'n Eenpolige kragopwekker is 'n gelykstroom elektriese meganisme wat 'n elektries geleidende skyf of silinder bevat wat in 'n vlak roteer. Dit het potensiaal van verskillende krag tussen die middel van die skyf en die rand (of punte van die silinder) met elektriese polariteit, wat afhang van die rotasierigting en die oriëntasie van die veld.
Dit staan ook bekend as die unipolêre Faraday-ossillator. Die spanning is gewoonlik laag, in die orde van 'n paar volt in die geval van klein demonstrasiemodelle, maar groot navorsingsmasjiene kan honderde volts opwek, en sommige stelsels het veelvuldige reeksossillators vir selfs hoër spannings. Hulle is ongewoon deurdat hulle 'n elektriese stroom kan opwek wat in staat is om 'n miljoen ampère te oorskry, aangesien 'n eenpolige kragopwekker nie noodwendig 'n hoë interne weerstand het nie.
Uitvindingsverhaal
Die eerste homopolêre meganisme is ontwikkel deur Michael Faraday tydens sy eksperimente in 1831. Daar word dikwels na hom verwys as 'n Faraday-skyf of -wiel. Dit was die begin van moderne dinamo'smasjiene, dit wil sê elektriese kragopwekkers wat op 'n magnetiese veld werk. Dit was baie ondoeltreffend en nie as 'n praktiese kragbron gebruik nie, maar het die moontlikheid getoon om elektrisiteit deur magnetisme op te wek en die weg gebaan vir geskakelde GS-dinamo's en dan alternators.
Nadele van die eerste kragopwekker
Faraday se skyf was hoofsaaklik ondoeltreffend as gevolg van die aankomende stroomvloei. Die beginsel van werking van 'n eenpolige generator sal slegs deur sy voorbeeld beskryf word. Terwyl die stroomvloei direk onder die magneet geïnduseer is, het die stroom in die teenoorgestelde rigting gesirkuleer. Die terugvloei beperk die uitsetkrag vir die ontvangdrade en veroorsaak onnodige verhitting van die koperskyf. Latere homopolêre kragopwekkers kon hierdie probleem oplos met 'n stel magnete wat om die omtrek van die skyf geplaas is om 'n konstante veld rondom die omtrek te handhaaf en areas uit te skakel waar terugvloei kan voorkom.
Verdere ontwikkelings
Kort nadat die oorspronklike Faraday-skyf as 'n praktiese kragopwekker gediskrediteer is, is 'n gewysigde weergawe ontwikkel wat magneet en skyf in een roterende deel (rotor) kombineer, maar die idee van 'n impak eenpolige kragopwekker is daarvoor gereserveer. konfigurasie. Een van die vroegste patente vir generiese unipolêre meganismes is verkry deur A. F. Delafield, Amerikaanse patent 278 516.
Navorsing van uitstaande verstand
Ander vroeë impak unipolêre patentedie kragopwekkers is afsonderlik aan S. Z. De Ferranti en S. Batchelor toegeken. Nikola Tesla was geïnteresseerd in die Faraday-skyf en het met homopolêre meganismes gewerk, en het uiteindelik 'n verbeterde weergawe van die toestel gepatenteer in Amerikaanse Patent 406,968.
Tesla se "Dynamo Electric Machine"-patent (Tesla se eenpolige kragopwekker) beskryf 'n rangskikking van twee parallelle skywe met aparte parallelle asse wat, soos katrolle, deur 'n metaalband verbind is. Elke skyf het 'n veld teenoor die ander gehad, sodat die stroomvloei van een as na die rand van die skyf, deur die band na die ander rand en na die tweede as gegaan het. Dit sal die wrywingsverliese wat deur die glykontakte veroorsaak word, aansienlik verminder, wat beide elektriese sensors in staat stel om met die asse van die twee skywe in wisselwerking te tree eerder as met die as en hoëspoedrand.
Latere patente is aan S. P. Steinmetz en E. Thomson toegeken vir hul werk op hoëspanning eenpolige kragopwekkers. Die Forbes Dynamo, ontwerp deur die Skotse elektriese ingenieur George Forbes, is wyd gebruik in die vroeë 20ste eeu. Die meeste van die ontwikkelings wat gemaak is in homopolêre meganismes is gepatenteer deur J. E. Noeggerath en R. Eickemeyer.
50s
Homopolêre kragopwekkers het in die 1950's 'n renaissance beleef as 'n bron van gepulseerde energieberging. Hierdie toestelle het swaar skywe as 'n vorm van vliegwiel gebruik om meganiese energie te stoor wat vinnig in die eksperimentele apparaat gestort kon word.
'n Vroeë voorbeeld van hierdie soort toestel is geskep deur sir Mark Oliphant by die NavorsingskoolFisiese Wetenskappe en Ingenieurswese van die Australiese Nasionale Universiteit. Dit het tot 500 megajoule se energie gestoor en is vanaf 1962 as 'n ultrahoëstroombron vir sinkrotron-eksperimente gebruik totdat dit in 1986 afgebreek is. Oliphant se ontwerp was in staat om strome tot 2 megaampere (MA) te lewer.
