Μια μονοπολική γεννήτρια είναι ένας ηλεκτρικός μηχανισμός συνεχούς ρεύματος που περιέχει έναν ηλεκτρικά αγώγιμο δίσκο ή κύλινδρο που περιστρέφεται σε ένα επίπεδο. Έχει δυναμικά διαφορετικής ισχύος μεταξύ του κέντρου του δίσκου και του χείλους (ή των άκρων του κυλίνδρου) με ηλεκτρική πολικότητα, η οποία εξαρτάται από την κατεύθυνση περιστροφής και τον προσανατολισμό του πεδίου.
Είναι επίσης γνωστός ως μονοπολικός ταλαντωτής Faraday. Η τάση είναι συνήθως χαμηλή, της τάξης των λίγων βολτ στην περίπτωση μικρών μοντέλων επίδειξης, αλλά οι μεγάλες μηχανές έρευνας μπορούν να παράγουν εκατοντάδες βολτ, και ορισμένα συστήματα διαθέτουν ταλαντωτές πολλαπλών σειρών για ακόμη υψηλότερες τάσεις. Είναι ασυνήθιστες καθώς μπορούν να δημιουργήσουν ηλεκτρικό ρεύμα που μπορεί να ξεπεράσει το ένα εκατομμύριο αμπέρ, καθώς μια μονοπολική γεννήτρια δεν έχει απαραίτητα υψηλή εσωτερική αντίσταση.
Invention Story
Ο πρώτος ομοπολικός μηχανισμός αναπτύχθηκε από τον Michael Faraday κατά τη διάρκεια των πειραμάτων του το 1831. Συχνά αναφέρεται ως δίσκος Faraday ή τροχός μετά από αυτόν. Αυτή ήταν η αρχή των σύγχρονων δυναμόμηχανές, δηλαδή ηλεκτρικές γεννήτριες που λειτουργούν σε μαγνητικό πεδίο. Ήταν πολύ αναποτελεσματικό και δεν χρησιμοποιήθηκε ως πρακτική πηγή ενέργειας, αλλά έδειξε τη δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιώντας μαγνητισμό και άνοιξε το δρόμο για μεταγωγή δυναμό DC και στη συνέχεια εναλλάκτες.
Μειονεκτήματα της πρώτης γεννήτριας
Ο δίσκος του Faraday ήταν κατά κύριο λόγο αναποτελεσματικός λόγω των επερχόμενων ροών ρεύματος. Η αρχή της λειτουργίας μιας μονοπολικής γεννήτριας θα περιγραφεί μόνο από το παράδειγμά της. Ενώ η ροή του ρεύματος προκλήθηκε απευθείας κάτω από τον μαγνήτη, το ρεύμα κυκλοφορούσε προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η αντίστροφη ροή περιορίζει την ισχύ εξόδου για τα καλώδια λήψης και προκαλεί περιττή θέρμανση του χάλκινου δίσκου. Οι μεταγενέστερες ομοπολικές γεννήτριες θα μπορούσαν να λύσουν αυτό το πρόβλημα με ένα σύνολο μαγνητών τοποθετημένων γύρω από την περίμετρο του δίσκου για να διατηρήσουν ένα σταθερό πεδίο γύρω από την περιφέρεια και να εξαλείψουν τις περιοχές όπου θα μπορούσε να εμφανιστεί αντίστροφη ροή.
Περαιτέρω εξελίξεις
Λίγο μετά την απαξίωση του αρχικού δίσκου Faraday ως πρακτικής γεννήτριας, αναπτύχθηκε μια τροποποιημένη έκδοση που συνδύαζε μαγνήτη και δίσκο σε ένα περιστρεφόμενο τμήμα (ρότορα), αλλά η ίδια η ιδέα μιας κρουστικής μονοπολικής γεννήτριας προορίστηκε για αυτό διαμόρφωση. Ένα από τα πρώτα διπλώματα ευρεσιτεχνίας για γενικούς μονοπολικούς μηχανισμούς αποκτήθηκε από τον A. F. Delafield, U. S. Patent 278,516.
Έρευνα εξαιρετικών μυαλών
Άλλα μονοπολικά διπλώματα ευρεσιτεχνίας πρώιμης επίδρασηςοι γεννήτριες κατακυρώθηκαν χωριστά στους S. Z. De Ferranti και S. Batchelor. Ο Νίκολα Τέσλα ενδιαφερόταν για τον δίσκο Faraday και δούλευε με ομοπολικούς μηχανισμούς και τελικά κατοχύρωσε μια βελτιωμένη έκδοση της συσκευής στο αμερικανικό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας 406.968.
