Униполярный генератор

Униполярный генератор — постоянного тока электрический генератор , содержащий электропроводящий диск или цилиндр, вращающийся в плоскости, перпендикулярной однородному статическом магнитному полю . Между центром диска и ободом (или концами цилиндра) создается разность потенциалов с электрической полярностью , которая зависит от направления вращения и ориентации поля. Он также известен как униполярный генератор , ациклический генератор , дисковое динамо или диск Фарадея . Напряжение обычно низкое, порядка нескольких вольт в случае небольших демонстрационных моделей, но большие исследовательские генераторы могут производить сотни вольт, а в некоторых системах есть несколько генераторов, соединенных последовательно, для создания еще большего напряжения. ^[1] Они необычны тем, что могут генерировать огромный электрический ток, иногда превышающий миллион ампер , поскольку униполярный генератор может иметь очень низкое внутреннее сопротивление . Кроме того, униполярный генератор уникален тем, что ни одна другая вращающаяся электрическая машина не может производить постоянный ток без использования выпрямителей или коммутаторов. ^[2]

Диск Фарадея

Первый униполярный генератор был разработан Майклом Фарадеем во время его экспериментов в 1831 году. В его честь его часто называют диском Фарадея или колесом Фарадея . Это было начало современных динамо-машин — то есть электрических генераторов , работающих с использованием магнитного поля . Он был очень неэффективен и не использовался в качестве практического источника энергии, но показал возможность генерации электроэнергии с помощью магнетизма и проложил путь к коммутируемым динамо-машинам постоянного тока , а затем к генераторам переменного тока .

Диск Фарадея был в первую очередь неэффективен из-за противотоков тока. Хотя ток индуцировался непосредственно под магнитом, ток циркулировал в обратном направлении в областях, находящихся вне влияния магнитного поля. Этот противоток ограничивает выходную мощность на провода датчика и вызывает ненужный нагрев медного диска. Более поздние униполярные генераторы решили эту проблему, используя массив магнитов, расположенных по периметру диска, чтобы поддерживать постоянное поле по окружности и устранять области, где может возникнуть противоток.

Разработка униполярного генератора

Спустя долгое время после того, как от оригинального диска Фарадея отказались как от практического генератора, была разработана модифицированная версия, сочетающая магнит и диск в одной вращающейся части ( ротор ). название «униполярный генератор» Иногда для этой конфигурации зарезервировано . Один из первых патентов на общий тип униполярных генераторов был получен А. Ф. Делафилдом, патент США 278 516 . Другие ранние патенты на униполярные генераторы были выданы С.З. Де Ферранти и К. Бэтчелору отдельно. Никола Тесла интересовался диском Фарадея и вел работы с униполярными генераторами. ^[3] и в конечном итоге запатентовал улучшенную версию устройства в патенте США 406,968 . Патент Теслы «Электрическая динамо-машина» описывает расположение двух параллельных дисков с отдельными параллельными валами, соединенных, как шкивы , металлическим ремнем. Каждый диск имел 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 уменьшило бы потери на трение, вызванные скользящими контактами, поскольку позволило бы обоим электрическим датчикам взаимодействовать с валами двух дисков, а не с валом и высокоскоростным ободом. Позднее патенты были вручены К. П. Штейнмецу и Э. Томсону за работы с униполярными генераторами. Динамо -машина Forbes , разработанная шотландским инженером-электриком Джорджем Форбсом , широко использовалась в начале 20 века. Большая часть разработок униполярных генераторов была запатентована Дж. Э. Ноггератом и Р. Эйкемейером .

Униполярные генераторы пережили возрождение в 1950-х годах как источник импульсного хранения энергии. В этих устройствах тяжелые диски использовались в качестве маховика для хранения механической энергии, которую можно было быстро передать в экспериментальный аппарат. Ранний пример такого типа устройства был построен сэром Марком Олифантом в Исследовательской школе физических наук и техники Австралийского национального университета . Он хранил до 500 мегаджоулей энергии. ^[4] и использовался в качестве источника чрезвычайно сильного тока для синхротронных экспериментов с 1962 года до тех пор, пока не был разобран в 1986 году. Конструкция Олифанта была способна подавать токи силой до 2 мегаампер (МА).

