Бірполярлы генератор – жазықтықта айналатын электр өткізгіш дискі немесе цилиндрі бар тұрақты ток электр механизмі. Оның айналу бағыты мен өріс бағытына байланысты электрлік полярлығы бар дискінің ортасы мен жиегі (немесе цилиндрдің ұштары) арасында әртүрлі қуат потенциалдары бар.
Ол бірполярлы Фарадей осцилляторы ретінде де белгілі. Кішігірім демонстрациялық модельдерде кернеу әдетте төмен, бірақ үлкен зерттеу машиналары жүздеген вольтты генерациялай алады, ал кейбір жүйелерде одан да жоғары кернеулер үшін бірнеше сериялы осцилляторлар бар. Олар әдеттен тыс, олар миллион амперден асатын электр тогын шығара алады, өйткені бірполярлы генератордың ішкі кедергісі міндетті түрде жоғары болмайды.
Өнертабыс тарихы
Алғашқы гомополярлық механизмді Майкл Фарадей 1831 жылы тәжірибелері кезінде жасаған. Оны көбінесе Фарадей дискісі немесе оның дөңгелегі деп атайды. Бұл қазіргі динамолардың бастамасы болдымашиналар, яғни магнит өрісінде жұмыс істейтін электр генераторлары. Ол өте тиімсіз болды және практикалық қуат көзі ретінде пайдаланылмады, бірақ магнетизм арқылы электр энергиясын өндіру мүмкіндігін көрсетті және ауыспалы тұрақты ток динамоларына, содан кейін генераторларға жол ашты.
Бірінші генератордың кемшіліктері
Фарадей дискісі ең алдымен келе жатқан ток ағындарына байланысты тиімсіз болды. Бірполярлы генератордың жұмыс істеу принципі оның мысалымен сипатталады. Ток ағыны тікелей магнит астында индукцияланған кезде, ток қарама-қарсы бағытта айналды. Кері ағын қабылдау сымдарының шығыс қуатын шектейді және мыс дискінің қажетсіз қызуын тудырады. Кейінірек гомополярлы генераторлар бұл мәселені дискінің периметрі бойына орналастырылған магниттер жинағы арқылы шеңбердің айналасында тұрақты өрісті ұстап тұру және кері ағын пайда болуы мүмкін аймақтарды жою үшін шеше алады.
Әрі қарай әзірлемелер
Түпнұсқа Фарадей дискісі практикалық генератор ретінде беделін түсіргеннен кейін көп ұзамай магнит пен дискті бір айналмалы бөлікте (роторда) біріктіретін өзгертілген нұсқасы әзірленді, бірақ соғудың бірполярлы генераторы идеясының өзі осы үшін сақталған. конфигурация. Жалпы бірполярлы механизмдерге арналған ең ерте патенттердің бірін A. F. Delafield, АҚШ патенті 278,516 алған.
Көрнекті ақыл-ойларды зерттеу
Басқа ерте әсер ететін бірполярлы патенттергенераторлар С. З. Де Ферранти мен С. Батчелорға бөлек берілді. Никола Тесла Фарадей дискісіне қызығушылық танытты және гомополярлы механизмдермен жұмыс істеді және ақырында АҚШ патенті 406,968-де құрылғының жетілдірілген нұсқасын патенттеді.
Тесланың «Динамо электр машинасы» патенті (Тесланың бірполярлы генераторы) металл белдікпен шкивтер сияқты қосылған бөлек параллель біліктері бар екі параллель дискінің орналасуын сипаттайды. Әрбір дискіде екіншісіне қарама-қарсы өріс болды, сондықтан ток ағыны бір біліктен дискінің шетіне, таспа арқылы екінші шетіне және екінші білікке өтті. Бұл жылжымалы контактілерден болатын үйкеліс шығындарын айтарлықтай азайтып, екі электрлік сенсорға білік пен жоғары жылдамдықты шеңберден гөрі екі дискінің біліктерімен әрекеттесуіне мүмкіндік береді.
