Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с диска Фарадея )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Диск Фарадея, первый униполярный генератор

Гомеополярная генератор представляет собой DC электрический генератор , содержащий электропроводящий диск или цилиндр , вращающийся в плоскости , перпендикулярной к магнитному полю однородных статическим. 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 , дисковая динамо-машина или 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 генерировать огромный электрический ток, иногда более миллиона ампер , потому что униполярный генератор может иметь очень низкое 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 [ править ]

Диск Фарадея

Первый униполярный генератор был разработан Майклом Фарадеем во время его экспериментов в 1831 году. Его часто называют диском Фарадея или колесом Фарадея в его честь. Это было начало современных динамо-машин, то есть электрических генераторов, работающих с использованием магнитного поля . Это было очень неэффективно и не использовалось в качестве практического источника энергии, но оно показало возможность генерирования электроэнергии с использованием магнетизма и проложило путь для коммутируемых динамо-машин постоянного тока, а затем и генераторов переменного тока .

Диск Фарадея был в первую очередь 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 областей, где может возникнуть противоток.

Разработка униполярного генератора [ править ]

Остатки генератора АНУ 500 МДж

Спустя много времени после того, как оригинальный диск Фарадея был оставлен как практический генератор, была разработана модифицированная версия, сочетающая магнит и диск в одной вращающейся части ( роторе ). Иногда для этой конфигурации зарезервировано название униполярный генератор . 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. Бэтчелору отдельно. Никола Тесла интересовался диском Фарадея и проводил работы с униполярными генераторами [3] и в конечном итоге запатентовал улучшенную версию устройства вПатент США 406968 . В патенте Теслы «Динамо-электрическая машина» описывается расположение двух параллельных дисков с отдельными параллельными валами, соединенныхметаллическим ремнем, как шкивы . У каждого диска было поле, противоположное другому, так что ток проходил от одного вала к краю диска, через ремень к другому краю диска и ко второму валу. Это могло бы значительно снизить потери на трение, вызванные скользящими контактами, позволяя обоим электрическим датчикам взаимодействовать с валами двух дисков, а не с валом и высокоскоростным ободом. Позже патенты были присуждены CP Steinmetz и E. Thomson за их работу с униполярными генераторами. Forbes динамо, разработанный шотландским инженером-электриком Джорджем Форбсом , широко использовался в начале 20 века. Большая часть разработок униполярных генераторов была запатентована JE Noeggerath и R. Eickemeyer .

Униполярные генераторы пережили ренессанс в 1950-х годах как источники импульсного накопления энергии. В этих устройствах в качестве маховика использовались тяжелые диски для хранения механической энергии, которую можно было быстро передать в экспериментальную установку. Одним из первых примеров такого рода устройства был построен сэр Марк Олифант в научной школы физических наук и инженерии , Австралийского национального университета . Он хранил до 500 мегаджоулей энергии [4] и использовался в качестве чрезвычайно сильноточного источника для синхротронных экспериментов с 1962 года до тех пор, пока его не разобрали в 1986 году. Конструкция Олифанта была способна обеспечивать токи до 2 мегампера. (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 рельсотрона до линейных двигателей (для космических запусков) и различных конструкций оружия. Введены промышленные образцы мощностью 10 МДж для различных ролей, в том числе для электросварки. [5]

Описание и работа [ править ]

Генератор дискового типа [ править ]

Базовый генератор дисков Фарадея

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

В отличие от генераторов других типов, выходное напряжение никогда не меняет полярность. Разделение зарядов является результатом действия силы Лоренца на свободные заряды в диске. Движение азимутальное, а поле аксиальное, 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 сжижаемый металл или сплав ( галлий , NaK ) в качестве «щетки», чтобы обеспечить практически непрерывный электрический контакт.

Недавно предложенная модификация заключается в использовании плазменного контакта, обеспечиваемого неоновым стримером отрицательного сопротивления, касающегося края диска или барабана, с использованием специального 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. [ необходима цитата ]

Если магнитное поле создается постоянным магнитом , генератор работает независимо от того, закреплен ли 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 .