Подобные устройства еще большего размера проектируются и производятся компанией Parker Kinetic Designs (ранее OIME Research & Development) из Остина. Они производят устройства для самых разных целей: от рельсотронов до линейных двигателей (для космических запусков) и различных конструкций оружия. Были представлены промышленные образцы мощностью 10 МДж для различных ролей, в том числе для электросварки. ^[5]^[6]

Описание и работа

Генератор дискового типа

Это устройство состоит из проводящего маховика вращающегося в магнитном поле с одним электрическим контактом вблизи оси, а другим - на периферии. Он использовался для генерации очень высоких токов при низком напряжении в таких приложениях, как сварка , электролиз и рельсотронов исследования . В приложениях с импульсной энергией угловой момент ротора используется для накопления энергии в течение длительного периода, а затем ее высвобождения за короткое время.

В отличие от других типов генераторов, выходное напряжение никогда не меняет полярность. Разделение зарядов происходит за счет силы Лоренца , действующей на свободные заряды в диске. Движение азимутальное, поле осевое, поэтому электродвижущая сила радиальная. Электрические контакты обычно выполняются через « щетку » или контактное кольцо , что приводит к большим потерям при генерируемых низких напряжениях. Некоторые из этих потерь можно уменьшить, используя ртуть или другой легко разжижаемый металл или сплав ( галлий , NaK ) в качестве «щетки», чтобы обеспечить практически непрерывный электрический контакт.

Недавно предложенная модификация заключается в использовании плазменного контакта, обеспечиваемого стримером с отрицательным сопротивлением, неоновым касающимся края диска или барабана, с использованием специального углерода с низкой работой выхода в вертикальных полосах. Преимуществом этого будет очень низкое сопротивление в диапазоне токов, возможно, до тысяч ампер без контакта с жидким металлом. ^{[ нужна ссылка ]}

Если магнитное поле создается постоянным магнитом , генератор работает независимо от того, закреплен магнит на статоре или вращается вместе с диском. До открытия электрона и закона силы Лоренца это явление было необъяснимым и было известно как парадокс Фарадея .

Генератор барабанного типа

Униполярный генератор барабанного типа имеет магнитное поле (B), которое распространяется радиально от центра барабана и индуцирует напряжение (V) по длине барабана.Проводящий барабан, вращающийся сверху в поле магнита типа «громкоговоритель», у которого один полюс находится в центре барабана, а другой полюс окружает барабан, может использовать проводящие шарикоподшипники сверху и снизу барабана для улавливания. генерируемый ток.

Астрофизические униполярные индукторы

Униполярные индукторы встречаются в астрофизике, где проводник вращается посредством магнитного поля, например, при движении высокопроводящей плазмы космического тела в ионосфере через его магнитное поле . В своей книге « Космическая электродинамика » Ханнес Альфвин и Карл-Гунне Фельтхаммар пишут:

«Поскольку космические облака ионизированного газа обычно намагничены, их движение создает индуцированные электрические поля [...] Например, движение намагниченной межпланетной плазмы создает электрические поля, которые необходимы для возникновения полярных сияний и магнитных бурь» [..]

«...вращение проводника в магнитном поле создает электрическое поле в покоящейся системе. Это явление хорошо известно из лабораторных экспериментов и обычно называется «гомополярной» или «униполярной» индукцией. ^[7]

Униполярные индукторы были связаны с полярными сияниями на Уране . ^[8] двойные звезды , ^[9]^[10] черные дыры , ^[11]^[12]^[13] галактики , ^[14] система Юпитер Ио , ^[15]^[16] Луна , ^[17]^[18] солнечный ветер, ^[19] солнечные пятна , ^[20]^[21] и в магнитном хвосте Венеры . ^[22]

Физика

Как и все динамо-машины , диск Фарадея преобразует кинетическую энергию в электрическую . Эту машину можно проанализировать, используя Фарадея собственный закон электромагнитной индукции . Этот закон в его современной форме гласит, что полная производная магнитного потока в замкнутой цепи индуцирует электродвижущую силу в цепи, которая, в свою очередь, вызывает электрический ток. Поверхностный интеграл , определяющий магнитный поток, можно переписать как линейный интеграл по контуру. Хотя подынтегральное выражение линейного интеграла не зависит от времени, поскольку диск Фарадея, который образует часть границы линейного интеграла, движется, полная производная не равна нулю и возвращает правильное значение для расчета электродвижущей силы. ^[23]^[24] В качестве альтернативы диск можно превратить в проводящее кольцо по окружности диска с помощью одной металлической спицы, соединяющей кольцо с осью. ^[25]