Η πατέντα «Dynamo Electric Machine» της Tesla (η μονοπολική γεννήτρια της Tesla) περιγράφει μια διάταξη δύο παράλληλων δίσκων με χωριστούς παράλληλους άξονες συνδεδεμένους, σαν τροχαλίες, με έναν μεταλλικό ιμάντα. Κάθε δίσκος είχε ένα πεδίο απέναντι από τον άλλο, έτσι ώστε η ροή του ρεύματος περνούσε από τον έναν άξονα στην άκρη του δίσκου, μέσω του ιμάντα στην άλλη άκρη και στον δεύτερο άξονα. Αυτό θα μείωνε σημαντικά τις απώλειες τριβής που προκαλούνται από τις ολισθαίνουσες επαφές, επιτρέποντας και στους δύο ηλεκτρικούς αισθητήρες να αλληλεπιδρούν με τους άξονες των δύο δίσκων και όχι με τον άξονα και το χείλος υψηλής ταχύτητας.
Αργότερα διπλώματα ευρεσιτεχνίας απονεμήθηκαν στους S. P. Steinmetz και E. Thomson για την εργασία τους σε μονοπολικές γεννήτριες υψηλής τάσης. Το Forbes Dynamo, σχεδιασμένο από τον Σκωτσέζο ηλεκτρολόγο μηχανικό George Forbes, χρησιμοποιήθηκε ευρέως στις αρχές του 20ου αιώνα. Οι περισσότερες από τις εξελίξεις που έγιναν στους ομοπολικούς μηχανισμούς έχουν κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από τον J. E. Noeggerath και R. Eickemeyer.
50s
Ομοπολικές γεννήτριες γνώρισαν μια αναγέννηση τη δεκαετία του 1950 ως πηγή αποθήκευσης παλμικής ενέργειας. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούσαν βαρείς δίσκους ως μορφή σφονδύλου για την αποθήκευση μηχανικής ενέργειας που θα μπορούσε να απορριφθεί γρήγορα στην πειραματική συσκευή.
Ένα πρώιμο παράδειγμα αυτού του είδους συσκευή δημιουργήθηκε από τον Sir Mark Oliphant στο Research SchoolΦυσικών Επιστημών και Μηχανικής από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Αυστραλίας. Αποθ. Ο σχεδιασμός της Oliphant ήταν ικανός να παρέχει ρεύματα έως και 2 megaamperes (MA).
Αναπτύχθηκε από την Parker Kinetic Designs
Ακόμα μεγαλύτερες συσκευές όπως αυτή έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί από την Parker Kinetic Designs (πρώην OIME Research & Development) του Austin. Παρήγαγαν συσκευές για διάφορους σκοπούς, από την τροφοδοσία πιστολιών σιδηροδρόμων έως γραμμικούς κινητήρες (για εκτοξεύσεις στο διάστημα) και διάφορα σχέδια όπλων. Έχουν εισαχθεί βιομηχανικά σχέδια 10 MJ για διάφορους ρόλους, συμπεριλαμβανομένης της ηλεκτρικής συγκόλλησης.
Αυτές οι συσκευές αποτελούνταν από έναν αγώγιμο σφόνδυλο, ο ένας εκ των οποίων περιστρεφόταν σε μαγνητικό πεδίο με τη μία ηλεκτρική επαφή κοντά στον άξονα και την άλλη κοντά στην περιφέρεια. Έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία πολύ υψηλών ρευμάτων σε χαμηλές τάσεις σε τομείς όπως η συγκόλληση, η ηλεκτρόλυση και η έρευνα στα όπλα. Σε εφαρμογές παλμικής ενέργειας, η γωνιακή ορμή του ρότορα χρησιμοποιείται για την αποθήκευση ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια την απελευθέρωση σε σύντομο χρονικό διάστημα.
Σε αντίθεση με άλλους τύπους μονοπολικών γεννητριών με μεταγωγή, η τάση εξόδου δεν αντιστρέφει ποτέ την πολικότητα. Ο διαχωρισμός των φορτίων είναι το αποτέλεσμα της δράσης της δύναμης Lorentz στα ελεύθερα φορτία στο δίσκο. Η κίνηση είναι αζιμουθιακή και το πεδίο είναι αξονικό, άραΗ ηλεκτροκινητική δύναμη είναι ακτινική.
