Tek kutuplu bir jeneratör, bir düzlemde dönen elektriksel olarak iletken bir disk veya silindir içeren bir doğru akım elektrik mekanizmasıdır. Diskin merkezi ile çember (veya silindirin uçları) arasında, dönme yönüne ve alanın yönüne bağlı olan elektrik polaritesi ile farklı güç potansiyellerine sahiptir.
Tek kutuplu Faraday osilatörü olarak da bilinir. Küçük gösteri modellerinde voltaj genellikle birkaç volt mertebesinde düşüktür, ancak büyük araştırma makineleri yüzlerce volt üretebilir ve bazı sistemler daha da yüksek voltajlar için çoklu seri osilatörlere sahiptir. Tek kutuplu bir jeneratörün mutlaka yüksek bir iç dirence sahip olması gerekmediğinden, bir milyon amperi aşabilen bir elektrik akımı üretebilmeleri bakımından olağandışıdırlar.
İcat Hikayesi
İlk homopolar mekanizma, Michael Faraday tarafından 1831'deki deneyleri sırasında geliştirildi. Genellikle ondan sonra bir Faraday diski veya tekerleği olarak anılır. Bu, modern dinamoların başlangıcıydı.makineler, yani manyetik alan üzerinde çalışan elektrik jeneratörleri. Çok verimsizdi ve pratik bir güç kaynağı olarak kullanılmadı, ancak manyetizma kullanarak elektrik üretme olasılığını gösterdi ve anahtarlamalı DC dinamolar ve ardından alternatörlerin yolunu açtı.
İlk jeneratörün dezavantajları
Faraday'ın diski, yaklaşan akım nedeniyle öncelikle verimsizdi. Tek kutuplu bir jeneratörün çalışma prensibi, sadece örneği ile açıklanacaktır. Akım akışı doğrudan mıknatısın altında indüklenirken, akım ters yönde dolaştı. Geri akış, alıcı kabloların çıkış gücünü sınırlar ve bakır diskin gereksiz ısınmasına neden olur. Daha sonraki homopolar jeneratörler, diskin çevresi etrafında sabit bir alan sağlamak ve geri akışın meydana gelebileceği alanları ortadan kaldırmak için diskin çevresine yerleştirilmiş bir dizi mıknatısla bu sorunu çözebilir.
Gelişmiş gelişmeler
Orijinal Faraday diski pratik bir jeneratör olarak gözden düştükten kısa bir süre sonra, mıknatıs ve diski tek bir dönen parçada (rotor) birleştiren değiştirilmiş bir versiyon geliştirildi, ancak darbeli tek kutuplu jeneratör fikri bunun için ayrıldı. yapılandırma. Jenerik tek kutuplu mekanizmalar için en eski patentlerden biri A. F. Delafield, ABD Patenti 278,516 tarafından elde edilmiştir.
Önemli zihinlerin araştırılması
Diğer erken etkili tek kutuplu patentlerjeneratörler ayrı ayrı S. Z. De Ferranti ve S. Batchelor'a verildi. Nikola Tesla, Faraday diskiyle ilgilendi ve homopolar mekanizmalarla çalıştı ve sonunda 406,968 numaralı ABD Patentinde cihazın geliştirilmiş bir versiyonunun patentini aldı.
Tesla'nın "Dinamo Elektrik Makinesi" patenti (Tesla'nın tek kutuplu jeneratörü), metal bir kayışla kasnaklar gibi birbirine bağlanan ayrı paralel şaftlara sahip iki paralel diskin bir düzenlemesini tanımlar. Her diskin diğerinin karşısında bir alanı vardı, böylece akım bir milden diskin kenarına, kayıştan diğer kenara ve ikinci mile geçti. Bu, kayan kontakların neden olduğu sürtünme kayıplarını büyük ölçüde az altacak ve her iki elektrik sensörünün de mil ve yüksek hızlı jant yerine iki diskin milleri ile etkileşime girmesine izin verecektir.
