ژنراتور تک قطبی یک مکانیسم الکتریکی جریان مستقیم است که حاوی یک دیسک یا سیلندر رسانای الکتریکی است که در یک صفحه می چرخد. بین مرکز دیسک و لبه (یا انتهای سیلندر) دارای پتانسیل های متفاوت با قطبیت الکتریکی است که به جهت چرخش و جهت میدان بستگی دارد.
همچنین به عنوان نوسانگر فارادی تک قطبی شناخته می شود. ولتاژ معمولاً در مدل‌های کوچک نمایشی در حد چند ولت است، اما ماشین‌های تحقیقاتی بزرگ می‌توانند صدها ولت تولید کنند و برخی از سیستم‌ها دارای نوسانگرهای سری چندگانه برای ولتاژهای بالاتر هستند. آنها از این جهت غیرمعمول هستند که می توانند جریان الکتریکی تولید کنند که می تواند بیش از یک میلیون آمپر باشد، زیرا یک ژنراتور تک قطبی لزوماً مقاومت داخلی بالایی ندارد.
داستان اختراع
اولین مکانیسم همقطبی توسط مایکل فارادی در طی آزمایشاتش در سال 1831 ایجاد شد. اغلب به عنوان دیسک فارادی یا چرخ پس از او نامیده می شود. این آغاز دیناموهای مدرن بودماشین ها، یعنی ژنراتورهای الکتریکی که بر روی میدان مغناطیسی کار می کنند. این بسیار ناکارآمد بود و به عنوان یک منبع انرژی عملی استفاده نمی شد، اما امکان تولید برق با استفاده از مغناطیس را نشان داد و راه را برای دینام های DC سوئیچ و سپس دینام ها هموار کرد.
معایب اولین ژنراتور
دیسک فارادی اساساً به دلیل جریان های نزدیک ناکارآمد بود. اصل عملکرد یک ژنراتور تک قطبی فقط با مثال آن شرح داده می شود. در حالی که جریان جریان مستقیماً در زیر آهنربا القا می شد، جریان در جهت مخالف گردش می کرد. جریان برگشتی توان خروجی سیم های گیرنده را محدود می کند و باعث گرم شدن غیر ضروری دیسک مسی می شود. ژنراتورهای همقطبی بعدی می توانند این مشکل را با مجموعه ای از آهنرباها که در اطراف محیط دیسک قرار داده شده اند حل کنند تا یک میدان ثابت در اطراف محیط حفظ کنند و مناطقی را که ممکن است جریان برگشتی رخ دهد حذف کنند.
توسعه های بیشتر
مدتی پس از بی اعتبار شدن دیسک اصلی فارادی به عنوان یک ژنراتور عملی، یک نسخه اصلاح شده با ترکیب آهنربا و دیسک در یک قسمت چرخان (روتور) توسعه یافت، اما ایده یک ژنراتور تک قطبی ضربه ای برای این منظور محفوظ بود. پیکربندی یکی از اولین اختراعات برای مکانیسم های تک قطبی عمومی توسط A. F. Delafield، U. S. Patent 278516 به دست آمد.
تحقیق ذهن های برجسته
سایر اختراعات تک قطبی تاثیر اولیهژنراتورها به طور جداگانه به S. Z. De Ferranti و S. Batchelor تعلق گرفت. نیکولا تسلا به دیسک فارادی علاقه مند بود و با مکانیسم های همقطبی کار می کرد و در نهایت یک نسخه بهبودیافته از دستگاه را در پتنت 406968 ایالات متحده به ثبت رساند.
حق اختراعتسلا "ماشین الکتریکی دینامو" (ژنراتور تک قطبی تسلا) آرایشی از دو دیسک موازی با محورهای موازی جداگانه را توصیف می کند که مانند قرقره ها توسط یک تسمه فلزی به هم متصل شده اند. هر دیسک میدانی مخالف دیگری داشت، به طوری که جریان جریان از یک محور به لبه دیسک، از طریق تسمه به لبه دیگر و به شفت دوم منتقل می شد. این امر تلفات اصطکاک ناشی از کنتاکت‌های لغزشی را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و به هر دو حسگر الکتریکی اجازه می‌دهد تا با شفت دو دیسک به جای شفت و رینگ سرعت بالا تعامل داشته باشند.