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 векторному произведению его скорости и вектора магнитного потока . С геометрической точки зрения это означает, что сила действует под прямым углом как к скорости (азимутально), так и к магнитному потоку (осевой), который, следовательно, находится в радиальном направлении. Радиальное движение электронов в диске приводит к разделению зарядов между центром диска и его краем, и если цепь замыкается, возникает электрический ток. ^[26]

См. также

Ссылки

^ Лости, HHW и Льюис, DL (1973) Гомополярные машины. Философские труды для Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки. 275 (1248), 69-75
^ Валоне, Томас (ноябрь 1994 г.). Справочник по гомополярям, стр. 1 . ISBN 9780964107014 .
^ Никола Тесла, « Заметки об униполярном динамо ». Инженер-электрик, Нью-Йорк, 2 сентября 1891 г. (Также доступно на сайте tesla.hu, статья 18910902. Архивировано 17 мая 2011 г. на Wayback Machine ).
^ Дж. В. Блейми, П. О. Карден, Л. Хиббард, Э. К. Иналл, Р. А. Маршалл и сэр Марк Олифант, «Большой униполярный генератор в Канберре: первоначальные испытания», Nature, 195 (1962), стр. 113–114.
^ Томас Валоне, «Справочник по гомополярности» , Институт исследования целостности, 1994, стр. 45
^ [1]
^ Ханнес Альфвен и Карл-Гунне Фельтхаммар, Космическая электродинамика (1963), 2-е издание, Oxford University Press. См. сек. 1.3.1. Индуцированное электрическое поле в равномерно движущемся веществе.
^ Хилл, ТВ; Десслер, Эй Джей; Рассбах, Мэн, « Полярное сияние на Уране - механизм динамо-диска Фарадея » (1983) Planetary and Space Science (ISSN 0032-0633), vol. 31 октября 1983 г., с. 1187–1198 гг.
^ Ханнес Альфвен, « О происхождении космического излучения » Comptes Rendus, 204, стр. 1180–1181 (1937).
^ Хакала, Паси и др. , « Вращение RX J0806+15: самая короткая двойная система » (2003) Ежемесячное уведомление Королевского астрономического общества , том 343, выпуск 1, стр. L10–L14
^ Лавлейс, РВЭ " Модель динамо с двойными радиоисточниками "
^ Бернс, ML; Лавлейс, РВЕ, « Теория электрон-позитронных ливней в двойных радиоисточниках » (1982) Astrophysical Journal , Часть 1, том. 262, 1 ноября 1982 г., с. 87–99
^ Шацкий А.А., « Униполярная индукция намагниченного аккреционного диска вокруг черной дыры », (2003) Astronomy Letters , vol. 29, с. 153–157
^ Пер Карлквист, « Космические электрические токи и обобщенное соотношение Беннета » (1988) Астрофизика и космическая наука (ISSN 0004-640X), том. 144, нет. 1–2, май 1988 г., стр. 73–84.
^ Гольдрейх, П.; Линден-Белл, Д., « Ио, униполярный индуктор Юпитера » (1969) Astrophys. Дж. , вып. 156, стр. 59–78 (1969).
^ Стробель, Даррелл Ф.; и др. , « Космический телескоп Хаббла, спектрограф изображений космического телескопа Поиск атмосферы на Каллисто: униполярный индуктор Юпитера » (2002) The Astrophysical Journal , Volume 581, Issue 1, стр. L51–L54
^ «Сонетт, К.П.; Колберн, Д.С., « Создание лунного униполярного генератора и связанные с ним толчки и следы от солнечного ветра » (1967) Nature , т. 216, 340–343.
^ Шварц, К.; Сонетт, CP; Колберн, Д.С., « Униполярная индукция на Луне и механизм удара лунных конечностей » в журнале The Moon , Vol. 1, стр.7
^ Срнка, Л.Дж., « Ограниченная оболочкой униполярная индукция в солнечном ветре » (1975) Астрофизика и космическая наука», том. 36 августа 1975 г., стр. 177–204.
^ Ян, Хай-Шоу, « Теория солнечных вспышек в условиях свободного поля I. Униполярные солнечные пятна » Китайская астрономия и астрофизика , том 5, выпуск 1, стр. 77–83.
^ Ошерович, В.А.; Гарсия, Х.А., « Электрический ток в униполярном солнечном пятне с раскрученным полем » (1990) Geophysical Research Letters (ISSN 0094-8276), том. 17 ноября 1990 г., стр. 2273–2276.
^ Eroshenko, E. G., " Unipolar induction effects in the Venusian magnetic tail " (1979) Kosmicheskie Issledovaniia, vol. 17, Jan.–Feb. 1979, pp. 93–10
^ Джексон, Джон Дэвид (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Уайли. стр. 208–211 . ISBN 978-0471309321 .
^ Валоне, Томас (ноябрь 1994 г.). Справочник по гомополярности . Институт исследования честности. п. 7. ISBN 9780964107014 .
^ Кнопфель, Хайнц (11 июля 2008 г.). Магнитные поля: всеобъемлющий теоретический трактат для практического использования . Уайли. п. 324. ИСБН 9783527617425 .
^ Теория электромагнитного поля , 2-е изд. Бо Тиде , факультет физики и астрономии, Уппсальский университет , Швеция