Ontwikkel deur Parker Kinetic Designs
Selfs groter toestelle soos hierdie is ontwerp en gebou deur Parker Kinetic Designs (voorheen OIME Research & Development) van Austin. Hulle het toestelle vir 'n verskeidenheid doeleindes vervaardig, van aandryf van spoorwegpistole tot lineêre motors (vir ruimtelanserings) en verskeie wapenontwerpe. 10 MJ industriële ontwerpe is bekendgestel vir verskeie rolle, insluitend elektriese sweiswerk.
Hierdie toestelle het bestaan uit 'n geleidende vliegwiel, waarvan een in 'n magnetiese veld gedraai het met een elektriese kontak naby die as en die ander naby die periferie. Hulle is gebruik om baie hoë strome teen lae spanning op te wek in gebiede soos sweiswerk, elektrolise en spoorgeweernavorsing. In gepulseerde energietoepassings word die hoekmomentum van die rotor gebruik om energie vir 'n lang tydperk te stoor en dit dan in 'n kort tyd vry te stel.
Anders as ander tipes gekommuteerde eenpolige kragopwekkers, keer die uitsetspanning nooit polariteit om nie. Die skeiding van ladings is die resultaat van die werking van die Lorentz-krag op die vrye ladings in die skyf. Die beweging is asimutaal en die veld is aksiaal, duselektromotoriese krag is radiaal.
Elektriese kontakte word gewoonlik gemaak deur 'n "kwas" of glipring, wat lei tot hoë verliese by die lae spanning wat gegenereer word. Sommige van hierdie verliese kan verminder word deur kwik of 'n ander maklik vloeibare metaal of legering (gallium, NaK) as 'n "kwas" te gebruik om byna deurlopende elektriese kontak te verskaf.
Wysiging
'n Onlangs voorgestelde wysiging was om 'n plasma-kontak te gebruik wat toegerus is met 'n negatiewe weerstand neon streamer wat aan die rand van die skyf of drom raak met gespesialiseerde lae werk funksie koolstof in vertikale strepe. Dit sal die voordeel hê van baie lae weerstand in die huidige reeks, moontlik tot duisende ampère, sonder kontak met vloeibare metaal.
As die magneetveld deur 'n permanente magneet geskep word, werk die kragopwekker ongeag of die magneet aan die stator geheg is of saam met die skyf roteer. Voor die ontdekking van die elektron en Lorentz se kragwet was hierdie verskynsel onverklaarbaar en was bekend as Faraday se paradoks.
Tromtipe
'n Drom-tipe homopolêre kragopwekker het 'n magnetiese veld (V) wat radiaal uit die middel van die drom uitstraal en 'n spanning (V) oor sy hele lengte induseer. 'n Geleidende drom wat van bo af roteer in die gebied van 'n "luidspreker" tipe magneet met een pool in die middel en die ander wat dit omring, kan geleidende kogellagers in sy bokant enonderste dele om die opgewekte stroom vas te vang.
In die natuur
Unipolêre induktors word in astrofisika aangetref, waar die geleier byvoorbeeld deur 'n magnetiese veld roteer wanneer 'n hoogs geleidende plasma in die ionosfeer van 'n ruimteliggaam deur sy magneetveld beweeg.
Unipolêre induktore is geassosieer met die Uraniese aurora, binêre sterre, swart gate, sterrestelsels, Jupiter se maan Io, die Maan, die sonwind, sonkolle en die Venusiese magnetiese stert.
Meganismekenmerke
Soos al die bogenoemde ruimte-voorwerpe, skakel die Faraday-skyf kinetiese energie om in elektriese energie. Hierdie masjien kan ontleed word deur Faraday se eie wet van elektromagnetiese induksie te gebruik.
Hierdie wet in sy moderne vorm bepaal dat die konstante afgeleide van magnetiese vloed deur 'n geslote stroombaan 'n elektromotoriese krag daarin induseer, wat op sy beurt 'n elektriese stroom opwek.
Die oppervlak-integraal wat die magnetiese vloed definieer, kan as 'n lineêre een om die stroombaan herskryf word. Alhoewel die integrand van die lynintegraal nie van tyd afhang nie, aangesien die Faraday-skyf wat deel is van die grens van die lynintegraal beweeg, is die afgeleide van die totale tyd nie nul nie en gee dit die korrekte waarde vir die berekening van die elektromotoriese krag terug. Alternatiewelik kan die skyf gereduseer word tot 'n geleidende ring rondom sy omtrek met 'n enkele metaalspeek wat die ring met die as verbind.
Lorentz dwing wet ligtergebruik word om die gedrag van die masjien te verduidelik. Hierdie wet, wat dertig jaar na Faraday se dood geformuleer is, stel dat die krag op 'n elektron eweredig is aan die kruisproduk van sy snelheid en die magnetiese vloedvektor.
In meetkundige terme beteken dit dat die krag reghoekig gerig is op beide die snelheid (asimut) en die magnetiese vloed (aksiaal), wat dus in die radiale rigting is. Die radiale beweging van elektrone in die skyf veroorsaak 'n skeiding van ladings tussen sy middelpunt en rand, en as die stroombaan voltooi is, word 'n elektriese stroom opgewek.
