përmban një disk ose cilindër elektrik përçues që rrotullohet në një plan. Ka potenciale me fuqi të ndryshme ndërmjet qendrës së diskut dhe buzës (ose skajeve të cilindrit) me polaritet elektrik, i cili varet nga drejtimi i rrotullimit dhe orientimi i fushës.
Njihet gjithashtu si oshilator unipolar Faraday. Tensioni është zakonisht i ulët, në rendin e disa volteve në rastin e modeleve të vogla demonstruese, por makinat e mëdha kërkimore mund të gjenerojnë qindra volt, dhe disa sisteme kanë oshilatorë të serive të shumta për tensione edhe më të larta. Ato janë të pazakonta në atë që mund të gjenerojnë një rrymë elektrike që është e aftë të kalojë një milion amper, pasi një gjenerator unipolar nuk ka domosdoshmërisht një rezistencë të lartë të brendshme.
Histori shpikje
Mekanizmi i parë homopolar u zhvillua nga Michael Faraday gjatë eksperimenteve të tij në 1831. Shpesh përmendet si një disk Faraday ose rrotë pas tij. Ky ishte fillimi i dinamove modernemakina, domethënë gjeneratorë elektrikë që veprojnë në një fushë magnetike. Ai ishte shumë joefikas dhe nuk përdorej si një burim praktik energjie, por tregoi mundësinë e gjenerimit të energjisë elektrike duke përdorur magnetizëm dhe hapi rrugën për dinamot DC me kyç dhe më pas alternatorët.
Disavantazhet e gjeneratorit të parë
Disku i Faradeit ishte kryesisht joefikas për shkak të rrjedhave të rrymës që po afrohej. Parimi i funksionimit të një gjeneratori unipolar do të përshkruhet vetëm nga shembulli i tij. Ndërsa rrjedha e rrymës nxitej drejtpërdrejt nën magnet, rryma qarkullonte në drejtim të kundërt. Rrjedha e prapme kufizon fuqinë dalëse për telat marrës dhe shkakton ngrohje të panevojshme të diskut të bakrit. Gjeneratorët e mëvonshëm homopolarë mund ta zgjidhnin këtë problem me një grup magnetësh të vendosur rreth perimetrit të diskut për të mbajtur një fushë konstante rreth perimetrit dhe për të eliminuar zonat ku mund të ndodhte kthim prapa.
Zhvillime të mëtejshme
Menjëherë pasi disku origjinal Faraday u diskreditua si një gjenerator praktik, u zhvillua një version i modifikuar duke kombinuar magnetin dhe diskun në një pjesë rrotulluese (rotor), por vetë ideja e një gjeneratori unipolar me ndikim ishte rezervuar për këtë. konfigurimi. Një nga patentat më të hershme për mekanizmat gjenerikë unipolarë u mor nga A. F. Delafield, Patenta e SHBA 278,516.
Kërkim i mendjeve të shquara
Patenta të tjera unipolare me ndikim të hershëmgjeneratorët iu dhanë veçmas S. Z. De Ferranti dhe S. Batchelor. Nikola Tesla ishte i interesuar për diskun Faraday dhe punoi me mekanizmat homopolarë dhe përfundimisht patentoi një version të përmirësuar të pajisjes në patentën amerikane 406,968.
Patenta "Dynamo Electric Machine" e Teslës (gjeneratori unipolar i Teslës) përshkruan një rregullim të dy disqeve paralele me boshte të veçantë paralelë të lidhur, si rrotulla, me një rrip metalik. Secili disk kishte një fushë të kundërt me tjetrin, kështu që rryma kalonte nga një bosht në skajin e diskut, përmes rripit në skajin tjetër dhe në boshtin e dytë. Kjo do të reduktonte shumë humbjet e fërkimit të shkaktuara nga kontaktet rrëshqitëse, duke lejuar që të dy sensorët elektrikë të ndërveprojnë me boshtet e dy disqeve dhe jo me boshtin dhe buzën me shpejtësi të lartë.
