Generador homopolar

Un generador homopolar es un generador eléctrico de CC que comprende un disco o cilindro eléctricamente conductor que gira en un plano perpendicular a un campo magnético estático uniforme. Se crea una diferencia de potencial entre el centro del disco y el borde (o extremos del cilindro) con una polaridad eléctrica que depende del sentido de rotación y de la orientación del campo. También se le conoce como generador unipolar, generador acíclico, dinamo de disco o disco de Faraday. El voltaje suele ser bajo, del orden de unos pocos voltios en el caso de modelos de demostración pequeños, pero los grandes generadores de investigación pueden producir cientos de voltios, y algunos sistemas tienen múltiples generadores en serie para producir un voltaje aún mayor. Son inusuales porque pueden generar una enorme corriente eléctrica, algunas de más de un millón de amperios, porque se puede hacer que el generador homopolar tenga una resistencia interna muy baja. Además, el generador homopolar es único en el sentido de que ninguna otra máquina eléctrica rotativa puede producir CC sin utilizar rectificadores o conmutadores.

El disco de Faraday

El primer generador homopolar fue desarrollado por Michael Faraday durante sus experimentos en 1831. Con frecuencia se llama el Disc de Faraday o Faraday Wheel en su honor. Fue el comienzo de la dinamos moderna, es decir, generadores eléctricos que funcionan usando un campo magnético. Era muy ineficiente y no se usaba como una fuente de energía práctica, pero mostraba la posibilidad de generar energía eléctrica usando el magnetismo, y lideró el camino para dinamos de corriente continua conmutada y luego alternadores de corriente alternos.

El disco de Faraday fue principalmente ineficiente debido a los contracullosos de corriente. Si bien el flujo de corriente se indujo directamente debajo del imán, la corriente circularía hacia atrás en regiones fuera de la influencia del campo magnético. Este contraflujo limita la potencia de salida a los cables de recogida e induce el calentamiento de desechos del disco de cobre. Más tarde, los generadores homopolar resolverían este problema mediante el uso de una variedad de imanes dispuestos alrededor del perímetro del disco para mantener un campo estable alrededor de la circunferencia, y eliminar las áreas donde podría ocurrir el controfulador.

Desarrollo del generador homopolar

Mucho después de que el disco de Faraday original fuera abandonado como generador práctico, se desarrolló una versión modificada que combina el imán y el disco en una sola parte giratoria (el rotor). A veces el nombre generador homopolar está reservado para esta configuración. Una de las primeras patentes sobre el tipo general de generadores homopolares fue obtenida por A. F. Delafield, U.S. patente 278.516. Otras patentes tempranas para generadores homopolares se otorgaron a S. Z. De Ferranti y C. Batchelor por separado. Nikola Tesla estaba interesado en el disco de Faraday y trabajó con generadores homopolares, y finalmente patentó una versión mejorada del dispositivo en EE.UU. patente 406.968. La "máquina eléctrica Dynamo" de Tesla; La patente describe una disposición de dos discos paralelos con ejes paralelos separados, unidos como poleas por una correa metálica. Cada disco tenía un campo opuesto al del otro, de modo que el flujo de corriente iba desde un eje hasta el borde del disco, a través de la correa hasta el otro borde del disco y hasta el segundo eje. Esto habría reducido en gran medida las pérdidas por fricción causadas por los contactos deslizantes al permitir que ambos captadores eléctricos interactúen con los ejes de los dos discos en lugar de con el eje y una llanta de alta velocidad. Posteriormente se concedieron patentes a C. P. Steinmetz y E. Thomson por su trabajo con generadores homopolares. La dinamo Forbes, desarrollada por el ingeniero eléctrico escocés George Forbes, tuvo un uso generalizado a principios del siglo XX. Gran parte del desarrollo realizado en generadores homopolares fue patentado por J. E. Noeggerath y R. Eickemeyer.

Los generadores homopolares se sometieron a un renacimiento en la década de 1950 como fuente de almacenamiento de potencia pulsada. Estos dispositivos utilizaron discos pesados como una forma de volante para almacenar energía mecánica que podría arrojarse rápidamente a un aparato experimental. Sir Mark Oliphant construyó un ejemplo temprano de este tipo de dispositivo en la Escuela de Investigación de Ciencias Físicas e Ingeniería de la Universidad Nacional de Australia. Se almacenó hasta 500 megajulios de energía y se usó como una fuente de corriente extremadamente alta para la experimentación sincrotron desde 1962 hasta que se desmontó en 1986. La construcción de Oliphant fue capaz de suministrar corrientes de hasta 2 megamáferes (MA).

Los dispositivos similares de tamaño aún mayor están diseñados y construidos por Parker Kinetic Designs (anteriormente OIME Research & amp; Development) de Austin. Han producido dispositivos para una variedad de roles, desde pistolas de ferrocarril hasta motores lineales (para lanzamientos espaciales) hasta una variedad de diseños de armas. Se introdujeron diseños industriales de 10 MJ para una variedad de roles, incluida la soldadura eléctrica.