Daha sonra patentler, yüksek voltajlı tek kutuplu jeneratörler üzerindeki çalışmaları nedeniyle S. P. Steinmetz ve E. Thomson'a verildi. İskoç elektrik mühendisi George Forbes tarafından tasarlanan Forbes Dinamo, 20. yüzyılın başlarında yaygın olarak kullanıldı. Homopolar mekanizmalarda yapılan geliştirmelerin çoğu J. E. Noeggerath ve R. Eickemeyer.
50'ler
Homopolar jeneratörler, 1950'lerde darbeli enerji depolama kaynağı olarak bir rönesans yaşadı. Bu cihazlar, deney düzeneğine hızla boş altılabilen mekanik enerjiyi depolamak için bir volan biçimi olarak ağır diskleri kullandı.
Bu tür bir cihazın ilk örneği, Araştırma Okulu'nda Sir Mark Oliphant tarafından oluşturuldu. Avustralya Ulusal Üniversitesi'nden Fizik Bilimleri ve Mühendislik. 500 megajoule kadar enerji depoladı ve 1962'den 1986'da sökülene kadar senkrotron deneyleri için ultra yüksek akım kaynağı olarak kullanıldı. Oliphant'ın tasarımı 2 megaampere (MA) kadar akım verebiliyordu.
Parker Kinetic Designs tarafından geliştirildi
Bunun gibi daha büyük cihazlar bile Austin'deki Parker Kinetic Designs (eski adıyla OIME Araştırma ve Geliştirme) tarafından tasarlanmış ve üretilmiştir. Demiryolu tabancalarına güç vermekten lineer motorlara (uzay fırlatmaları için) ve çeşitli silah tasarımlarına kadar çeşitli amaçlar için cihazlar ürettiler. Elektrik kaynağı dahil olmak üzere çeşitli görevler için 10 MJ endüstriyel tasarım tanıtıldı.
Bu cihazlar, biri eksene yakın, diğeri çevreye yakın elektrik kontağı olan bir manyetik alanda dönen iletken bir volandan oluşuyordu. Kaynak, elektroliz ve raylı tüfek araştırmaları gibi alanlarda düşük voltajlarda çok yüksek akımlar üretmek için kullanılmıştır. Darbeli enerji uygulamalarında, rotorun açısal momentumu, enerjiyi uzun süre depolamak ve ardından kısa sürede serbest bırakmak için kullanılır.
Diğer komütasyonlu tek kutuplu jeneratör türlerinin aksine, çıkış voltajı asla kutupları tersine çevirmez. Yüklerin ayrılması, Lorentz kuvvetinin diskteki serbest yükler üzerindeki etkisinin sonucudur. Hareket azimuttur ve alan ekseneldir, yanielektromotor kuvvet radyaldir.
Elektrik kontakları genellikle bir "fırça" veya kayma halkası aracılığıyla yapılır, bu da üretilen düşük voltajlarda yüksek kayıplara neden olur. Bu kayıpların bazıları, neredeyse sürekli elektrik teması sağlamak için cıva veya kolayca sıvılaştırılabilen başka bir metal veya alaşımın (galyum, NaK) bir "fırça" olarak kullanılmasıyla az altılabilir.
Değiştirme
Yakın zamanda önerilen bir değişiklik, dikey şeritlerde özel düşük çalışma fonksiyonlu karbon kullanılarak diskin veya tamburun kenarına temas eden negatif dirençli neon flama ile donatılmış bir plazma kontağı kullanmak olmuştur. Bu, sıvı metal ile temas olmaksızın, akım aralığında muhtemelen binlerce ampere kadar çok düşük direnç avantajına sahip olacaktır.
Manyetik alan kalıcı bir mıknatıs tarafından yaratılıyorsa, jeneratör, mıknatısın statora bağlı olup olmadığına veya diskle dönmesine bakılmaksızın çalışır. Elektronun ve Lorentz'in kuvvet yasasının keşfinden önce, bu fenomen açıklanamazdı ve Faraday paradoksu olarak biliniyordu.