Кейіннен патенттер жоғары вольтты бірполярлы генераторлардағы жұмыстары үшін С. П. Штайнметц пен Э. Томсонға берілді. Шотландиялық инженер-электрик Джордж Форбс құрастырған Форбс Динамосы 20 ғасырдың басында кеңінен қолданылды. Гомополярлы механизмдерде жасалған әзірлемелердің көпшілігін Дж. Э. Ногджерат және Р. Эйккемейер.
50с
Гомополярлы генераторлар 1950 жылдары импульстік энергияны сақтау көзі ретінде ренессансты бастан өткерді. Бұл құрылғылар тәжірибелік құрылғыға тез төгілетін механикалық энергияны сақтау үшін ауыр дискілерді маховик ретінде пайдаланды.
Мұндай құрылғының алғашқы үлгісін зерттеу мектебінде сэр Марк Олифант жасаған. Австралия ұлттық университетінен физика ғылымдары және инженерия. Ол 500 мегаджоульге дейін энергияны жинады және 1962 жылдан бастап 1986 жылы бөлшектелгенге дейін синхротрондық тәжірибелер үшін өте жоғары ток көзі ретінде пайдаланылды. Oliphant дизайны 2 мегаамперге (MA) дейінгі токтарды жеткізе алатын болды.
Parker Kinetic Designs әзірлеген
Осындай үлкенірек құрылғыларды Остиндегі Parker Kinetic Designs (бұрынғы OIME Research & Development) компаниясы жобалаған және жасаған. Олар темір жол тапаншаларынан бастап желілік қозғалтқыштарға (ғарыш ұшыру үшін) және әртүрлі қару конструкцияларына дейін әртүрлі мақсаттарға арналған құрылғыларды шығарды. Әртүрлі рөлдерге, соның ішінде электр дәнекерлеуге арналған 10 MJ өнеркәсіптік үлгілері енгізілді.
Бұл құрылғылар өткізгіш маховиктен тұрды, олардың бірі магнит өрісінде бір электр контактісі оське жақын, екіншісі шеткері жақын жерде айналады. Олар дәнекерлеу, электролиз және рельсті зерттеу сияқты салаларда төмен кернеулерде өте жоғары токтарды генерациялау үшін пайдаланылды. Импульстік энергияны қолдануда ротордың бұрыштық импульсі энергияны ұзақ уақыт сақтауға, содан кейін оны қысқа мерзімде босатуға пайдаланылады.
Коммутацияланған бірполярлы генераторлардың басқа түрлерінен айырмашылығы, шығыс кернеуі ешқашан полярлықты өзгертпейді. Зарядтардың бөлінуі дискідегі бос зарядтарға Лоренц күшінің әсер етуінің нәтижесі болып табылады. Қозғалыс азимутальды, ал өріс осьтік, сондықтанэлектр қозғаушы күш радиалды.
Электр контактілері әдетте «щетка» немесе сырғанау сақинасы арқылы жасалады, нәтижесінде түзілетін төмен кернеулерде жоғары шығындар болады. Бұл жоғалтулардың кейбірін сынапты немесе басқа оңай сұйылтылған металды немесе қорытпаны (галлий, NaK) "щетка" ретінде пайдалану арқылы азайтуға болады.
Модификация
Жақында ұсынылған модификация тік жолақтарда арнайы төмен жұмыс функциясы бар көміртекті пайдалана отырып, дискінің немесе барабанның шетіне тиетін теріс қарсылық неон ағынымен жабдықталған плазмалық контактіні пайдалану болды. Бұл сұйық металмен байланыссыз ток диапазонында, мүмкін мыңдаған амперге дейін өте төмен қарсылықтың артықшылығына ие болады.
Егер магнит өрісі тұрақты магнит арқылы жасалса, генератор магниттің статорға бекітілгеніне немесе дискімен бірге айналуына қарамастан жұмыс істейді. Электрон және Лоренц күш заңы ашылғанға дейін бұл құбылыс түсініксіз болды және Фарадей парадоксы ретінде белгілі болды.