Descripción y funcionamiento

Generador tipo disco

Este dispositivo consta de un volante conductor que gira en un campo magnético con un contacto eléctrico cerca del eje y el otro cerca de la periferia. Se ha utilizado para generar corrientes muy altas a bajos voltajes en aplicaciones como soldadura, electrólisis e investigación con pistolas de riel. En aplicaciones de energía pulsada, el momento angular del rotor se utiliza para acumular energía durante un largo período y luego liberarla en poco tiempo.

En contraste con otros tipos de generadores, el voltaje de salida nunca cambia de polaridad. La separación de carga resulta de la fuerza Lorentz sobre las cargas libres en el disco. El movimiento es azimutal y el campo es axial, por lo que la fuerza electromotriz es radial. Los contactos eléctricos generalmente se realizan a través de A " Brush " o anillo de deslizamiento, lo que resulta en grandes pérdidas a los bajos voltajes generados. Algunas de estas pérdidas pueden reducirse mediante el uso de mercurio u otro metal o aleación fácilmente licuado (Gallium, Nak) como el " Brush ", para proporcionar un contacto eléctrico esencialmente ininterrumpido.

Una modificación sugerida reciente es utilizar un contacto de plasma suministrado por un transmisor de neón de resistencia negativa que toca el borde del disco o tambor, utilizando carbono de función de bajo trabajo especializado en tiras verticales. Esto tendría la ventaja de muy baja resistencia dentro de un rango de corriente posiblemente hasta miles de amperios sin el contacto con metal líquido.

Si el campo magnético es proporcionado por un imán permanente, el generador funciona independientemente de si el imán está fijo al estator o gira con el disco. Antes del descubrimiento del electrón y la ley de la fuerza de Lorentz, el fenómeno era inexplicable y se conocía como la paradoja de Faraday.

Generador de tipo de batería

Un generador homopolar de tipo tambor tiene un campo magnético (b) que irradia radialmente desde el centro del tambor e induce voltaje (v) a lo largo del tambor. Un tambor conductora hilado desde arriba en el campo de A " altavoz " El tipo de imán que tiene un poste en el centro del tambor y el otro poste que rodea el tambor podría usar los rodamientos de bolas conductores en la parte superior e inferior del tambor para recoger la corriente generada.

inductores unipolares astrofísicos

Los inductores unipolares ocurren en astrofísica donde un conductor gira a través de un campo magnético, por ejemplo, el movimiento del plasma altamente conductivo en una ionosfera de un cuerpo cósmico a través de su campo magnético. En su libro, electrodinámica cósmica , Hannes Alfvén y Carl-Gunne Fälthammar Write:

"Como las nubes cósmicas de gas ionizado son generalmente magnetizadas, su movimiento produce campos eléctricos inducidos [..] Por ejemplo, el movimiento del plasma interplanetario magnetizado produce campos eléctricos que son esenciales para la producción de aurora y tormentas magnéticas" [.]

"... la rotación de un conductor en un campo magnético produce un campo eléctrico en el sistema en reposo. Este fenómeno es bien conocido por los experimentos de laboratorio y se suele llamar inducción 'homopolar' o 'unipolar'.

Los inductores unipolares se han asociado con las auroras de Urano, estrellas binarias, agujeros negros, galaxias, el sistema Júpiter Io, la Luna, el viento solar, las manchas solares y en la cola magnética de Venus.

Física

Como todas las dinamos, el disco de Faraday convierte la energía cinética en energía eléctrica. Esta máquina se puede analizar utilizando la propia ley de inducción electromagnética de Faraday. Esta ley, en su forma moderna, establece que la derivada permanente del flujo magnético a través de un circuito cerrado induce una fuerza electromotriz en el circuito, que a su vez impulsa una corriente eléctrica. La integral de superficie que define el flujo magnético se puede reescribir como una integral de línea alrededor del circuito. Aunque el integrando de la integral de línea es independiente del tiempo, debido a que el disco de Faraday que forma parte del límite de la integral de línea se está moviendo, la derivada de tiempo completo no es cero y devuelve el valor correcto para calcular la fuerza electromotriz. Alternativamente, el disco se puede reducir a un anillo conductor a lo largo de la circunferencia del disco con un solo radio metálico que conecta el anillo al eje.

La ley de fuerza de Lorentz se utiliza más fácilmente para explicar el comportamiento de la máquina. Esta ley, formulada treinta años después de la muerte de Faraday, establece que la fuerza sobre un electrón es proporcional al producto cruzado de su velocidad y el vector de flujo magnético. En términos geométricos, esto significa que la fuerza está en ángulo recto tanto con la velocidad (azimutal) como con el flujo magnético (axial), que por lo tanto está en dirección radial. El movimiento radial de los electrones en el disco produce una separación de carga entre el centro del disco y su borde, y si se completa el circuito se producirá una corriente eléctrica.