Οι ηλεκτρικές επαφές γίνονται συνήθως μέσω "βούρτσας" ή δακτυλίου ολίσθησης, με αποτέλεσμα υψηλές απώλειες στις χαμηλές τάσεις που παράγονται. Μερικές από αυτές τις απώλειες μπορούν να μειωθούν χρησιμοποιώντας υδράργυρο ή άλλο μέταλλο ή κράμα που υγροποιείται εύκολα (γάλλιο, NaK) ως «βούρτσα» για την παροχή σχεδόν συνεχούς ηλεκτρικής επαφής.
Τροποποίηση
Μια τροποποίηση που προτάθηκε πρόσφατα ήταν η χρήση μιας επαφής πλάσματος εφοδιασμένης με ταινία νέον αρνητικής αντίστασης που αγγίζει την άκρη του δίσκου ή του τυμπάνου χρησιμοποιώντας εξειδικευμένο άνθρακα χαμηλής λειτουργίας σε κάθετες ρίγες. Αυτό θα είχε το πλεονέκτημα της πολύ χαμηλής αντίστασης στο εύρος ρεύματος, πιθανώς έως και χιλιάδες αμπέρ, χωρίς επαφή με υγρό μέταλλο.
Εάν το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από έναν μόνιμο μαγνήτη, η γεννήτρια λειτουργεί ανεξάρτητα από το αν ο μαγνήτης είναι συνδεδεμένος με τον στάτορα ή περιστρέφεται με το δίσκο. Πριν από την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου και του νόμου της δύναμης του Lorentz, αυτό το φαινόμενο ήταν ανεξήγητο και ήταν γνωστό ως παράδοξο του Faraday.
Τύπος τυμπάνου
Μια ομοπολική γεννήτρια τύπου τυμπάνου έχει μαγνητικό πεδίο (V) που ακτινοβολεί ακτινικά από το κέντρο του τυμπάνου και επάγει μια τάση (V) σε όλο το μήκος της. Ένα αγώγιμο τύμπανο που περιστρέφεται από πάνω στην περιοχή ενός μαγνήτη τύπου "μεγαφώνου" με έναν πόλο στο κέντρο και τον άλλο να τον περιβάλλει, μπορεί να χρησιμοποιεί αγώγιμα ρουλεμάν στην κορυφή του καιχαμηλότερα μέρη για να καταγράψετε το παραγόμενο ρεύμα.
Στη φύση
Οι μονοπολικοί επαγωγείς βρίσκονται στην αστροφυσική, όπου ο αγωγός περιστρέφεται μέσω ενός μαγνητικού πεδίου, για παράδειγμα, όταν ένα εξαιρετικά αγώγιμο πλάσμα στην ιονόσφαιρα ενός διαστημικού σώματος κινείται μέσα από το μαγνητικό του πεδίο.
Οι μονοπολικοί επαγωγείς έχουν συσχετιστεί με το σέλας του Ουρανίου, τα δυαδικά αστέρια, τις μαύρες τρύπες, τους γαλαξίες, το φεγγάρι του Δία, τη Σελήνη, τον ηλιακό άνεμο, τις ηλιακές κηλίδες και τη μαγνητική ουρά της Αφροδίτης.
Χαρακτηριστικά μηχανισμού
Όπως όλα τα προαναφερθέντα διαστημικά αντικείμενα, ο δίσκος Faraday μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η μηχανή μπορεί να αναλυθεί χρησιμοποιώντας τον νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του ίδιου του Faraday.
Αυτός ο νόμος στη σύγχρονη μορφή του δηλώνει ότι η σταθερή παράγωγος της μαγνητικής ροής μέσω ενός κλειστού κυκλώματος επάγει μια ηλεκτροκινητική δύναμη σε αυτό, η οποία με τη σειρά της διεγείρει ένα ηλεκτρικό ρεύμα.