Барабан түрі
Барабан түріндегі гомополярлы генераторда барабанның ортасынан радиалды түрде таралатын және бүкіл ұзындығы бойынша кернеуді (V) индукциялайтын магнит өрісі (V) болады. Бір полюсі ортасында, екіншісі оны қоршап тұрған «дауыс зорайтқыш» типті магнит аймағында жоғарыдан айналатын өткізгіш барабанның үстіңгі жағында өткізгіш шарикті подшипниктер қолданылуы мүмкін.түзілген токты түсіру үшін төменгі бөліктер.
Табиғатта
Бірполярлы индукторлар астрофизикада кездеседі, онда өткізгіш магнит өрісі арқылы айналады, мысалы, ғарыштық дененің ионосферасындағы жоғары өткізгіш плазма оның магнит өрісі арқылы қозғалғанда.
Бірполярлы индукторлар Уранның аврорасымен, қос жұлдыздармен, қара тесіктермен, галактикалармен, Юпитердің серігі Io, Аймен, күн желімен, күн дақтарымен және Венера магниттік құйрығымен байланысты болды.
Механизм мүмкіндіктері
Жоғарыда аталған барлық ғарыштық объектілер сияқты, Фарадей дискісі кинетикалық энергияны электр энергиясына түрлендіреді. Бұл машинаны Фарадейдің электромагниттік индукция заңы арқылы талдауға болады.
Бұл заң өзінің қазіргі түріндегі тұйық контур арқылы өтетін магнит ағынының тұрақты туындысы ондағы электр қозғаушы күшін индукциялайтынын және ол өз кезегінде электр тогын қоздыратынын айтады.
Магниттік ағынды анықтайтын беттік интегралды тізбектің айналасында сызықтық ретінде қайта жазуға болады. Сызықтық интегралдың интегралы уақытқа тәуелді болмаса да, сызық интегралының шекарасының бөлігі болып табылатын Фарадей дискісі қозғалатындықтан, жалпы уақыттың туындысы нөлге тең емес және электр қозғаушы күшін есептеу үшін дұрыс мәнді қайтарады. Сондай-ақ, дискіні сақинаны оське қосатын жалғыз металл спица арқылы оның айналасындағы өткізгіш сақинаға дейін азайтуға болады.
Лоренц күші заңының оттығымашинаның әрекетін түсіндіру үшін қолданылады. Фарадей қайтыс болғаннан кейін отыз жыл өткен соң тұжырымдалған бұл заң электронға түсетін күш оның жылдамдығы мен магнит ағыны векторының көлденең көбейтіндісіне пропорционал екенін айтады.
Геометриялық терминдермен айтқанда, бұл күш жылдамдыққа (азимут) және магнит ағынына (осьтік), сондықтан радиалды бағытта тік бұрышқа бағытталғанын білдіреді. Дискідегі электрондардың радиалды қозғалысы оның центрі мен жиегі арасындағы зарядтардың бөлінуін тудырады, ал егер тізбек аяқталса, электр тогы пайда болады.
Электр қозғалтқыш
Бірполярлы қозғалтқыш – екі магниттік полюсі бар тұрақты ток құрылғысы, оның өткізгіштері әрқашан бір бағытты магнит ағынының сызықтарын кесіп өтеді, өткізгішті статикалық магнит өрісіне тік бұрышта болатындай етіп бекітілген осьтің айналасында айналдырады. Гомополярлы қозғалтқышқа бір бағытта үздіксіз болатын ЭҚК (электр қозғаушы күш) коммутаторды қажет етпейді, бірақ бәрібір сырғанау сақиналарын қажет етеді. «Гомополярлы» атауы өткізгіштің электрлік полярлығы мен магнит өрісінің полюстерінің өзгермейтінін көрсетеді (яғни, ауыстыруды қажет етпейтін).
Бірполярлы қозғалтқыш құрастырылған алғашқы электр қозғалтқышы болды. Оның әрекетін Майкл Фарадей 1821 жылы Лондондағы Корольдік институтта көрсетті.