Më vonë patentat iu dhanë S. P. Steinmetz dhe E. Thomson për punën e tyre në gjeneratorët unipolarë të tensionit të lartë. Dynamo Forbes, i projektuar nga inxhinieri elektrik skocez George Forbes, u përdor gjerësisht në fillim të shekullit të 20-të. Shumica e zhvillimeve të bëra në mekanizmat homopolarë janë patentuar nga J. E. Noeggerath dhe R. Eickemeyer.
50s
Gjeneratorët homopolarë përjetuan një rilindje në vitet 1950 si një burim i ruajtjes së energjisë pulsuese. Këto pajisje përdorën disqe të rënda si një formë volant për të ruajtur energjinë mekanike që mund të hidhej shpejt në aparatin eksperimental.
Një shembull i hershëm i këtij lloji të pajisjes u krijua nga Sir Mark Oliphant në Shkollën KërkimoreShkenca Fizike dhe Inxhinieri nga Universiteti Kombëtar Australian. Ai ruante deri në 500 megaxhaule energji dhe u përdor si një burim rrymë shumë i lartë për eksperimentet sinkrotronike nga viti 1962 deri në çmontimin e tij në 1986. Dizajni i Oliphant ishte në gjendje të jepte rryma deri në 2 megaamper (MA).
Zhvilluar nga Parker Kinetic Designs
Edhe pajisje më të mëdha si kjo janë projektuar dhe ndërtuar nga Parker Kinetic Designs (dikur OIME Research & Development) e Austin. Ata prodhuan pajisje për qëllime të ndryshme, nga fuqizimi i pistoletave hekurudhore deri te motorët linearë (për lëshimet në hapësirë) dhe modele të ndryshme armësh. 10 MJ dizajne industriale janë prezantuar për role të ndryshme duke përfshirë saldimin elektrik.
Këto pajisje përbëheshin nga një volant përçues, njëra prej të cilave rrotullohej në një fushë magnetike me një kontakt elektrik afër boshtit dhe tjetri afër periferisë. Ato janë përdorur për të gjeneruar rryma shumë të larta në tensione të ulëta në fusha të tilla si saldimi, elektroliza dhe kërkimi i armëve hekurudhore. Në aplikimet e energjisë pulsuese, momenti këndor i rotorit përdoret për të ruajtur energjinë për një periudhë të gjatë dhe më pas për ta çliruar atë në një kohë të shkurtër.
Ndryshe nga llojet e tjera të gjeneratorëve unipolarë të ndërruar, voltazhi i daljes nuk e ndryshon kurrë polaritetin. Ndarja e ngarkesave është rezultat i veprimit të forcës së Lorencit mbi ngarkesat e lira në disk. Lëvizja është azimutale dhe fusha është boshtore, praforca elektromotore është radiale.
Kontaktet elektrike zakonisht bëhen nëpërmjet një "brushe" ose unaze rrëshqitëse, duke rezultuar në humbje të larta në tensionet e ulëta të gjeneruara. Disa nga këto humbje mund të reduktohen duke përdorur merkurin ose një metal ose aliazh tjetër lehtësisht të lëngshëm (galium, NaK) si një "furçë" për të siguruar kontakt elektrik pothuajse të vazhdueshëm.
Modifikimi
Një modifikim i propozuar së fundi ka qenë përdorimi i një kontakti plazmatik të pajisur me një transmetues neoni me rezistencë negative që prek skajin e diskut ose kazanit duke përdorur karbon të specializuar me funksion të ulët pune në vija vertikale. Kjo do të kishte avantazhin e rezistencës shumë të ulët në intervalin aktual, ndoshta deri në mijëra ampera, pa kontakt me metal të lëngshëm.
Nëse fusha magnetike krijohet nga një magnet i përhershëm, gjeneratori funksionon pavarësisht nëse magneti është i lidhur me statorin ose rrotullohet me diskun. Para zbulimit të elektronit dhe ligjit të forcës së Lorencit, ky fenomen ishte i pashpjegueshëm dhe njihej si paradoksi i Faradeit.