Το ολοκλήρωμα επιφάνειας που ορίζει τη μαγνητική ροή μπορεί να ξαναγραφτεί ως γραμμικό γύρω από το κύκλωμα. Αν και το ολοκλήρωμα του ολοκληρώματος γραμμής δεν εξαρτάται από το χρόνο, αφού ο δίσκος Faraday που αποτελεί μέρος του ορίου του ολοκληρώματος γραμμής κινείται, η παράγωγος του συνολικού χρόνου δεν είναι μηδέν και επιστρέφει τη σωστή τιμή για τον υπολογισμό της ηλεκτροκινητικής δύναμης. Εναλλακτικά, ο δίσκος μπορεί να μειωθεί σε έναν αγώγιμο δακτύλιο γύρω από την περιφέρειά του με μία μόνο μεταλλική ακτίνα που συνδέει τον δακτύλιο με τον άξονα.
Αναπτήρας νόμου δύναμης Lorentzνα χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει τη συμπεριφορά του μηχανήματος. Αυτός ο νόμος, που διατυπώθηκε τριάντα χρόνια μετά το θάνατο του Faraday, δηλώνει ότι η δύναμη σε ένα ηλεκτρόνιο είναι ανάλογη με το διασταυρούμενο γινόμενο της ταχύτητάς του και του διανύσματος μαγνητικής ροής.
Σε γεωμετρικούς όρους, αυτό σημαίνει ότι η δύναμη κατευθύνεται σε ορθή γωνία τόσο προς την ταχύτητα (αζιμούθιο) όσο και προς τη μαγνητική ροή (αξονική), η οποία επομένως είναι στην ακτινική διεύθυνση. Η ακτινική κίνηση των ηλεκτρονίων στο δίσκο προκαλεί διαχωρισμό των φορτίων μεταξύ του κέντρου και του χείλους του και αν ολοκληρωθεί το κύκλωμα, δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα.
Ηλεκτρικός κινητήρας
Ένας μονοπολικός κινητήρας είναι μια συσκευή συνεχούς ρεύματος με δύο μαγνητικούς πόλους, των οποίων οι αγωγοί διασχίζουν πάντα γραμμές μαγνητικής ροής μονής κατεύθυνσης, περιστρέφοντας τον αγωγό γύρω από έναν σταθερό άξονα έτσι ώστε να βρίσκεται σε ορθή γωνία προς το στατικό μαγνητικό πεδίο. Η προκύπτουσα EMF (ηλεκτροκινητική δύναμη), η οποία είναι συνεχής προς μία κατεύθυνση, σε έναν ομοπολικό κινητήρα δεν απαιτεί μεταγωγέα, αλλά εξακολουθεί να απαιτεί δακτυλίους ολίσθησης. Το όνομα "ομοπολικό" υποδηλώνει ότι η ηλεκτρική πολικότητα του αγωγού και των πόλων του μαγνητικού πεδίου δεν αλλάζει (δηλαδή ότι δεν απαιτεί μεταγωγή).
Ο μονοπολικός κινητήρας ήταν ο πρώτος ηλεκτροκινητήρας που κατασκευάστηκε. Η δράση του επιδείχθηκε από τον Michael Faraday το 1821 στο Βασιλικό Ίδρυμα στο Λονδίνο.
Εφεύρεση
Το 1821, λίγο αφότου ο Δανός φυσικός και χημικός Hans Christian Oersted ανακάλυψεφαινόμενο του ηλεκτρομαγνητισμού, ο Humphry Davy και ο Βρετανός επιστήμονας William Hyde Wollaston προσπάθησαν, αλλά απέτυχαν, να αναπτύξουν έναν ηλεκτρικό κινητήρα. Ο Faraday, που αμφισβητήθηκε ως αστείο από τον Humphrey, συνέχισε να δημιουργεί δύο συσκευές για να δημιουργήσει αυτό που ονόμασε «ηλεκτρομαγνητική περιστροφή». Ένα από αυτά, τώρα γνωστό ως ομοπολική κίνηση, δημιούργησε μια συνεχή κυκλική κίνηση. Προκλήθηκε από μια κυκλική μαγνητική δύναμη γύρω από ένα σύρμα τοποθετημένο σε μια λίμνη υδραργύρου στην οποία ήταν τοποθετημένος ο μαγνήτης. Το καλώδιο θα περιστρεφόταν γύρω από τον μαγνήτη αν τροφοδοτούνταν από μια χημική μπαταρία.
Αυτά τα πειράματα και οι εφευρέσεις αποτέλεσαν τη βάση των σύγχρονων ηλεκτρομαγνητικών τεχνολογιών. Σύντομα ο Faraday δημοσίευσε τα αποτελέσματα. Αυτό επέτεινε τις σχέσεις με τον Davy λόγω της ζήλιας του για τα επιτεύγματα του Faraday και έκανε τον τελευταίο να στραφεί σε άλλα πράγματα, γεγονός που τον εμπόδισε να συμμετάσχει σε ηλεκτρομαγνητική έρευνα για αρκετά χρόνια.