Барабанный генератор [ править ]

Униполярный генератор барабанного типа имеет магнитное поле (B), которое излучается радиально от центра барабана и индуцирует напряжение (V) по длине барабана. Проводящий барабан вращается сверху в поле магнита типа «громкоговоритель», у которого один полюс находится в центре барабана, а другой полюс, окружающий барабан, может использовать проводящие шарикоподшипники в верхней и нижней части барабана для захвата генерируемый ток.

Астрофизические униполярные индукторы [ править ]

Униполярные индукторы встречаются в астрофизике, где проводник вращается через магнитное поле, например, движение высокопроводящей плазмы в ионосфере космического тела через его магнитное поле . В своей книге, космическая электродинамика , Альфвнах и Карл Ганна Фолтаммара пишет:

«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 Уране , [7] двойными звездами , [8] [9] черными дырами , [10] [11] [12] галактиками , [13] системой Юпитера Ио , [14] [15 ] ] Луна , [16] [17] солнечный ветер, [18] пятно , [19] [20] и в венерианский магнитном хвосте . [21]

Физика [ править ]

Как и все динамо-машины , диск Фарадея преобразует кинетическую энергию в электрическую . Эту машину можно проанализировать, используя собственный закон электромагнитной индукции Фарадея . Этот закон в его современной форме гласит, что постоянная производная магнитного потока через замкнутую цепь индуцирует электродвижущую силу в цепи, которая, в свою очередь, вызывает электрический ток. Интегральная поверхность , которая определяет магнитный поток может быть переписана в виде интеграла линиивокруг 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 расчета 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]

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 перекрестному произведению его скорости и вектора магнитного потока . С геометрической точки зрения это означает, что сила находится 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, возникает электрический ток. [25]

См. Также [ править ]

  • Колесо барлоу
  • Электрический генератор
  • Электродвигатель
  • Униполярный двигатель
  • Парадокс Фарадея
  • Закон индукции Фарадея

Ссылки [ править ]

  1. ^ Losty, HHW & Льюис, DL (1973) Униполярные машины. Философские труды для Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки. 275 (1248), 69-75
  2. ^ Valone, Томас (ноябрь 1994). Униполярный справочник, стр. 1 . ISBN 9780964107014.
  3. ^ Никола Тесла, « Заметки об униполярном динамо ». Инженерэлектрик, НьюЙорк, сентябрь 2, 1891. (Также доступно в tesla.hu, Статья 18910902 архивации 2011-05-17 в Wayback Machine )
  4. ^ JW Blamey, PO Карден, LU Hibbard, Е. К. Inall, Р. Маршалл и сэр Марк Олифант, 'Большой униполярный генератор в Канберре: начальные испытания', Nature, 195 (1962), стр 113-114..
  5. ^ Томас Валоне, "Униполярный справочник" , Исследовательский институт целостности, 1994, стр. 45
  6. ^ Альфвен и Карл Ганн Фолтаммара, космическая электродинамика (1963) 2е издание, издательство Oxford University Press. См. Разд. 1.3.1. Индуцированное электрическое поле в равномерно движущемся веществе.
  7. ^ Хилл, TW; Десслер, AJ; Рассбах, М. Е., " Аврора на Уране - динамо-механизм диска Фарадея " (1983) Планетарная и космическая наука (ISSN 0032-0633), том. 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 др. , « Раскрутка RX J0806 + 15: двоичная система с самым коротким периодом » (2003 г.) Ежемесячное уведомление Королевского астрономического общества , том 343, выпуск 1, стр. L10 – L14
  10. ^ Лавлейс, RVE " Динамо-модель двойных радиоисточников "
  11. ^ Бернс, ML; Лавлейс, RVE, " Теория электрон-позитронных ливней в двойных радиоисточниках " (1982) Astrophysical Journal , Part 1, vol. 262, 1 ноября 1982 г., стр. 87–99
  12. ^ Шацкий, А.А., " Униполярная индукция намагниченного аккреционного диска вокруг черной дыры ", (2003) Astronomy Letters , vol. 29, стр. 153–157
  13. ^ 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.
  14. ^ Goldreich, P .; Линден-Белл, Д., « Ио, юпитерианский униполярный индуктор » (1969) Astrophys. J. , т. 156. С. 59–78 (1969).
  15. ^ Strobel, Даррелл Ф .; и другие. , " Космический телескоп Хаббла. Спектрограф изображения космического телескопа Поиск атмосферы на Каллисто: Юпитерианский униполярный индуктор " (2002) Астрофизический журнал , Том 581, Выпуск 1, стр. L51 – L54
  16. ^ "Сонетт, С.П.; Колберн, Д.С.," Создание лунного униполярного генератора и связанные с ним толчки и следы солнечного ветра "(1967) Nature , vol. 216, 340–343.
  17. ^ Шварц, К .; Sonett, CP; Колберн, Д.С., « Униполярная индукция на Луне и ударный механизм лунных конечностей » в The Moon , Vol. 1, стр.7
  18. ^ Srnka, LJ, " Униполярная индукция, ограниченная оболочкой в ​​солнечном ветре " (1975) Astrophysics and Space Science ', vol. 36, август 1975 г., стр. 177–204.
  19. ^ Ян, Хай-Шоу, " Теория бессилового поля солнечных вспышек I. Униполярные солнечные пятна " Китайская астрономия и астрофизика , том 5, выпуск 1, стр. 77–83.
  20. ^ Ошерович, VA; Гарсия, HA, " Электрический ток в униполярном пятне с раскрученным полем " (1990) Geophysical Research Letters (ISSN 0094-8276), т. 17, ноябрь 1990 г., стр. 2273–2276.
  21. ^ Ерошенко, EG, « Униполярные индукционные эффекты в венерианской магнитный хвост » (1979) Космич исслед, т. 17 января - фев. 1979, стр. 93–10.
  22. ^ Джексон, Джон Дэвид (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Вайли. стр.  208 -211. ISBN 978-0471309321.
  23. ^ Valone, Томас (ноябрь 1994). Униполярный справочник . Научно-исследовательский институт добросовестности. п. 7. ISBN 9780964107014.
  24. ^ Knoepfel, Heinz (11 июля 2008). Магнитные поля: всеобъемлющий теоретический трактат для практического использования . Вайли. п. 324. ISBN 9783527617425.
  25. ^ Теория электромагнитного поля , 2-е изд. по Бо Тайд , факультет физики и астрономии Университета Упсалы , Швеция