Lloji i daulles
Një gjenerator homopolar i tipit daulle ka një fushë magnetike (V) që rrezaton në mënyrë radiale nga qendra e kazanit dhe nxit një tension (V) përgjatë gjithë gjatësisë së tij. Një daulle përçuese që rrotullohet nga lart në rajonin e një magneti të tipit " altoparlant" me një pol në qendër dhe tjetrin që e rrethon, mund të përdorë kushineta topi përçues në pjesën e sipërme të tij dhepjesët e ulëta për të kapur rrymën e gjeneruar.
Në natyrë
Induktorët unipolarë gjenden në astrofizikë, ku përcjellësi rrotullohet përmes një fushe magnetike, për shembull, kur një plazmë shumë përçuese në jonosferën e një trupi hapësinor lëviz nëpër fushën e tij magnetike.
Induktorët unipolarë janë lidhur me aurorën uranian, yjet binare, vrimat e zeza, galaktikat, hënën e Jupiterit Io, Hënën, erën diellore, njollat e diellit dhe bishtin magnetik të Venusit.
Veçoritë e mekanizmit
Ashtu si të gjitha objektet hapësinore të lartpërmendura, disku Faraday konverton energjinë kinetike në energji elektrike. Kjo makinë mund të analizohet duke përdorur ligjin e vetë Faradeit për induksionin elektromagnetik.
Ky ligj në formën e tij moderne thotë se derivati konstant i fluksit magnetik përmes një qarku të mbyllur shkakton një forcë elektromotore në të, e cila nga ana tjetër ngacmon një rrymë elektrike.
Integrali i sipërfaqes që përcakton fluksin magnetik mund të rishkruhet si një linear rreth qarkut. Megjithëse integrani i integralit të linjës nuk varet nga koha, pasi disku i Faradeit që është pjesë e kufirit të integralit të linjës lëviz, derivati i kohës totale nuk është zero dhe kthen vlerën e saktë për llogaritjen e forcës elektromotore. Përndryshe, disku mund të reduktohet në një unazë përçuese rreth perimetrit të tij me një fole të vetme metalike që lidh unazën me boshtin.
Ligji i forcës së Lorentz-it çakmaktë përdoret për të shpjeguar sjelljen e makinës. Ky ligj, i formuluar tridhjetë vjet pas vdekjes së Faradeit, thotë se forca në një elektron është proporcionale me produktin kryq të shpejtësisë së tij dhe vektorit të fluksit magnetik.
Në terma gjeometrikë, kjo do të thotë se forca drejtohet në kënde të drejta si me shpejtësinë (azimut) ashtu edhe me fluksin magnetik (boshtor), i cili është pra në drejtimin radial. Lëvizja radiale e elektroneve në disk shkakton një ndarje të ngarkesave midis qendrës dhe buzës së tij dhe nëse qarku përfundon, gjenerohet një rrymë elektrike.
Motor elektrik
Një motor unipolar është një pajisje DC me dy pole magnetike, përçuesit e të cilit kalojnë gjithmonë linjat e fluksit magnetik me një drejtim, duke e rrotulluar përcjellësin rreth një boshti fiks në mënyrë që të jetë në kënd të drejtë me fushën magnetike statike. EMF (forca elektromotore) që rezulton, e cila është e vazhdueshme në një drejtim, në një motor homopolar nuk kërkon një komutator, por ende kërkon unaza rrëshqitëse. Emri "homopolar" tregon se polariteti elektrik i përcjellësit dhe poleve të fushës magnetike nuk ndryshojnë (d.m.th., se nuk kërkon ndërrim).
Motori unipolar ishte motori i parë elektrik që u ndërtua. Veprimi i tij u demonstrua nga Michael Faraday në 1821 në Institutin Mbretëror në Londër.
