Generator homopolarny - Homopolar generator

Dysk Faradaya, pierwszy generator homopolarny

Homopolarny generatora jest DC generatora elektrycznego zawierającym elektrycznie przewodzącą płytę lub walec obracający się w płaszczyźnie prostopadłej do jednolitego statycznego pola magnetycznego. Pomiędzy środkiem tarczy a obręczą (lub końcami cylindra) powstaje różnica potencjałów z biegunowością elektryczną zależną od kierunku obrotu i orientacji pola. Jest znany także jako jednobiegunowej generator , generator acykliczny , dynamo dysku lub dysku Faradaya . Napięcie jest zazwyczaj niskie, rzędu kilku woltów w przypadku małych modeli demonstracyjnych, ale duże generatory badawcze mogą wytwarzać setki woltów, a niektóre systemy mają wiele generatorów połączonych szeregowo, aby wytworzyć jeszcze większe napięcie. Są niezwykłe, ponieważ mogą wytwarzać ogromny prąd elektryczny, około miliona amperów , ponieważ generator homopolarny może mieć bardzo niską rezystancję wewnętrzną . Ponadto generator homopolarny jest wyjątkowy, ponieważ żadna inna obrotowa maszyna elektryczna nie może wytwarzać prądu stałego bez użycia prostowników lub komutatorów.

Dysk Faradaya

Dysk Faradaya

Pierwszy generator homopolarny został opracowany przez Michaela Faradaya podczas jego eksperymentów w 1831 roku. Na jego cześć często nazywany jest dyskiem Faradaya lub kołem Faradaya . Był to początek nowoczesnych prądnic , czyli generatorów elektrycznych, które działają za pomocą pola magnetycznego . Był bardzo nieefektywny i nie był używany jako praktyczne źródło zasilania, ale wykazał możliwość generowania energii elektrycznej za pomocą magnetyzmu i utorował drogę do komutowanych prądnic prądu stałego, a następnie alternatorów prądu przemiennego.

Dysk Faradaya był przede wszystkim nieefektywny ze względu na przeciwprądy. Podczas gdy przepływ prądu był indukowany bezpośrednio pod magnesem, prąd krąży wstecz w obszarach poza wpływem pola magnetycznego. Ten przeciwprąd ogranicza moc wyjściową do przewodów odbierających i powoduje nagrzewanie się miedzianego dysku. Późniejsze generatory homopolarne rozwiązałyby ten problem, wykorzystując układ magnesów rozmieszczonych wokół obwodu dysku, aby utrzymać stałe pole na obwodzie i wyeliminować obszary, w których mógłby wystąpić przeciwprąd.

Rozwój generatora homopolarnego

Pozostałości generatora ANU 500 MJ

Długo po tym, jak oryginalny dysk Faradaya został porzucony jako praktyczny generator, opracowano zmodyfikowaną wersję łączącą magnes i dysk w jedną obracającą się część ( wirnik ). Czasami nazwa generatora homopolarnego jest zarezerwowana dla tej konfiguracji. Jeden z najwcześniejszych patentów na ogólny typ generatorów homopolarnych został osiągnięty przez AF Delafielda, patent USA 278,516 . Inne wczesne patenty na generatory homopolarne zostały przyznane oddzielnie SZ De Ferranti i C. Batchelor . Nikola Tesla interesował się dyskiem Faradaya i prowadził prace z generatorami homopolarnymi i ostatecznie opatentował ulepszoną wersję urządzenia w patencie USA 406,968 . Patent Tesli „Dynamo Electric Machine” opisuje układ dwóch równoległych dysków z oddzielnymi, równoległymi wałami, połączonymi jak koła pasowe metalowym pasem. Każdy dysk miał pole przeciwne do drugiego, tak że przepływ prądu odbywał się z jednego wału do krawędzi dysku, przez pas do drugiej krawędzi dysku i do drugiego wału. To znacznie zmniejszyłoby straty spowodowane tarciem powodowane przez styki ślizgowe, umożliwiając połączenie obu przetworników elektrycznych z wałkami dwóch dysków, a nie z wałem i obręczą o dużej prędkości. Później patenty przyznano CP Steinmetzowi i E. Thomsonowi za ich pracę z generatorami homopolarnymi. Forbes dynamo , opracowany przez szkockiego inżyniera elektrycznego George Forbes , był w powszechnym użyciu w czasie początku 20. wieku. Wiele prac rozwojowych dokonanych w generatorach homopolarnych zostało opatentowanych przez JE Noeggeratha i R. Eickemeyera .