اختراعات بعدی به S. P. Steinmetz و E. Thomson برای کارشان بر روی ژنراتورهای تک قطبی ولتاژ بالا اعطا شد. Forbes Dynamo که توسط مهندس برق اسکاتلندی جورج فوربس طراحی شد، در اوایل قرن بیستم به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت. بیشتر پیشرفت‌های ایجاد شده در مکانیسم‌های همقطبی توسط J. E ثبت شده است. Noeggerath و R. Eickemeyer.
دهه 50
ژنراتورهای همقطبی در دهه 1950 به عنوان منبع ذخیره انرژی پالسی رنسانس را تجربه کردند. این دستگاه‌ها از دیسک‌های سنگین به‌عنوان شکلی از چرخ طیار برای ذخیره انرژی مکانیکی استفاده می‌کردند که می‌توانست به سرعت در دستگاه آزمایشی ریخته شود.
یک نمونه اولیه از این نوع دستگاه توسط سر مارک اولیفانت در دانشکده تحقیقات ایجاد شد.علوم فیزیک و مهندسی از دانشگاه ملی استرالیا. این دستگاه تا 500 مگاژول انرژی ذخیره می‌کرد و از سال 1962 تا زمانی که در سال 1986 برچیده شد، به عنوان یک منبع جریان فوق‌العاده برای آزمایش‌های سنکروترون استفاده می‌شد. طراحی Oliphant قادر به ارائه جریان تا 2 مگا آمپر (MA) بود.
طراحی شده توسط Parker Kinetic Designs
حتی دستگاه های بزرگتری مانند این توسط Parker Kinetic Designs (سابق تحقیق و توسعه OIME) از آستین طراحی و ساخته شده اند. آنها دستگاه هایی را برای اهداف مختلف تولید کردند، از نیرو دادن به تپانچه های راه آهن گرفته تا موتورهای خطی (برای پرتاب های فضایی) و طرح های مختلف سلاح. طرح های صنعتی 10 MJ برای نقش های مختلف از جمله جوشکاری الکتریکی معرفی شده است.
این وسایل شامل یک چرخ طیار رسانا بود که یکی از آنها در میدان مغناطیسی با یک تماس الکتریکی در نزدیکی محور و دیگری در نزدیکی محیط می چرخید. آنها برای تولید جریان های بسیار بالا در ولتاژهای پایین در زمینه هایی مانند جوشکاری، الکترولیز و تحقیقات تفنگ ریلی استفاده شده اند. در کاربردهای انرژی پالسی، تکانه زاویه‌ای روتور برای ذخیره انرژی برای مدت طولانی و سپس آزادسازی آن در مدت زمان کوتاه استفاده می‌شود.
برخلاف انواع دیگر ژنراتورهای تک قطبی کموتاسیون، ولتاژ خروجی هرگز قطبیت را معکوس نمی کند. جداسازی بارها نتیجه عمل نیروی لورنتس بر بارهای آزاد در دیسک است. حرکت ازیموتال و میدان محوری است، بنابرایننیروی محرکه الکتریکی شعاعی است.
تماس های الکتریکی معمولاً از طریق یک "برس" یا حلقه لغزنده ایجاد می شوند که منجر به تلفات زیاد در ولتاژهای پایین تولید می شود. برخی از این تلفات را می توان با استفاده از جیوه یا فلز یا آلیاژ دیگری که به راحتی مایع می شود (گالیوم، NaK) به عنوان یک "برس" کاهش داد تا تماس الکتریکی تقریباً مداوم برقرار کند.
تغییر
یک تغییر پیشنهادی اخیراً استفاده از یک کنتاکت پلاسما مجهز به جریان نئونی با مقاومت منفی است که لبه دیسک یا درام را با استفاده از کربن با کارکرد کم کار تخصصی در نوارهای عمودی لمس می کند. این مزیت مقاومت بسیار کم در محدوده جریان، احتمالاً تا هزاران آمپر، بدون تماس با فلز مایع را دارد.
اگر میدان مغناطیسی توسط یک آهنربای دائمی ایجاد شود، ژنراتور بدون توجه به اینکه آهنربا به استاتور متصل است یا با دیسک می چرخد، کار می کند. قبل از کشف الکترون و قانون نیروی لورنتس، این پدیده غیرقابل توضیح بود و به پارادوکس فارادی معروف بود.