Өнертабыс
1821 жылы дат физигі және химигі Ганс Кристиан Эрстед ашқаннан кейін көп ұзамайэлектромагнетизм құбылысы, Хамфри Дэви және британдық ғалым Уильям Хайд Волластон электр қозғалтқышын жасауға тырысты, бірақ сәтсіздікке ұшырады. Фарадей, Хамфри әзіл ретінде дауласады, ол «электромагниттік айналу» деп атаған нәрсені жасау үшін екі құрылғыны жасады. Олардың бірі, қазір гомополярлық жетек деп аталады, үздіксіз айналмалы қозғалыс жасады. Бұл магнит орналастырылған сынап бассейніне орналастырылған сымның айналасындағы дөңгелек магниттік күштің әсерінен болды. Химиялық батареядан қуат алса, сым магниттің айналасында айналар еді.
Бұл тәжірибелер мен өнертабыстар заманауи электромагниттік технологиялардың негізін құрады. Көп ұзамай Фарадей нәтижелерді жариялады. Бұл Дэвидің Фарадей жетістіктеріне қызғаныш сезіміне байланысты онымен қарым-қатынасын нашарлатып, оның басқа нәрселерге бет бұруына себеп болды, нәтижесінде оның бірнеше жыл бойы электромагниттік зерттеулерге қатысуына кедергі болды.
Б. Г. Ламм 1912 жылы 2000 кВт, 260 В, 7700 А және 1200 айн/мин перифериялық жылдамдықпен 67 м/с жұмыс істейтін 16 сырғанау сақинасы бар гомополярлы машинаны сипаттады. 1934 жылы салынған 1125 кВт, 7,5 В, 150 000А, 514 айн/мин бірполярлы генератор құбырларды дәнекерлеуге арналған американдық болат диірменіне орнатылды.
Сол Лоренц заңы
Бұл қозғалтқыштың жұмысы соққы бірполярлы генераторының жұмысына ұқсас. Бір полярлы қозғалтқыш Лоренц күшімен қозғалады. Тогы бар өткізгіш магнит өрісіне және оған перпендикуляр орналастырылған кезде, онда күшті сезінеді.магнит өрісіне де, токқа да перпендикуляр бағыт. Бұл күш айналу осінің айналасында бұрылу моментін қамтамасыз етеді.
Соңғы магнит өрісіне параллель болғандықтан және қарама-қарсы магнит өрістері полярлықты өзгертпейтіндіктен, өткізгішті айналдыруды жалғастыру үшін ауыстыру қажет емес. Бұл қарапайымдылыққа бір айналымды конструкциялармен оңай қол жеткізуге болады, бұл гомополярлы қозғалтқыштарды көптеген практикалық қолданбалар үшін жарамсыз етеді.
Көптеген электромеханикалық машиналар сияқты (Негджераттың бірполярлы генераторы сияқты) гомополярлы қозғалтқыш қайтымды: өткізгіш механикалық түрде бұрылса, ол гомополярлы генератор ретінде жұмыс істеп, өткізгіштің екі терминалы арасында тұрақты ток кернеуін жасайды.
Тұрақты ток конструкцияның гомополярлы табиғатының салдары болып табылады. Гомополярлы генераторлар (HPGs) 20 ғасырдың аяғында төмен кернеу, бірақ өте жоғары ток тұрақты ток көзі ретінде кеңінен зерттелді және тәжірибелік рельсті зеңбіректерді қуаттандыруда біршама жетістікке жетті.
Ғимарат
Өз қолыңызбен бірполярлы генератор жасау өте қарапайым. Бір полярлы қозғалтқышты құрастыру да өте оңай. Тұрақты магнит өткізгіш айналатын сыртқы магнит өрісін жасау үшін пайдаланылады, ал батарея ток өткізгіш сым бойымен ағып кетеді.
Магниттің қозғалуы немесе тіпті қозғалтқыштың қалған бөлігімен жанасуы қажет емес; оның жалғыз мақсаты - магнит өрісін жасаусымдағы токпен индукцияланған ұқсас өріспен әрекеттеседі. Батареяға магнитті бекітуге болады және электр тізбегі аяқталғаннан кейін өткізгіштің еркін айналуына мүмкіндік береді, батареяның жоғарғы жағына да, батареяның түбіне бекітілген магнитке де тиіп тұр. Үздіксіз пайдалану кезінде сым мен батарея қызып кетуі мүмкін.