Общие ссылки

Дон Ланкастер, « Разрушение гомополярных мифов ». Tech Musings, октябрь 1997 г. (PDF)
Дон Ланкастер, « Понимание диска Фарадея ». Tech Musings, октябрь 1997 г. (PDF)
Джон Дэвид Джексон, Классическая электродинамика , Уайли, 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 Дарригол, Электродинамика от Ампера до Эйнштейна , Oxford University Press, 2000, ISBN 0-19-850594-9
Тревор Офель и Джон Дженкин, (1996) Огонь в животе : первые 50 лет пионерской школы в АНУ Канберры: Исследовательская школа физических наук и инженерии, Австралийский национальный университет. ISBN 0-85800-048-2 . (PDF)
Томас Валоне, «Гомополярный справочник: полное руководство по диску Фарадея и N-машинным технологиям» . Вашингтон, округ Колумбия, США: Институт исследования честности, 2001 г. ISBN 0-964107-0-1-5

Дальнейшее чтение

Ричард А. Маршалл и Уильям Ф. Уэлдон, « Выбор параметров для униполярных генераторов, используемых в качестве накопителей импульсной энергии », Центр электромеханики, Техасский университет, Остин, июль 1980 г. (также опубликовано в: Electrical Machines and Electromechanics, 6:109). –127, 1981.)

Внешние ссылки

Ежемесячник Popular Science, Строительство униполярных динамо-машин , апрель 1916 г., стр. 624–626, Отсканированная статья доступна в Google Книгах: https://books.google.com/books?id=hCYDAAAAMBAJ&pg=PA624.
Роберт Хебнер, « Униполярный генератор ». Униполярная сварка, УТ-ЦЕМ.
« К2-64: Униполярный генератор ». Physics.umd.edu.
Ричард Э. Берг и Кэрролл О. Элли, « Униполярный генератор: демонстрация специальной теории относительности », физический факультет Университета Мэриленда, 2005 г. (PDF)
Ричард Фицпатрик, « Магнитогидродинамическая теория », Униполярный генератор . Farside.ph.utexas.edu, 16 февраля 2006 г.
« Униполярный генератор 5К10.80 ; Демонстрация лекций ». Physics.brown.edu
Уильям Дж. Бити, « Неопробованные эксперименты с униполярным генератором ». 1996.

[1] Лости, HHW и Льюис, DL (1973) Гомополярные машины. Философские труды для Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки. 275 (1248), 69-75

[2] Валоне, Томас (ноябрь 1994 г.). Справочник по гомополярям, стр. 1 . ISBN 9780964107014 .

[3] Никола Тесла, « Заметки об униполярном динамо ». Инженер-электрик, Нью-Йорк, 2 сентября 1891 г. (Также доступно на сайте tesla.hu, статья 18910902. Архивировано 17 мая 2011 г. на Wayback Machine ).

[4] Дж. В. Блейми, П. О. Карден, Л. Хиббард, Э. К. Иналл, Р. А. Маршалл и сэр Марк Олифант, «Большой униполярный генератор в Канберре: первоначальные испытания», Nature, 195 (1962), стр. 113–114.

[5] Томас Валоне, «Справочник по гомополярности» , Институт исследования целостности, 1994, стр. 45

[6] [1]

[7] Ханнес Альфвен и Карл-Гунне Фельтхаммар, Космическая электродинамика (1963), 2-е издание, Oxford University Press. См. сек. 1.3.1. Индуцированное электрическое поле в равномерно движущемся веществе.

[8] Хилл, ТВ; Десслер, Эй Джей; Рассбах, Мэн, « Полярное сияние на Уране - механизм динамо-диска Фарадея » (1983) Planetary and Space Science (ISSN 0032-0633), vol. 31 октября 1983 г., с. 1187–1198 гг.