نوع درام
یک ژنراتور هم قطبی از نوع درام دارای میدان مغناطیسی (V) است که به صورت شعاعی از مرکز درام تابش می کند و ولتاژ (V) را در تمام طول آن القا می کند. یک درام رسانا که از بالا در ناحیه آهنربای نوع "بلندگو" با یک قطب در مرکز و دیگری اطراف آن می چرخد، ممکن است از بلبرینگ های رسانا در بالای خود استفاده کند.قسمت های پایین تر برای گرفتن جریان تولید شده.
در طبیعت
سلفهای تک قطبی در اخترفیزیک یافت می شوند، جایی که رسانا در یک میدان مغناطیسی می چرخد، به عنوان مثال، هنگامی که یک پلاسمای بسیار رسانا در یونوسفر یک جسم فضایی در میدان مغناطیسی خود حرکت می کند.
القاگرهای تک قطبی با شفق اورانیا، ستارگان دوتایی، سیاهچاله ها، کهکشان ها، قمر مشتری آیو، ماه، باد خورشیدی، لکه های خورشیدی و دم مغناطیسی زهره مرتبط بوده اند.
ویژگی های مکانیزم
مانند همه اجرام فضایی فوق الذکر، دیسک فارادی انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این ماشین را می توان با استفاده از قانون القای الکترومغناطیسی خود فارادی تحلیل کرد.
این قانون در شکل امروزی خود بیان می کند که مشتق ثابت شار مغناطیسی از طریق یک مدار بسته یک نیروی الکتروموتور در آن القا می کند که به نوبه خود جریان الکتریکی را تحریک می کند.
انتگرال سطحی که شار مغناطیسی را تعریف می کند، می تواند به صورت خطی در اطراف مدار بازنویسی شود. اگرچه انتگرال انتگرال خط به زمان بستگی ندارد، اما از آنجایی که دیسک فارادی که بخشی از مرز انتگرال خط است حرکت می کند، مشتق کل زمان صفر نیست و مقدار صحیح را برای محاسبه نیروی الکتروموتور برمی گرداند. متناوباً، می‌توان دیسک را با یک پره فلزی که حلقه را به محور متصل می‌کند، به یک حلقه رسانا در اطراف آن تبدیل کرد.
فندک قانون نیروی لورنتسبرای توضیح رفتار ماشین استفاده شود. این قانون که سی سال پس از مرگ فارادی تدوین شد، بیان می‌کند که نیروی وارد بر یک الکترون با ضرب ضربدر سرعت آن و بردار شار مغناطیسی متناسب است.
در اصطلاح هندسی، این بدان معنی است که نیرو در زوایای قائم به سرعت (زیموت) و شار مغناطیسی (محوری) هدایت می شود که بنابراین در جهت شعاعی است. حرکت شعاعی الکترون ها در دیسک باعث جدا شدن بارها بین مرکز و لبه آن می شود و اگر مدار کامل شود، جریان الکتریکی ایجاد می شود.
موتور الکتریکی
موتور تک قطبی یک دستگاه DC با دو قطب مغناطیسی است که هادی های آن همیشه از خطوط شار مغناطیسی یک طرفه عبور می کنند و هادی را حول یک محور ثابت می چرخانند به طوری که با میدان مغناطیسی ایستا زاویه قائمه داشته باشد. EMF (نیروی محرکه الکتریکی) حاصل که در یک جهت پیوسته است به یک موتور همقطبی نیازی به کموتاتور ندارد، اما همچنان به حلقه های لغزشی نیاز دارد. نام "هموقطبی" نشان می دهد که قطبیت الکتریکی هادی و قطب های میدان مغناطیسی تغییر نمی کند (یعنی نیازی به سوئیچینگ ندارد).
موتور تک قطبی اولین موتور الکتریکی بود که ساخته شد. عمل آن توسط مایکل فارادی در سال 1821 در موسسه سلطنتی لندن نشان داده شد.