Shpikje
Në 1821, pak pasi fizikani dhe kimisti danez Hans Christian Oersted zbuloifenomeni i elektromagnetizmit, Humphry Davy dhe shkencëtari britanik William Hyde Wollaston u përpoqën, por dështuan, të zhvillonin një motor elektrik. Faraday, i diskutuar si një shaka nga Humphrey, vazhdoi të krijoi dy pajisje për të krijuar atë që ai e quajti "rotacion elektromagnetik". Njëri prej tyre, i njohur tani si lëvizja homopolare, krijoi një lëvizje rrethore të vazhdueshme. Ajo u shkaktua nga një forcë magnetike rrethore rreth një teli të vendosur në një pellg me merkur në të cilin ishte vendosur magneti. Teli do të rrotullohej rreth magnetit nëse do të fuqizohej nga një bateri kimike.
Këto eksperimente dhe shpikje formuan bazën e teknologjive moderne elektromagnetike. Së shpejti Faraday publikoi rezultatet. Kjo acaroi marrëdhëniet me Davy-n për shkak të xhelozisë së tij për arritjet e Faradeit dhe bëri që ky i fundit të kthehej në gjëra të tjera, gjë që e pengoi atë të merrte pjesë në kërkime elektromagnetike për disa vite.
B. G. Lamm përshkroi në vitin 1912 një makinë homopolare me fuqi 2000 kW, 260 V, 7700 A dhe 1200 rpm me 16 unaza rrëshqitëse që vepronin me një shpejtësi periferike 67 m/s. Një gjenerator unipolar 1125 kW, 7,5 V, 150,000A, 514 rpm i ndërtuar në vitin 1934 u instalua në një mulli çeliku amerikan për saldimin e tubave.
I njëjti ligj i Lorencit
Funksionimi i këtij motori është i ngjashëm me atë të një gjeneratori unipolar të goditjes. Motori unipolar drejtohet nga forca e Lorencit. Një përcjellës me një rrymë që rrjedh nëpër të, kur vendoset në një fushë magnetike dhe pingul me të, ndjen një forcë nëdrejtim pingul si me fushën magnetike ashtu edhe me rrymën. Kjo forcë siguron një moment kthese rreth boshtit të rrotullimit.
Meqenëse kjo e fundit është paralele me fushën magnetike dhe fushat magnetike të kundërta nuk e ndryshojnë polaritetin, nuk kërkohet ndërrimi për të vazhduar rrotullimin e përcjellësit. Kjo thjeshtësi arrihet më lehtë me modelet me një kthesë, duke i bërë motorët homopolarë të papërshtatshëm për shumicën e aplikimeve praktike.
Ashtu si shumica e makinave elektromekanike (si gjeneratori unipolar i Neggerath), motori homopolar është i kthyeshëm: nëse përcjellësi rrotullohet mekanikisht, ai do të funksionojë si një gjenerator homopolar, duke krijuar një tension DC midis dy terminaleve të përcjellësit.
Rryma konstante është pasojë e natyrës homopolare të dizajnit. Gjeneratorët homopolarë (HPG) u hulumtuan gjerësisht në fund të shekullit të 20-të si burime të tensionit të ulët, por rrymës direkte shumë të lartë, dhe arritën njëfarë suksesi në fuqizimin e armëve hekurudhore eksperimentale.
Ndërtesa
Bërja e një gjeneratori unipolar me duart tuaja është mjaft e thjeshtë. Motori unipolar është gjithashtu shumë i lehtë për t'u montuar. Magneti i përhershëm përdoret për të krijuar një fushë magnetike të jashtme në të cilën përcjellësi do të rrotullohet dhe bateria bën që rryma të rrjedhë përgjatë telit përçues.
Nuk është e nevojshme që magneti të lëvizë apo edhe të vijë në kontakt me pjesën tjetër të motorit; qëllimi i tij i vetëm është të krijojë një fushë magnetike që dondërveprojnë me një fushë të ngjashme të shkaktuar nga rryma në tel. Është e mundur të bashkëngjitni një magnet në një bateri dhe të lejoni që përcjellësi të rrotullohet lirshëm ndërsa qarku elektrik përfundon, duke prekur si pjesën e sipërme të baterisë ashtu edhe magnetin e ngjitur në fund të baterisë. Teli dhe bateria mund të ngrohen gjatë përdorimit të vazhdueshëm.
