Униполярный генератор - Homopolar generator

Диск Фарадея, первый униполярный генератор

А униполярный генератор это ОКРУГ КОЛУМБИЯ электрический генератор состоящий из электропроводящего диска или цилиндра, вращающегося в плоскости, перпендикулярной однородному статическому магнитному полю. Между центром диска и ободом (или концами цилиндра) создается разность потенциалов. электрическая полярность это зависит от направления вращения и ориентации поля. Он также известен как униполярный генератор, ациклический генератор, дисковая динамо, или же Диск Фарадея. Напряжение обычно низкое, порядка нескольких вольт в случае небольших демонстрационных моделей, но большие исследовательские генераторы могут вырабатывать сотни вольт, а в некоторых системах есть несколько генераторов, подключенных последовательно, для создания еще большего напряжения.[1] Они необычны тем, что могут служить источником огромного электрического тока, в некоторых случаях более миллиона. амперы, потому что униполярный генератор может иметь очень низкий внутреннее сопротивление. Кроме того, униполярный генератор уникален тем, что никакая другая вращающаяся электрическая машина не может производить постоянный ток без выпрямителей или коммутаторов. [2]

Диск Фарадея

Диск Фарадея

Первый униполярный генератор был разработан Майкл Фарадей во время его экспериментов в 1831 году. Его часто называют Диск Фарадея или же Колесо Фарадея в его честь. Это было начало современного динамо-машины - то есть, электрические генераторы которые работают с использованием магнитное поле. Он был очень неэффективен и не использовался в качестве практического источника энергии, но он показал возможность производства электроэнергии с использованием магнетизма и проложил путь к развитию. коммутируемый постоянный ток динамо, а затем переменный ток генераторы.

Диск Фарадея был прежде всего неэффективен из-за противотока тока. В то время как ток был индуцирован непосредственно под магнитом, ток будет циркулировать в обратном направлении в областях, находящихся вне влияния магнитного поля. Этот противоток ограничивает мощность, подаваемую на провода датчика, и вызывает чрезмерный нагрев медного диска. Более поздние униполярные генераторы решат эту проблему за счет использования массива магнитов, расположенных по периметру диска, для поддержания постоянного поля по окружности и устранения участков, где может возникнуть противоток.

Разработка униполярного генератора

Остатки генератора АНУ 500 МДж

Спустя долгое время после того, как оригинальный диск Фарадея был оставлен как практический генератор, модифицированная версия, объединяющая магнит и диск в одной вращающейся части ( ротор) был развит. Иногда имя униполярный генератор зарезервировано для этой конфигурации. Один из самых ранних патентов на униполярные генераторы общего типа был получен А. Ф. Делафилдом, Патент США 278,516 . Другие ранние патенты на униполярные генераторы были присуждены С. З. Де Ферранти и К. Бэтчелор раздельно. Никола Тесла интересовался диском Фарадея и вел работы с униполярными генераторами,[3] и в итоге запатентовал улучшенную версию устройства в Патент США 406968 . В патенте Тесла «Динамо-электрическая машина» описывается расположение двух параллельных дисков с отдельными параллельными валами, соединенными как шкивы металлическим поясом. У каждого диска было поле, противоположное другому, так что ток шел от одного вала к краю диска, через ремень к другому краю диска и ко второму валу. Это значительно снизило бы потери на трение, вызванные скользящими контактами, позволив обоим электрическим датчикам взаимодействовать с валами двух дисков, а не с валом и высокоскоростным ободом. Позже патенты получили К. П. Штайнмец и Э. Томсон за работу с униполярными генераторами. В Форбс динамо, разработанный шотландским инженером-электриком Джордж Форбс, широко использовался в начале 20 века. Большая часть разработок униполярных генераторов была запатентована Дж. Э. Ноэггерат и Р. Эйкемейер.