Elektriese motor
'n Eenpolige motor is 'n GS-toestel met twee magnetiese pole, waarvan die geleiers altyd eenrigting magnetiese vloedlyne kruis, wat die geleier om 'n vaste as roteer sodat dit reghoekig met die statiese magnetiese veld is. Die gevolglike EMK (elektromotoriese krag), wat kontinu in een rigting is, na 'n homopolêre motor benodig nie 'n kommutator nie, maar vereis steeds glyringe. Die naam "homopolêr" dui aan dat die elektriese polariteit van die geleier en die pole van die magneetveld nie verander nie (dit wil sê dat dit nie omskakeling benodig nie).
Die eenpolige motor was die eerste elektriese motor wat gebou is. Die optrede daarvan is deur Michael Faraday in 1821 by die Royal Institution in Londen gedemonstreer.
Uitvinding
In 1821, kort nadat die Deense fisikus en chemikus Hans Christian Oersted ontdek hetverskynsel van elektromagnetisme, het Humphry Davy en die Britse wetenskaplike William Hyde Wollaston probeer, maar misluk, om 'n elektriese motor te ontwikkel. Faraday, wat deur Humphrey as 'n grap betwis word, het voortgegaan om twee toestelle te skep om te skep wat hy "elektromagnetiese rotasie" genoem het. Een van hulle, nou bekend as die homopolêre dryfkrag, het 'n deurlopende sirkelbeweging geskep. Dit is veroorsaak deur 'n sirkelvormige magnetiese krag om 'n draad wat in 'n poel kwik geplaas is waarin die magneet geplaas is. Die draad sal om die magneet draai as dit deur 'n chemiese battery aangedryf word.
Hierdie eksperimente en uitvindings het die basis van moderne elektromagnetiese tegnologieë gevorm. Binnekort het Faraday die resultate gepubliseer. Dit het betrekkinge met Davy gespanne weens sy jaloesie op Faraday se prestasies en veroorsaak dat laasgenoemde hom tot ander dinge wend, wat hom gevolglik verhinder het om vir etlike jare aan elektromagnetiese navorsing deel te neem.
B. G. Lamm het in 1912 'n homopolêre masjien beskryf met 'n drywing van 2000 kW, 260 V, 7700 A en 1200 rpm met 16 glyringe wat teen 'n perifere spoed van 67 m/s werk. 'n 1125kW, 7.5V, 150 000A, 514rpm eenpolige kragopwekker wat in 1934 gebou is, is in 'n Amerikaanse staalmeule vir pypsweiswerk geïnstalleer.
Dieselfde Lorentz-wet
Die werking van hierdie enjin is soortgelyk aan dié van 'n eenpolige skokgenerator. Die eenpolige motor word aangedryf deur die Lorentz-krag. 'n Geleier met 'n stroom wat daardeur vloei, wanneer dit in 'n magnetiese veld geplaas word en loodreg daarop, voel 'n krag inrigting loodreg op beide die magneetveld en die stroom. Hierdie krag verskaf 'n draaimoment om die rotasie-as.
Aangesien laasgenoemde parallel aan die magnetiese veld is, en opponerende magnetiese velde nie van polariteit verander nie, is omskakeling nie nodig om voort te gaan om die geleier te roteer nie. Hierdie eenvoud word die maklikste bereik met enkeldraai-ontwerpe, wat homopolêre motors ongeskik maak vir die meeste praktiese toepassings.
Soos die meeste elektromeganiese masjiene (soos Neggerath se unipolêre generator), is die homopolêre motor omkeerbaar: as die geleier meganies gedraai word, sal dit as 'n homopolêre generator werk, wat 'n GS-spanning tussen die twee terminale van die geleier skep.
Die konstante stroom is 'n gevolg van die homopolêre aard van die ontwerp. Homopolêre kragopwekkers (HPG's) is omvattend ondersoek in die laat 20ste eeu as bronne van lae spanning maar baie hoë stroom gelykstroom, en het 'n mate van sukses behaal met die aandryf van eksperimentele spoorgewere.
Gebou
Om 'n eenpolige kragopwekker met jou eie hande te maak is redelik eenvoudig. Die eenpolige motor is ook baie maklik om te monteer. Die permanente magneet word gebruik om 'n eksterne magneetveld te skep waarin die geleier sal draai, en die battery laat stroom langs die geleidende draad vloei.
Dit is nie nodig dat die magneet beweeg of selfs met die res van die motor in aanraking kom nie; sy enigste doel is om 'n magnetiese veld te skep wat salinteraksie met 'n soortgelyke veld geïnduseer deur stroom in die draad. Dit is moontlik om 'n magneet aan 'n battery te heg en die geleier toe te laat om vrylik te draai soos die elektriese stroombaan voltooi is, en raak beide die bokant van die battery en die magneet wat aan die onderkant van die battery geheg is. Die draad en battery kan warm word tydens deurlopende gebruik.