Общие ссылки [ править ]

  • 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 между наукой и технологией», Annals of Science, том 38, стр. 155–189 (1981).
  • Оливье Дарриголь, Электродинамика от Ампера до Эйнштейна , Oxford University Press, 2000, ISBN 0-19-850594-9 
  • Тревор Офел и Джон Дженкин, (1996) Пожар в животе  : первые 50 лет пионерской школы в ANU Канберра: Исследовательская школа физических наук и инженерии Австралийского национального университета. ISBN 0-85800-048-2 . (PDF) 
  • Томас Валоне, Униполярный справочник: полное руководство по дискам Фарадея и N-машинам . Вашингтон, округ Колумбия, США: Исследовательский институт честности, 2001. ISBN 0-964107-0-1-5 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Ричард А. Маршалл и Уильям Ф. Велдон, « Выбор параметров для униполярных генераторов, используемых в качестве накопителей импульсной энергии », Центр электромеханики, Техасский университет, Остин, июль 1980 г. (также опубликовано в: «Электрические машины и электромеханика», 6: 109 –127, 1981.)

Внешние ссылки [ править ]

  • Popular Science Monthly, Construction of Unipolar Dynamos , April 1916, pp. 624–626, Отсканированная статья доступна в Google Книгах: https://books.google.com/books?id=hCYDAAAAMBAJ&pg=PA624
  • Роберт Хебнер, « Униполярный генератор ». Униполярная сварка, UT-CEM.
  • « К2-64: Генератор униполярный ». Physics.umd.edu.
  • Ричард Э. Берг и Кэрролл О. Элли, « Униполярный генератор: демонстрация специальной теории относительности », факультет физики Мэрилендского университета, 2005 г. (PDF)
  • Ричард Фитцпатрик, " Магнитогидродинамическая теория ", Униполярный генератор . farside.ph.utexas.edu, 16 февраля 2006 г.
  • " Униполярный генератор 5К10.80 ; Лекционные демонстрации. ". Physics.brown.edu
  • Уильям Дж. Бити, « Непроверенные эксперименты с униполярным генератором ». 1996 г.