Униполярные генераторы пережили ренессанс в 1950-х годах как источники импульсного накопления энергии. В этих устройствах использовались тяжелые диски как форма маховик для хранения механической энергии, которую можно было быстро сбросить в экспериментальный прибор. Ранний пример такого рода устройства был построен Сэр Марк Олифант на Исследовательская школа физических наук и инженерии, Австралийский национальный университет. В нем хранится до 500 мегаджоули энергии[4] и использовался как чрезвычайно сильный источник тока для синхротрон экспериментировал с 1962 года до тех пор, пока он не был разобран в 1986 году. Конструкция Олифанта была способна обеспечивать токи до 2 мегаамперы (Массачусетс).

Подобные устройства даже большего размера разрабатываются и производятся компанией Parker Kinetic Designs (ранее OIME Research & Development) из Остина. Они производили устройства для самых разных ролей, от питания до рельсотрон к линейные двигатели (для космических запусков) на различные конструкции оружия. Введены промышленные образцы мощностью 10 МДж для различных ролей, включая электросварку.[5]

Описание и работа

Генератор дискового типа

Базовый генератор дисков Фарадея

Это устройство состоит из проведение маховик вращающийся в магнитное поле с одним электрическим контактом около оси, а другим около периферии. Он использовался для генерации очень высоких токов при низких напряжениях в таких приложениях, как сварка, электролиз и рельсотрон исследование. В импульсных приложениях энергии угловой момент ротора используется для накопления энергии в течение длительного периода, а затем для высвобождения ее за короткое время.

В отличие от генераторов других типов, выходное напряжение никогда не меняет полярность. Разделение зарядов является результатом Сила Лоренца о бесплатных зарядках на диске. Движение азимутальное, поле аксиальное, поэтому электродвижущая сила радиальный. Электрические контакты обычно выполняются через "щетка " или же скольжения кольцо, что приводит к большим потерям при генерируемых низких напряжениях. Некоторые из этих потерь можно уменьшить, используя Меркурий или другой легко сжижаемый металл или сплав (галлий, NaK ) в качестве «щетки», чтобы обеспечить практически непрерывный электрический контакт.

Недавно предложенная модификация заключается в использовании плазма контакт предоставлен отрицательное сопротивление неон стример, касающийся края диска или барабана, с использованием специализированного углерода с низкой работой выхода в вертикальных полосах. Это имело бы преимущество очень низкого сопротивления в диапазоне токов, возможно, до тысяч ампер без контакта с жидким металлом.[нужна цитата ]

Если магнитное поле создается постоянным магнит, генератор работает независимо от того, закреплен ли магнит на статоре или вращается вместе с диском. До открытия электрон и Закон силы Лоренца, то явление был необъяснимым и был известен как Парадокс Фарадея.

Генератор барабанного типа

Униполярный генератор барабанного типа имеет магнитное поле (B), которое излучается радиально от центра барабана и индуцирует напряжение (V) по всей длине барабана. Проводящий барабан вращается сверху в поле типа «громкоговоритель». магнита, у которого один полюс находится в центре барабана, а другой полюс, окружающий барабан, можно использовать с токопроводящими шарикоподшипниками в верхней и нижней части барабана для приема генерируемого тока.

Астрофизические униполярные индукторы

Униполярные индукторы встречаются в астрофизике, когда проводник вращается в магнитном поле, например, движение высокопроводящих плазма в космическом теле ионосфера через его магнитное поле. В своей книге Космическая электродинамика, Ханнес Альфвен и Карл-Гунн Фельтаммар записывать:

«Поскольку космические облака ионизированного газа обычно намагничены, их движение создает индуцированные электрические поля [..] Например, движение намагниченной межпланетной плазмы создает электрические поля, которые необходимы для создания полярных сияний и магнитных бурь» [..]
«... вращение проводника в магнитном поле создает электрическое поле в системе в состоянии покоя. Это явление хорошо известно из лабораторных экспериментов и обычно называется« униполярной »или« униполярной »индукцией.[6]

Униполярные индукторы были связаны с полярными сияниями на Уран,[7] двойные звезды,[8][9] черные дыры,[10][11][12] галактики,[13] то Система Юпитера Ио,[14][15] то Луна,[16][17] солнечный ветер[18] солнечные пятна,[19][20] и в Венерианский магнитный хвост.[21]