Davul Tipi
Tambur tipi bir homopolar jeneratörün, tamburun merkezinden radyal olarak yayılan ve tüm uzunluğu boyunca bir voltaj (V) indükleyen bir manyetik alanı (V) vardır. Bir kutbu merkezde ve diğeri onu çevreleyen "hoparlör" tipi bir mıknatıs bölgesinde yukarıdan dönen iletken bir tambur, tepesinde iletken bilyalı rulmanlar kullanabilir veüretilen akımı yakalamak için alt kısımlar.
Doğada
Tek kutuplu indüktörler, iletkenin bir manyetik alan boyunca döndüğü astrofizikte bulunur, örneğin, bir uzay gövdesinin iyonosferindeki yüksek iletkenliğe sahip bir plazma, manyetik alanı boyunca hareket ettiğinde.
Tek kutuplu indüktörler Uranüs aurora, ikili yıldızlar, kara delikler, galaksiler, Jüpiter'in ayı Io, Ay, güneş rüzgarı, güneş lekeleri ve Venüs'ün manyetik kuyruğu ile ilişkilendirilmiştir.
Mekanizma özellikleri
Yukarıda bahsedilen tüm uzay nesneleri gibi, Faraday diski de kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Bu makine, Faraday'ın kendi elektromanyetik indüksiyon yasası kullanılarak analiz edilebilir.
Modern biçimindeki bu yasa, kapalı bir devreden geçen manyetik akının sabit türevinin, devrede bir elektromotor kuvveti indüklediğini ve bunun da bir elektrik akımını harekete geçirdiğini belirtir.
Manyetik akıyı tanımlayan yüzey integrali, devre etrafında doğrusal olarak yeniden yazılabilir. Çizgi integralinin integrali zamana bağlı olmamasına rağmen, çizgi integralinin sınırının bir parçası olan Faraday diski hareket ettiğinden toplam zamanın türevi sıfır değildir ve elektromotor kuvveti hesaplamak için doğru değeri döndürür. Alternatif olarak, disk, halkayı aksa bağlayan tek bir metal kol ile çevresi etrafında iletken bir halkaya indirgenebilir.
Lorentz kuvvet kanunu çakmakmakinenin davranışını açıklamak için kullanılabilir. Faraday'ın ölümünden otuz yıl sonra formüle edilen bu yasa, bir elektron üzerindeki kuvvetin, hızının ve manyetik akı vektörünün çapraz çarpımı ile orantılı olduğunu belirtir.
Geometrik terimlerle bu, kuvvetin hem hıza (azimut) hem de manyetik akıya (eksenel) dik açılarda yönlendirildiği ve dolayısıyla radyal yönde olduğu anlamına gelir. Diskteki elektronların radyal hareketi, merkez ve çember arasında yüklerin ayrılmasına neden olur ve devre tamamlanırsa bir elektrik akımı üretilir.
Elektrik motoru
Tek kutuplu motor, iletkenleri her zaman tek yönlü manyetik akı çizgilerini kesen, iletkeni sabit bir eksen etrafında döndürerek statik manyetik alana dik açılarda olacak şekilde döndüren iki manyetik kutbu olan bir DC cihazıdır. Bir homopolar motora bir yönde sürekli olan ortaya çıkan EMF (elektromotor kuvveti), bir komütatör gerektirmez, ancak yine de kayma halkaları gerektirir. "Homopolar" adı, iletkenin elektriksel polaritesinin ve manyetik alanın kutuplarının değişmediğini (yani, anahtarlama gerektirmediğini) gösterir.
Tek kutuplu motor, üretilen ilk elektrik motoruydu. Eylemi, 1821'de Londra'daki Kraliyet Enstitüsünde Michael Faraday tarafından gösterildi.
