Penjana unipolar ialah mekanisme elektrik arus terus yang mengandungi cakera atau silinder pengalir elektrik yang berputar dalam satah. Ia mempunyai potensi kuasa yang berbeza antara pusat cakera dan rim (atau hujung silinder) dengan kekutuban elektrik, yang bergantung pada arah putaran dan orientasi medan.
Ia juga dikenali sebagai pengayun Faraday unipolar. Voltan biasanya rendah, mengikut susunan beberapa volt dalam kes model demonstrasi kecil, tetapi mesin penyelidikan besar boleh menjana ratusan volt, dan sesetengah sistem mempunyai berbilang pengayun siri untuk voltan yang lebih tinggi. Ia adalah luar biasa kerana ia boleh menjana arus elektrik yang mampu melebihi satu juta ampere, kerana penjana unipolar tidak semestinya mempunyai rintangan dalaman yang tinggi.
Kisah Ciptaan
Mekanisme homopolar pertama telah dibangunkan oleh Michael Faraday semasa eksperimennya pada tahun 1831. Ia sering dirujuk sebagai cakera atau roda Faraday selepasnya. Ini adalah permulaan dinamo modenmesin, iaitu penjana elektrik yang beroperasi pada medan magnet. Ia sangat tidak cekap dan tidak digunakan sebagai sumber kuasa yang praktikal, tetapi menunjukkan kemungkinan menjana elektrik menggunakan kemagnetan dan membuka jalan kepada dinamo DC yang ditukar dan kemudian alternator.
Kelemahan penjana pertama
cakera Faraday terutamanya tidak cekap disebabkan oleh aliran arus yang akan datang. Prinsip operasi penjana unipolar akan diterangkan hanya dengan contohnya. Semasa aliran arus teraruh terus di bawah magnet, arus beredar dalam arah yang bertentangan. Aliran balik mengehadkan kuasa keluaran untuk wayar penerima dan menyebabkan pemanasan cakera kuprum yang tidak perlu. Penjana homopolar kemudiannya boleh menyelesaikan masalah ini dengan satu set magnet diletakkan di sekeliling perimeter cakera untuk mengekalkan medan tetap di sekeliling lilitan dan menghapuskan kawasan di mana aliran balik boleh berlaku.
Perkembangan selanjutnya
Sejurus selepas cakera Faraday asal didiskreditkan sebagai penjana praktikal, versi yang diubah suai telah dibangunkan dengan menggabungkan magnet dan cakera dalam satu bahagian berputar (pemutar), tetapi idea penjana unipolar impak telah dikhaskan untuk ini konfigurasi. Salah satu paten terawal untuk mekanisme unipolar generik diperolehi oleh A. F. Delafield, Paten A. S. 278,516.
Penyelidikan minda cemerlang
Paten unipolar kesan awal yang lainpenjana telah dianugerahkan secara berasingan kepada S. Z. De Ferranti dan S. Batchelor. Nikola Tesla berminat dengan cakera Faraday dan berfungsi dengan mekanisme homopolar, dan akhirnya mempatenkan versi peranti yang lebih baik dalam Paten AS 406,968.
Paten "Mesin Elektrik Dynamo" Tesla (penjana unipolar Tesla) menerangkan susunan dua cakera selari dengan aci selari berasingan yang disambungkan, seperti takal, oleh tali pinggang logam. Setiap cakera mempunyai medan yang bertentangan dengan yang lain, supaya aliran arus mengalir dari satu aci ke tepi cakera, melalui tali pinggang ke tepi yang lain, dan ke aci kedua. Ini akan mengurangkan kehilangan geseran yang disebabkan oleh sesentuh gelongsor, membolehkan kedua-dua penderia elektrik berinteraksi dengan aci kedua-dua cakera dan bukannya aci dan rim berkelajuan tinggi.
Paten kemudiannya telah diberikan kepada S. P. Steinmetz dan E. Thomson untuk kerja mereka pada penjana unipolar voltan tinggi. Dinamo Forbes, yang direka oleh jurutera elektrik Scotland George Forbes, digunakan secara meluas pada awal abad ke-20. Kebanyakan perkembangan yang dibuat dalam mekanisme homopolar telah dipatenkan oleh J. E. Noeggerath dan R. Eickemeyer.
50s
Penjana homopolar mengalami kebangkitan semula pada tahun 1950-an sebagai sumber simpanan tenaga berdenyut. Peranti ini menggunakan cakera berat sebagai bentuk roda tenaga untuk menyimpan tenaga mekanikal yang boleh dibuang dengan cepat ke dalam radas eksperimen.
Contoh awal peranti jenis ini telah dicipta oleh Sir Mark Oliphant di Sekolah PenyelidikanSains Fizikal dan Kejuruteraan daripada Universiti Kebangsaan Australia. Ia menyimpan sehingga 500 megajoule tenaga dan digunakan sebagai sumber arus ultra tinggi untuk eksperimen synchrotron dari tahun 1962 sehingga ia dibongkar pada tahun 1986. Reka bentuk Oliphant mampu menghantar arus sehingga 2 megaamperes (MA).