Generatory homopolarne przeszły renesans w latach 50. XX wieku jako źródło pulsacyjnego magazynowania energii. Urządzenia te wykorzystywały ciężkie dyski jako formę koła zamachowego do przechowywania energii mechanicznej, która mogła być szybko zrzucona do aparatury eksperymentalnej. Wczesny przykład tego rodzaju urządzenia został zbudowany przez Sir Mark Oliphant w Szkole Badań Nauk Fizycznych i Inżynierii , Australian National University . Przechowywał do 500 megadżuli energii i był używany jako źródło ekstremalnie wysokich prądów do eksperymentów z synchrotronem od 1962 roku aż do jego demontażu w 1986 roku. Konstrukcja Oliphanta była w stanie dostarczać prądy do 2 megaamperów (MA).

Podobne urządzenia o jeszcze większych rozmiarach są projektowane i budowane przez Parker Kinetic Designs (dawniej OIME Research & Development) z Austin. Wyprodukowali urządzenia do różnych ról, od zasilania działek szynowych przez silniki liniowe (do startów w kosmos) po różnorodne projekty broni. Wprowadzono wzory przemysłowe 10 MJ do różnych ról, w tym do spawania elektrycznego.

Opis i działanie

Generator tarczowy

Podstawowy generator płyt Faradaya

To urządzenie składa się z przewodzącego koła zamachowego obracającego się w polu magnetycznym z jednym stykiem elektrycznym w pobliżu osi, a drugim w pobliżu obwodu. Wykorzystywany jest do generowania bardzo wysokich prądów przy niskich napięciach w zastosowaniach takich jak spawanie , elektroliza i badania działek szynowych . W zastosowaniach wykorzystujących energię impulsową, moment pędu wirnika jest wykorzystywany do gromadzenia energii przez długi czas, a następnie uwalniania jej w krótkim czasie.

W przeciwieństwie do innych typów generatorów napięcie wyjściowe nigdy nie zmienia polaryzacji. Oddzielenie ładunków wynika z siły Lorentza działającej na wolne ładunki w dysku. Ruch jest azymutalny, a pole jest osiowe, więc siła elektromotoryczna jest promieniowa. Styki elektryczne są zwykle wykonywane za pomocą „ szczotki ” lub pierścienia ślizgowego , co powoduje duże straty przy wytwarzanych niskich napięciach. Niektóre z tych strat można zmniejszyć, stosując jako „szczotkę” rtęć lub inny łatwo upłynniający się metal lub stop ( gal , NaK ), aby zapewnić zasadniczo nieprzerwany kontakt elektryczny.

Ostatnio sugerowaną modyfikacją jest zastosowanie styku plazmowego zasilanego przez ujemny opór neonowy, dotykający krawędzi dysku lub bębna, przy użyciu wyspecjalizowanego węgla o niskiej funkcyjności roboczej w pionowych paskach. Miałoby to zaletę bardzo niskiej rezystancji w zakresie prądu, prawdopodobnie do tysięcy amperów, bez kontaktu z ciekłym metalem.

Jeżeli pole magnetyczne zapewnia magnes trwały , generator działa niezależnie od tego, czy magnes jest przymocowany do stojana, czy obraca się wraz z tarczą. Przed odkryciem elektronu i prawem siły Lorentza The zjawisko było niewytłumaczalne i był znany jako paradoks Faradaya .

Generator bębnowy

Generator homopolarny typu bębnowego ma pole magnetyczne (B), które promieniuje promieniowo ze środka bębna i indukuje napięcie (V) na całej długości bębna. Bęben przewodzący wirowany z góry w polu magnesu typu „głośnik”, który ma jeden biegun pośrodku bębna, a drugi biegun otaczający bęben, może wykorzystywać przewodzące łożyska kulkowe na górze i na dole bębna do podnoszenia generowany prąd.