Buluş
1821'de, Danimarkalı fizikçi ve kimyager Hans Christian Oersted'in keşfinden kısa bir süre sonraelektromanyetizma fenomeni, Humphry Davy ve İngiliz bilim adamı William Hyde Wollaston, bir elektrik motoru geliştirmeye çalıştı, ancak başarısız oldu. Humphrey tarafından şaka olarak tartışılan Faraday, "elektromanyetik rotasyon" dediği şeyi yaratmak için iki cihaz yaratmaya devam etti. Şimdi homopolar sürücü olarak bilinen bunlardan biri, sürekli bir dairesel hareket yarattı. Mıknatısın yerleştirildiği bir cıva havuzuna yerleştirilmiş bir telin etrafındaki dairesel bir manyetik kuvvetten kaynaklandı. Kimyasal bir pille çalıştırılsaydı, tel mıknatısın etrafında dönerdi.
Bu deneyler ve icatlar, modern elektromanyetik teknolojilerin temelini oluşturdu. Yakında Faraday sonuçları yayınladı. Bu, Faraday'ın başarılarını kıskanması nedeniyle Davy ile olan ilişkileri gerdi ve Faraday'ın başka şeylere yönelmesine neden oldu, bu da onun birkaç yıl boyunca elektromanyetik araştırmalara katılmasını engelledi.
B. G. Lamm, 1912'de 2000 kW, 260 V, 7700 A ve 1200 rpm gücünde, 67 m/s çevresel hızda çalışan 16 kayma halkasına sahip bir homopolar makine tanımladı. 1934 yılında inşa edilen 1125kW, 7.5V, 150.000A, 514rpm tek kutuplu jeneratör, boru kaynağı için bir Amerikan çelik fabrikasına kuruldu.
Aynı Lorentz yasası
Bu motorun çalışması, şok tek kutuplu jeneratörün çalışmasına benzer. Tek kutuplu motor Lorentz kuvveti tarafından tahrik edilir. İçinden akım geçen bir iletken, manyetik bir alana yerleştirildiğinde ve kendisine dik olduğunda, içinde bir kuvvet hisseder. Hem manyetik alana hem de akıma dik yön. Bu kuvvet, dönme ekseni etrafında bir dönüş momenti sağlar.
Sonuncusu manyetik alana paralel olduğundan ve karşıt manyetik alanlar polariteyi değiştirmediğinden, iletkeni döndürmeye devam etmek için anahtarlamaya gerek yoktur. Bu basitlik, tek dönüşlü tasarımlarla en kolay şekilde elde edilir ve homopolar motorları çoğu pratik uygulama için uygun değildir.
Çoğu elektromekanik makine gibi (Neggerath'ın tek kutuplu jeneratörü gibi), homopolar motor tersine çevrilebilir: iletken mekanik olarak döndürülürse, iletkenin iki terminali arasında bir DC voltajı oluşturarak bir homopolar jeneratör olarak çalışır.
Sabit akım, tasarımın homopolar doğasının bir sonucudur. Homopolar jeneratörler (HPG'ler) 20. yüzyılın sonlarında düşük voltajlı ancak çok yüksek akımlı doğru akım kaynakları olarak kapsamlı bir şekilde araştırıldı ve deneysel demiryolu tabancalarına güç sağlamada bir miktar başarı elde etti.
Bina
Tek kutuplu bir jeneratörü kendi ellerinizle yapmak oldukça basittir. Tek kutuplu motorun montajı da çok kolaydır. Kalıcı mıknatıs, iletkenin döneceği harici bir manyetik alan oluşturmak için kullanılır ve pil, akımın iletken tel boyunca akmasına neden olur.
Mıknatısın hareket etmesi ve hatta motorun geri kalanıyla temas etmesi gerekli değildir; tek amacı bir manyetik alan yaratmaktır.teldeki akımın neden olduğu benzer bir alanla etkileşime girer. Bir aküye bir mıknatıs takmak ve elektrik devresi tamamlandığında iletkenin hem pilin üstüne hem de pilin altına takılı mıknatısa dokunarak serbestçe dönmesine izin vermek mümkündür. Sürekli kullanım sırasında tel ve pil ısınabilir.