اختراع
در سال 1821، اندکی پس از کشف هانس کریستین اورستد، فیزیکدان و شیمیدان دانمارکیپدیده الکترومغناطیس، هامفری دیوی و دانشمند بریتانیایی ویلیام هاید ولاستون تلاش کردند، اما موفق نشدند، یک موتور الکتریکی بسازند. فارادی، که به شوخی توسط همفری مورد مناقشه قرار گرفت، به ساخت دو دستگاه برای ایجاد آنچه که او آن را "چرخش الکترومغناطیسی" می نامید، ادامه داد. یکی از آنها که اکنون به عنوان درایو homopolar شناخته می شود، یک حرکت دایره ای پیوسته ایجاد کرد. علت آن یک نیروی مغناطیسی دایره‌ای در اطراف سیمی بود که در حوضچه‌ای از جیوه قرار داشت که آهنربا در آن قرار داشت. اگر سیم توسط یک باتری شیمیایی تغذیه می شد، به دور آهنربا می چرخید.
این آزمایش ها و اختراعات اساس فناوری های الکترومغناطیسی مدرن را تشکیل دادند. به زودی فارادی نتایج را منتشر کرد. این امر به دلیل حسادت او به دستاوردهای فارادی، روابط با دیوی را تیره کرد و باعث شد تا او به چیزهای دیگری روی آورد که در نتیجه چندین سال او را از شرکت در تحقیقات الکترومغناطیسی باز داشت.
B. G. Lamm در سال 1912 یک ماشین همقطبی با قدرت 2000 کیلووات، 260 ولت، 7700 A و 1200 دور در دقیقه با 16 حلقه لغزش با سرعت محیطی 67 متر بر ثانیه را توصیف کرد. یک ژنراتور تک قطبی 1125 کیلووات، 7.5 ولت، 150000 آمپر، 514 دور در دقیقه که در سال 1934 ساخته شد در یک کارخانه فولاد آمریکایی برای جوشکاری لوله نصب شد.
همان قانون لورنتس
عملکرد این موتور مشابه ژنراتور تک قطبی شوک است. موتور تک قطبی توسط نیروی لورنتس به حرکت در می آید. هادی با جریانی که از آن عبور می کند، هنگامی که در میدان مغناطیسی و عمود بر آن قرار می گیرد، نیرویی را در آن احساس می کند.جهت عمود بر هر دو میدان مغناطیسی و جریان. این نیرو یک لحظه چرخشی حول محور چرخش ایجاد می کند.
از آنجایی که دومی با میدان مغناطیسی موازی است و میدان های مغناطیسی مخالف قطبیت را تغییر نمی دهند، برای ادامه چرخش هادی نیازی به سوئیچینگ نیست. این سادگی با طراحی های تک دور به راحتی به دست می آید و موتورهای همقطبی را برای اکثر کاربردهای عملی نامناسب می کند.
مثل اکثر ماشین های الکترومکانیکی (مانند ژنراتور تک قطبی Neggerath)، موتور همقطبی برگشت پذیر است: اگر هادی به صورت مکانیکی بچرخد، به عنوان یک ژنراتور همقطبی عمل می کند و یک ولتاژ DC بین دو پایانه هادی ایجاد می کند.
جریان ثابت نتیجه ماهیت همقطبی طرح است. ژنراتورهای همقطبی (HPG) در اواخر قرن بیستم به‌عنوان منابع جریان مستقیم ولتاژ پایین اما جریان مستقیم بسیار بالا به‌طور گسترده مورد بررسی قرار گرفتند و در تأمین انرژی تفنگ‌های ریلی تجربی به موفقیت‌هایی دست یافتند.
ساختمان
ساخت یک ژنراتور تک قطبی با دستان خود بسیار ساده است. مونتاژ موتور تک قطبی نیز بسیار آسان است. آهنربای دائمی برای ایجاد یک میدان مغناطیسی خارجی استفاده می شود که در آن هادی می چرخد و باتری باعث می شود جریان در امتداد سیم رسانا جریان یابد.
لازم نیست آهنربا حرکت کند یا حتی با بقیه موتور تماس پیدا کند. تنها هدف آن ایجاد میدان مغناطیسی است که می تواندبا یک میدان مشابه که توسط جریان در سیم القا می شود، تعامل داشته باشید. می توان آهنربا را به باتری وصل کرد و به هادی اجازه داد تا با تکمیل مدار الکتریکی آزادانه بچرخد و هم بالای باتری و هم آهنربای متصل به پایین باتری را لمس کند. ممکن است سیم و باتری در حین استفاده مداوم گرم شوند.