Физика

Как все динамо-машины, диск Фарадея преобразует кинетическая энергия к электроэнергия. Эту машину можно проанализировать, используя собственный закон Фарадея. электромагнитная индукция. Этот закон в его современной форме гласит, что полная производная от магнитный поток через замкнутую цепь индуцирует электродвижущая сила в цепи, которая, в свою очередь, возбуждает электрический ток. В поверхностный интеграл определяющий магнитный поток, можно переписать как линейный интеграл вокруг цепи. Хотя подынтегральная функция линейного интеграла не зависит от времени, поскольку диск Фарадея, который является частью границы линейного интеграла, движется, полная производная не равна нулю и возвращает правильное значение для вычисления электродвижущей силы.[22][23] В качестве альтернативы, диск может быть уменьшен до токопроводящего кольца по окружности диска с единственной металлической спицей, соединяющей кольцо с осью.[24]

В Закон силы Лоренца легче использовать для объяснения поведения машины. Этот закон, сформулированный через тридцать лет после смерти Фарадея, гласит, что сила, действующая на электрон, пропорциональна силе перекрестное произведение своего скорость и магнитный поток вектор. С геометрической точки зрения это означает, что сила направлена ​​под прямым углом как к скорости (азимутальной), так и к магнитному потоку (осевому), который, следовательно, находится в радиальном направлении. Радиальное движение электронов в диске вызывает разделение зарядов между центром диска и его ободом, и если цепь замыкается, будет производиться электрический ток.[25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Losty, H.H.W и Lewis, D.L. (1973) Униполярные машины. Философские труды для Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки. 275 (1248), 69-75
  2. ^ Валоне, Томас (ноябрь 1994). Униполярный справочник, стр. 1. ISBN  9780964107014.
  3. ^ Никола Тесла, "Примечания об униполярном динамо "Инженер-электрик, штат Нью-Йорк, 2 сентября 1891 г. (также доступно на tesla.hu, Статья 18910902. В архиве 2011-05-17 на Wayback Machine )
  4. ^ J.W. Блейми, П.О. Карден, Л.У. Хиббард, Э. Иналл, Р.А. Маршалл и сэр Марк Олифант, «Большой униполярный генератор в Канберре: начальные испытания», Nature, 195 (1962), стр. 113–114.
  5. ^ Томас Валоне, «Униполярный справочник», Институт исследования честности, 1994, стр. 45
  6. ^ Ханнес Альфвен и Карл-Гунн Фельтаммар, Космическая электродинамика (1963) 2-е издание, Oxford University Press. См. Разд. 1.3.1. Индуцированное электрическое поле в равномерно движущемся веществе.
  7. ^ Hill, T. W .; Десслер, А. Дж .; Рассбах, М. Э. "Аврора на Уране - дисковый динамо-механизм Фарадея " (1983) Планетарная и космическая наука (ISSN 0032-0633), т. 31 октября 1983 г., стр. 1187–1198
  8. ^ Ханнес Альфвен "Sur l'origine de la радиационная космическая «(О происхождении космического излучения)» Comptes Rendus, 204, стр.1180–1181 (1937)
  9. ^ Хакала, Паси и другие., "Раскрутка в RX J0806 + 15: двоичный код с самым коротким периодом " (2003) Ежемесячное уведомление Королевского астрономического общества, Том 343, Выпуск 1, стр. L10 – L14
  10. ^ Лавлейс, R.V.E. "Динамо-модель двойных радиоисточников "
  11. ^ Burns, M. L .; Лавлейс, Р. В. Э. "Теория электрон-позитронных ливней в двойных радиоисточниках " (1982) Астрофизический журнал, Часть 1, т. 262, 1 ноября 1982 г., стр. 87–99
  12. ^ Шацкий А.А. "Униполярная индукция намагниченного аккреционного диска вокруг черной дыры ", (2003) Письма об астрономии, т. 29, стр. 153–157
  13. ^ Пер Карлквист "Космические электрические токи и обобщенное соотношение Беннета " (1988) Астрофизика и космическая наука (ISSN 0004-640X), т. 144, нет. 1-2, май 1988 г., стр. 73–84.
  14. ^ Goldreich, P .; Линден-Белл, Д. "Ио, униполярный индуктор Джовиана " (1969) Astrophys. Дж., т. 156. С. 59–78 (1969).
  15. ^ Strobel, Darrell F .; и другие., "Космический телескоп им. Хаббла. Спектрограф для получения изображений. Поиск атмосферы на Каллисто: униполярный индуктор Юпитера. " (2002) Астрофизический журнал, Том 581, Выпуск 1, стр. L51 – L54
  16. ^ "Сонетт, К. П .; Колберн, Д. С."Создание лунного униполярного генератора и связанные с ним толчки и следы солнечного ветра " (1967) Природа, т. 216, 340–343.
  17. ^ Schwartz, K .; Sonett, C.P .; Колберн, Д. С. "Униполярная индукция на Луне и ударный механизм лунных конечностей " в Луна, Vol. 1, стр.7
  18. ^ Срнка, Л. Дж. "Ограниченная оболочкой униполярная индукция в солнечном ветре " (1975) Астрофизика и космическая наука », т. 36, август 1975 г., стр. 177–204.
  19. ^ Ян, Хай-Шоу, "Бессиловая теория солнечных вспышек I. Униполярные пятна. " Китайская астрономия и астрофизика, Том 5, Выпуск 1, стр. 77–83.
  20. ^ Ошерович, В. А .; Гарсия, Х.А. "Электрический ток в униполярном пятне с раскрученным полем " (1990) Письма о геофизических исследованиях (ISSN 0094-8276), т. 17, ноя 1990, стр. 2273–2276.
  21. ^ Ерошенко Е.Г. "Эффекты униполярной индукции в магнитном хвосте Венеры "(1979) Космические исследования, т. 17, январь – февраль 1979 г., стр. 93–10.
  22. ^ Джексон, Джон Дэвид (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Вайли. стр.208 –211. ISBN  978-0471309321.
  23. ^ Валоне, Томас (ноябрь 1994). Униполярный справочник. Научно-исследовательский институт добросовестности. п. 7. ISBN  9780964107014.
  24. ^ Knoepfel, Heinz (11 июля 2008 г.). Магнитные поля: всеобъемлющий теоретический трактат для практического использования. Вайли. п. 324. ISBN  9783527617425.
  25. ^ Теория электромагнитного поля, 2-е изд. к Бо Тиде, Кафедра физики и астрономии, Уппсальский университет, Швеция