Dibangunkan oleh Parker Kinetic Designs
Peranti yang lebih besar seperti ini direka dan dibina oleh Parker Kinetic Designs (dahulunya OIME Research & Development) Austin. Mereka menghasilkan peranti untuk pelbagai tujuan, daripada menghidupkan pistol kereta api kepada motor linear (untuk pelancaran angkasa lepas) dan pelbagai reka bentuk senjata. 10 reka bentuk industri MJ telah diperkenalkan untuk pelbagai peranan termasuk kimpalan elektrik.
Peranti ini terdiri daripada roda tenaga pengalir, satu daripadanya berputar dalam medan magnet dengan satu sentuhan elektrik berhampiran paksi dan satu lagi berhampiran pinggir. Ia telah digunakan untuk menjana arus yang sangat tinggi pada voltan rendah dalam bidang seperti kimpalan, elektrolisis, dan penyelidikan railgun. Dalam aplikasi tenaga berdenyut, momentum sudut rotor digunakan untuk menyimpan tenaga untuk tempoh yang lama dan kemudian melepaskannya dalam masa yang singkat.
Tidak seperti jenis penjana unipolar terbalik yang lain, voltan keluaran tidak pernah membalikkan kekutuban. Pengasingan caj adalah hasil daripada tindakan daya Lorentz ke atas caj percuma dalam cakera. Gerakan adalah azimut dan medan adalah paksi, jadidaya gerak elektrik ialah jejari.
Sesentuh elektrik biasanya dibuat melalui "berus" atau gelang gelincir, mengakibatkan kehilangan yang tinggi pada voltan rendah yang dijana. Sebahagian daripada kehilangan ini boleh dikurangkan dengan menggunakan merkuri atau logam lain yang mudah dicairkan atau aloi (galium, NaK) sebagai "berus" untuk memberikan sentuhan elektrik yang hampir berterusan.
Pengubahsuaian
Pengubahsuaian yang dicadangkan baru-baru ini ialah menggunakan sesentuh plasma yang dipasang dengan penstrim neon rintangan negatif menyentuh tepi cakera atau dram menggunakan karbon fungsi kerja rendah khusus dalam jalur menegak. Ini akan mempunyai kelebihan rintangan yang sangat rendah dalam julat semasa, mungkin sehingga beribu-ribu amp, tanpa sentuhan dengan logam cecair.
Jika medan magnet dicipta oleh magnet kekal, penjana berfungsi tanpa mengira sama ada magnet disambungkan pada stator atau berputar dengan cakera. Sebelum penemuan elektron dan hukum daya Lorentz, fenomena ini tidak dapat dijelaskan dan dikenali sebagai paradoks Faraday.
Jenis Drum
Penjana homopolar jenis dram mempunyai medan magnet (V) yang memancar secara jejari dari pusat dram dan menginduksi voltan (V) sepanjang keseluruhan panjangnya. Dram konduktif berputar dari atas di kawasan magnet jenis "pembesar suara" dengan satu tiang di tengah dan satu lagi mengelilinginya, boleh menggunakan galas bebola konduktif di bahagian atasnya danbahagian bawah untuk menangkap arus yang dijana.
Di alam semula jadi
Aruh unipolar ditemui dalam astrofizik, di mana konduktor berputar melalui medan magnet, contohnya, apabila plasma konduktif tinggi dalam ionosfera badan angkasa bergerak melalui medan magnetnya.
Aruh unipolar telah dikaitkan dengan aurora Uranian, bintang binari, lubang hitam, galaksi, bulan Musytari Io, Bulan, angin suria, bintik matahari dan ekor magnet Venus.
Ciri mekanisme
Seperti semua objek angkasa yang disebutkan di atas, cakera Faraday menukar tenaga kinetik kepada tenaga elektrik. Mesin ini boleh dianalisis menggunakan hukum aruhan elektromagnet Faraday sendiri.
Undang-undang ini dalam bentuk modennya menyatakan bahawa terbitan tetap fluks magnet melalui litar tertutup mendorong daya gerak elektrik di dalamnya, yang seterusnya merangsang arus elektrik.
Kamiran permukaan yang mentakrifkan fluks magnet boleh ditulis semula sebagai satu linear di sekeliling litar. Walaupun kamiran dan kamiran garisan tidak bergantung pada masa, memandangkan cakera Faraday yang merupakan sebahagian daripada sempadan kamiran garisan bergerak, terbitan bagi jumlah masa bukanlah sifar dan mengembalikan nilai yang betul untuk mengira daya gerak elektrik. Sebagai alternatif, cakera boleh dikecilkan kepada gelang konduktif di sekeliling lilitannya dengan jejari logam tunggal yang menyambungkan gelang ke gandar.
Lorentz memaksa undang-undang lebih ringandigunakan untuk menerangkan kelakuan mesin. Undang-undang ini, yang dirumuskan tiga puluh tahun selepas kematian Faraday, menyatakan bahawa daya pada elektron adalah berkadar dengan hasil silang halajunya dan vektor fluks magnet.