Β. Ο G. Lamm περιέγραψε το 1912 μια ομοπολική μηχανή ισχύος 2000 kW, 260 V, 7700 A και 1200 rpm με 16 δακτυλίους ολίσθησης που λειτουργούσαν με περιφερειακή ταχύτητα 67 m/s. Μια μονοπολική γεννήτρια 1125 kW, 7,5 V, 150.000A, 514 rpm που κατασκευάστηκε το 1934 εγκαταστάθηκε σε ένα αμερικανικό χαλυβουργείο για συγκόλληση σωλήνων.
Ο ίδιος νόμος Lorentz
Η λειτουργία αυτού του κινητήρα είναι παρόμοια με αυτή μιας μονοπολικής γεννήτριας κραδασμών. Ο μονοπολικός κινητήρας κινείται από τη δύναμη Lorentz. Ένας αγωγός με ρεύμα που τον διαρρέει, όταν τοποθετηθεί σε μαγνητικό πεδίο και είναι κάθετος σε αυτό, αισθάνεται μια δύναμηκατεύθυνση κάθετη τόσο στο μαγνητικό πεδίο όσο και στο ρεύμα. Αυτή η δύναμη παρέχει μια ροπή στροφής γύρω από τον άξονα περιστροφής.
Δεδομένου ότι το τελευταίο είναι παράλληλο με το μαγνητικό πεδίο και τα αντίθετα μαγνητικά πεδία δεν αλλάζουν την πολικότητα, δεν απαιτείται εναλλαγή για να συνεχιστεί η περιστροφή του αγωγού. Αυτή η απλότητα επιτυγχάνεται πιο εύκολα με σχέδια μονής στροφής, καθιστώντας τους ομοπολικούς κινητήρες ακατάλληλους για τις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές.
Όπως οι περισσότερες ηλεκτρομηχανικές μηχανές (όπως η μονοπολική γεννήτρια του Neggerath), ο ομοπολικός κινητήρας είναι αναστρέψιμος: εάν ο αγωγός περιστραφεί μηχανικά, θα λειτουργεί ως ομοπολική γεννήτρια, δημιουργώντας μια τάση συνεχούς ρεύματος μεταξύ των δύο ακροδεκτών του αγωγού.
Το σταθερό ρεύμα είναι συνέπεια της ομοπολικής φύσης του σχεδιασμού. Οι ομοπολικές γεννήτριες (HPG) εξερευνήθηκαν εκτενώς στα τέλη του 20ου αιώνα ως πηγές συνεχούς ρεύματος χαμηλής τάσης αλλά πολύ υψηλού ρεύματος και πέτυχαν κάποια επιτυχία στην τροφοδοσία πειραματικών σιδηροδρομικών όπλων.
Κτίριο
Η κατασκευή μιας μονοπολικής γεννήτριας με τα χέρια σας είναι αρκετά απλή. Ο μονοπολικός κινητήρας συναρμολογείται επίσης πολύ εύκολα. Ο μόνιμος μαγνήτης χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου μέσα στο οποίο ο αγωγός θα περιστρέφεται και η μπαταρία προκαλεί το ρεύμα να ρέει κατά μήκος του αγώγιμου σύρματος.
Δεν είναι απαραίτητο ο μαγνήτης να κινηθεί ή ακόμα και να έρθει σε επαφή με τον υπόλοιπο κινητήρα. ο μόνος σκοπός του είναι να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο που θααλληλεπιδρούν με ένα παρόμοιο πεδίο που προκαλείται από το ρεύμα στο καλώδιο. Είναι δυνατό να προσαρτήσετε έναν μαγνήτη σε μια μπαταρία και να επιτρέψετε στον αγωγό να περιστρέφεται ελεύθερα καθώς ολοκληρώνεται το ηλεκτρικό κύκλωμα, αγγίζοντας τόσο το πάνω μέρος της μπαταρίας όσο και τον μαγνήτη που είναι συνδεδεμένος στο κάτω μέρος της μπαταρίας. Το καλώδιο και η μπαταρία μπορεί να ζεσταθούν κατά τη συνεχή χρήση.