Общие ссылки

  • Дон Ланкастер "Разрушая однополярные мифы ". Tech Musings, октябрь 1997 г. (PDF)
  • Дон Ланкастер "Понимание диска Фарадея ". Tech Musings, октябрь 1997 г. (PDF)
  • Джон Дэвид Джексон, Классическая электродинамика, Wiley, 3-е изд. 1998, ISBN  0-471-30932-X
  • Артур И. Миллер, "Униполярная индукция: пример взаимодействия науки и техники", Annals of Science, том 38, стр. 155–189 (1981).
  • Оливье Дарриголь, Электродинамика от Ампера до Эйнштейна, Oxford University Press, 2000 г., ISBN  0-19-850594-9
  • Тревор Офел и Джон Дженкин (1996) Огонь в животе : первые 50 лет пионерской школы при АНУ Канберра: Исследовательская школа физических наук и инженерии, Австралийский национальный университет. ISBN  0-85800-048-2. (PDF)
  • Томас Валоне, Униполярный справочник: полное руководство по дискам Фарадея и N-машинам. Вашингтон, округ Колумбия, США: Исследовательский институт целостности, 2001. ISBN  0-964107-0-1-5

дальнейшее чтение

  • Ричард А. Маршалл и Уильям Ф. Велдон "Выбор параметров для униполярных генераторов, используемых в качестве импульсных накопителей энергии", Центр электромеханики, Техасский университет, Остин, июль 1980 г. (также опубликовано в: Electric Machines and Electromechanics, 6: 109–127, 1981).

внешняя ссылка