[9] Ханнес Альфвен, « О происхождении космического излучения » Comptes Rendus, 204, стр. 1180–1181 (1937).

[10] Хакала, Паси и др. , « Вращение RX J0806+15: самая короткая двойная система » (2003) Ежемесячное уведомление Королевского астрономического общества , том 343, выпуск 1, стр. L10–L14

[11] Лавлейс, РВЭ " Модель динамо с двойными радиоисточниками "

[12] Бернс, ML; Лавлейс, РВЕ, « Теория электрон-позитронных ливней в двойных радиоисточниках » (1982) Astrophysical Journal , Часть 1, том. 262, 1 ноября 1982 г., с. 87–99

[13] Шацкий А.А., « Униполярная индукция намагниченного аккреционного диска вокруг черной дыры », (2003) Astronomy Letters , vol. 29, с. 153–157

[14] Пер Карлквист, « Космические электрические токи и обобщенное соотношение Беннета » (1988) Астрофизика и космическая наука (ISSN 0004-640X), том. 144, нет. 1–2, май 1988 г., стр. 73–84.

[15] Гольдрейх, П.; Линден-Белл, Д., « Ио, униполярный индуктор Юпитера » (1969) Astrophys. Дж. , вып. 156, стр. 59–78 (1969).

[16] Стробель, Даррелл Ф.; и др. , « Космический телескоп Хаббла, спектрограф изображений космического телескопа Поиск атмосферы на Каллисто: униполярный индуктор Юпитера » (2002) The Astrophysical Journal , Volume 581, Issue 1, стр. L51–L54

[17] «Сонетт, К.П.; Колберн, Д.С., « Создание лунного униполярного генератора и связанные с ним толчки и следы от солнечного ветра » (1967) Nature , т. 216, 340–343.

[18] Шварц, К.; Сонетт, CP; Колберн, Д.С., « Униполярная индукция на Луне и механизм удара лунных конечностей » в журнале The Moon , Vol. 1, стр.7

[19] Срнка, Л.Дж., « Ограниченная оболочкой униполярная индукция в солнечном ветре » (1975) Астрофизика и космическая наука», том. 36 августа 1975 г., стр. 177–204.

[20] Ян, Хай-Шоу, « Теория солнечных вспышек в условиях свободного поля I. Униполярные солнечные пятна » Китайская астрономия и астрофизика , том 5, выпуск 1, стр. 77–83.

[21] Ошерович, В.А.; Гарсия, Х.А., « Электрический ток в униполярном солнечном пятне с раскрученным полем » (1990) Geophysical Research Letters (ISSN 0094-8276), том. 17 ноября 1990 г., стр. 2273–2276.

[22] Eroshenko, E. G., " Unipolar induction effects in the Venusian magnetic tail " (1979) Kosmicheskie Issledovaniia, vol. 17, Jan.–Feb. 1979, pp. 93–10

[23] Джексон, Джон Дэвид (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Уайли. стр. 208–211 . ISBN 978-0471309321 .

[24] Валоне, Томас (ноябрь 1994 г.). Справочник по гомополярности . Институт исследования честности. п. 7. ISBN 9780964107014 .

[25] Кнопфель, Хайнц (11 июля 2008 г.). Магнитные поля: всеобъемлющий теоретический трактат для практического использования . Уайли. п. 324. ИСБН 9783527617425 .

[26] Теория электромагнитного поля , 2-е изд. Бо Тиде , факультет физики и астрономии, Уппсальский университет , Швеция

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

v т и Майкл Фарадей
Физика	Закон индукции Фарадея Эффект Фарадея Клетка Фарадея постоянная Фарадея Лошадь Кубок Фарадея Законы электролиза Фарадея Парадокс Фарадея ротатор Фарадея Эффект эффективности Фарадея Волна Фарадея Эксперимент Фарадея с ведром для льда Эффективность Фарадея Электрохимия диск Фарадея Силовая линия
Лекции	Рождественские лекции Королевского института Химическая история свечи
Связанный	Мемориал Майкла Фарадея Здание Фарадея Здание Фарадея (Манчестер) Фарадей (кратер) Фарадей Будущее Медаль Фарадея ИЭПП Премия Лондонского королевского общества Майкла Фарадея Медаль и премия Института физики Майкла Фарадея Медаль Фарадея (электрохимия) Премия Фарадея за лекции
Категория:Майкл Фарадей