Dalam istilah geometri, ini bermakna bahawa daya diarahkan pada sudut tepat kepada kedua-dua halaju (azimut) dan fluks magnet (paksi), yang oleh itu berada dalam arah jejari. Pergerakan jejari elektron dalam cakera menyebabkan pemisahan cas antara pusat dan rimnya, dan jika litar selesai, arus elektrik terhasil.
Motor elektrik
Motor unipolar ialah peranti DC dengan dua kutub magnet, yang konduktornya sentiasa melintasi garis fluks magnet satu arah, memutarkan konduktor di sekeliling paksi tetap supaya ia berada pada sudut tepat dengan medan magnet statik. EMF (daya gerak elektrik) yang terhasil, yang berterusan dalam satu arah, kepada motor homopolar tidak memerlukan komutator, tetapi masih memerlukan gelang gelincir. Nama "homopolar" menunjukkan bahawa kekutuban elektrik konduktor dan kutub medan magnet tidak berubah (iaitu, ia tidak memerlukan pensuisan).
Motor unipolar ialah motor elektrik pertama yang dibina. Tindakannya telah ditunjukkan oleh Michael Faraday pada tahun 1821 di Royal Institution di London.
Rekacipta
Pada tahun 1821, sejurus selepas ahli fizik dan kimia Denmark Hans Christian Oersted menemuifenomena elektromagnetisme, Humphry Davy dan saintis British William Hyde Wollaston mencuba, tetapi gagal, untuk membangunkan motor elektrik. Faraday, dipertikaikan sebagai jenaka oleh Humphrey, terus mencipta dua peranti untuk mencipta apa yang dipanggilnya "putaran elektromagnet". Salah satu daripadanya, kini dikenali sebagai pemacu homopolar, mencipta gerakan bulat berterusan. Ia disebabkan oleh daya magnet bulat di sekeliling wayar yang diletakkan di dalam kolam merkuri di mana magnet diletakkan. Wayar akan berputar mengelilingi magnet jika ia dikuasakan oleh bateri kimia.
Eksperimen dan ciptaan ini membentuk asas kepada teknologi elektromagnet moden. Tidak lama kemudian Faraday menerbitkan hasilnya. Ini merenggangkan hubungan dengan Davy kerana cemburunya terhadap pencapaian Faraday dan menyebabkan Faraday beralih kepada perkara lain, yang menyebabkan dia menghalangnya daripada menyertai penyelidikan elektromagnet selama beberapa tahun.
B. G. Lamm menerangkan pada tahun 1912 sebuah mesin homopolar dengan kuasa 2000 kW, 260 V, 7700 A dan 1200 rpm dengan 16 gelang gelincir beroperasi pada kelajuan persisian 67 m/s. Penjana unipolar 1125kW, 7.5V, 150,000A, 514rpm yang dibina pada tahun 1934 telah dipasang di kilang keluli Amerika untuk kimpalan paip.
Undang-undang Lorentz yang sama
Kendalian enjin ini adalah serupa dengan penjana unipolar kejutan. Motor unipolar digerakkan oleh daya Lorentz. Konduktor dengan arus yang mengalir melaluinya, apabila diletakkan dalam medan magnet dan berserenjang dengannya, merasakan daya dalamarah berserenjang dengan kedua-dua medan magnet dan arus. Daya ini memberikan momen pusingan di sekeliling paksi putaran.
Memandangkan yang kedua adalah selari dengan medan magnet, dan medan magnet yang bertentangan tidak mengubah kekutuban, penukaran tidak diperlukan untuk terus memutar konduktor. Kesederhanaan ini paling mudah dicapai dengan reka bentuk pusingan tunggal, menjadikan motor homopolar tidak sesuai untuk kebanyakan aplikasi praktikal.
Seperti kebanyakan mesin elektromekanikal (seperti penjana unipolar Neggerath), motor homopolar boleh diterbalikkan: jika konduktor diputar secara mekanikal, ia akan beroperasi sebagai penjana homopolar, menghasilkan voltan DC antara dua terminal konduktor.
Arus malar adalah akibat sifat homopolar reka bentuk. Penjana homopolar (HPG) telah diterokai secara meluas pada penghujung abad ke-20 sebagai sumber voltan rendah tetapi arus terus arus yang sangat tinggi, dan mencapai beberapa kejayaan dalam menggerakkan railgun eksperimen.
Bangunan
Membuat penjana unipolar dengan tangan anda sendiri agak mudah. Motor unipolar juga sangat mudah untuk dipasang. Magnet kekal digunakan untuk mencipta medan magnet luaran di mana konduktor akan berputar, dan bateri menyebabkan arus mengalir di sepanjang wayar konduktif.
Tidak perlu untuk magnet bergerak atau bersentuhan dengan seluruh motor; tujuannya hanya untuk mencipta medan magnet yang akanberinteraksi dengan medan serupa yang disebabkan oleh arus dalam wayar. Adalah mungkin untuk memasang magnet pada bateri dan membenarkan konduktor berputar dengan bebas apabila litar elektrik selesai, menyentuh kedua-dua bahagian atas bateri dan magnet yang dipasang pada bahagian bawah bateri. Wayar dan bateri mungkin menjadi panas semasa penggunaan berterusan.