Induktory astrofizyczne jednobiegunowe

Induktory jednobiegunowe występują w astrofizyce, gdzie przewodnik obraca się w polu magnetycznym, na przykład ruch wysoce przewodzącej plazmy w jonosferze ciała kosmicznego przez jego pole magnetyczne . W swojej książce, Cosmical Elektrodynamika , Hannes Alfvén i Carl-Gunne Fälthammar napisz:

„Ponieważ kosmiczne chmury zjonizowanego gazu są generalnie namagnesowane, ich ruch wytwarza indukowane pola elektryczne […] Na przykład ruch namagnesowanej plazmy międzyplanetarnej wytwarza pola elektryczne, które są niezbędne do wytwarzania zorzy polarnej i burz magnetycznych” […]
"... obrót przewodnika w polu magnetycznym wytwarza pole elektryczne w układzie w stanie spoczynku. Zjawisko to jest dobrze znane z eksperymentów laboratoryjnych i jest zwykle nazywane indukcją homopolarną lub jednobiegunową.

Induktory jednobiegunowe są powiązane z zorzami na Uranie , gwiazdami podwójnymi , czarnymi dziurami , galaktykami , układem Jowisza Io , Księżycem , wiatrem słonecznym , plamami słonecznymi i ogonem magnetycznym Wenus .

Fizyka

Zasada działania generatora homopolarnego: pod wpływem siły Lorentza F L ładunki ujemne są kierowane w kierunku środka wirującego dysku, tak że napięcie pojawia się między jego środkiem a obrzeżem, z ujemnym biegunem w środku.

Podobnie jak wszystkie dynama , tarcza Faradaya zamienia energię kinetyczną na energię elektryczną . Ta maszyna może być analizowana przy użyciu własnego prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya . Prawo to w swojej nowoczesnej postaci stwierdza, że ​​pochodna pełnego czasu strumienia magnetycznego w obwodzie zamkniętym indukuje w obwodzie siłę elektromotoryczną , która z kolei napędza prąd elektryczny. Integralną powierzchnię , która wyznacza strumień magnetyczny może być zapisane jako całka linii wokół obwodu. Chociaż całka całki krzywoliniowej jest niezależna od czasu, ponieważ dysk Faradaya, który stanowi część granicy całki krzywoliniowej, porusza się, pochodna pełnego czasu jest niezerowa i zwraca prawidłową wartość do obliczenia siły elektromotorycznej. Alternatywnie, tarczę można zredukować do przewodzącego pierścienia wzdłuż obwodu tarczy z pojedynczą metalową szprychą łączącą pierścień z osią.

Prawo siły Lorentza jest łatwiejsze do 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 sensie geometrycznym oznacza to, że siła jest prostopadła zarówno do prędkości (azymutalnej), jak i strumienia magnetycznego (osiowego), który jest zatem w kierunku promieniowym. Promieniowy ruch elektronów w dysku powoduje oddzielenie ładunku między środkiem dysku a jego obrzeżem, a jeśli obwód jest zamknięty, zostanie wytworzony prąd elektryczny.

Zobacz też

Bibliografia

Ogólne odniesienia

  • Don Lancaster, „ Rozbijanie mitów homopolarnych ”. Rozważania techniczne, październik 1997. (PDF)
  • Don Lancaster, „ Zrozumienie dysku Faradaya ”. Rozważania techniczne, październik 1997. (PDF)
  • John David Jackson, Elektrodynamika klasyczna , Wiley, 3rd ed. 1998, ISBN  0-471-30932-X
  • Arthur I. Miller , „Jednobiegunowa indukcja: studium przypadku interakcji między nauką a technologią”, Annals of Science, tom 38, s. 155-189 (1981).
  • Olivier Darrigol, Elektrodynamika od Ampere do Einsteina , Oxford University Press, 2000, ISBN  0-19-850594-9
  • Trevor Ophel i John Jenkin, (1996) Ogień w brzuchu  : pierwsze 50 lat pionierskiej szkoły w ANU Canberra: Research School of Physical Sciences and Engineering, Australian National University. ISBN  0-85800-048-2 . (PDF)
  • Thomas Valone, The Homopolar Handbook: A Definitive Guide to Faraday Disk and N-Machine Technologies . Waszyngton, DC, USA: Integrity Research Institute, 2001. ISBN  0-964107-0-1-5

Dalsza lektura

  • Richard A. Marshall i William F. Weldon, „ Parameter Selection for Homopolar Generators Used as Pulsed Energy Stores ”, Center for Electromechanics, University of Texas, Austin, lipiec 1980. (także opublikowane w: Electrical Machines and Electromechanics, 6:109 -127, 1981.)

Zewnętrzne linki