Jenereta ya unipolar ni utaratibu wa umeme wa moja kwa moja ulio na diski inayopitisha umeme au silinda inayozunguka katika ndege. Ina uwezo wa nguvu tofauti kati ya katikati ya diski na ukingo (au ncha za silinda) yenye polarity ya umeme, ambayo inategemea mwelekeo wa mzunguko na mwelekeo wa uwanja.
Pia inajulikana kama unipolar Faraday oscillator. Voltage kawaida ni ya chini, kwa mpangilio wa volts chache katika kesi ya mifano ndogo ya maandamano, lakini mashine kubwa za utafiti zinaweza kutoa mamia ya volts, na mifumo mingine ina oscillator nyingi za safu kwa voltages za juu zaidi. Sio kawaida kwa kuwa wanaweza kutoa mkondo wa umeme ambao unaweza kuzidi amperes milioni, kwani jenereta ya unipolar sio lazima iwe na upinzani wa juu wa ndani.
Hadithi ya Uvumbuzi
Mfumo wa kwanza wa homopolar ulianzishwa na Michael Faraday wakati wa majaribio yake mnamo 1831. Mara nyingi hujulikana kama diski ya Faraday au gurudumu baada yake. Huu ulikuwa mwanzo wa dynamos za kisasamashine, yaani, jenereta za umeme zinazofanya kazi kwenye uwanja wa magnetic. Haikuwa na tija na haikutumika kama chanzo cha umeme kivitendo, lakini ilionyesha uwezekano wa kuzalisha umeme kwa kutumia sumaku na kuweka njia ya kubadilishiwa dynamos za DC na alternators.
Hasara za jenereta ya kwanza
Diski ya Faraday haikufaa kwa sababu ya mtiririko wa sasa unaokuja. Kanuni ya uendeshaji wa jenereta ya unipolar itaelezewa tu na mfano wake. Wakati mtiririko wa sasa uliingizwa moja kwa moja chini ya sumaku, sasa ilizunguka kinyume chake. Mtiririko wa nyuma unapunguza nguvu ya pato kwa waya zinazopokea na husababisha kupokanzwa kwa diski ya shaba isiyo ya lazima. Jenereta za homopolar za baadaye zinaweza kutatua tatizo hili kwa seti ya sumaku iliyowekwa karibu na mzunguko wa diski ili kudumisha uga thabiti kuzunguka mzingo na kuondoa maeneo ambayo mtiririko wa nyuma unaweza kutokea.
Maendeleo zaidi
Muda mfupi baada ya diski ya asili ya Faraday kufutiliwa mbali kama jenereta inayotumika, toleo lililorekebishwa liliundwa kwa kuchanganya sumaku na diski katika sehemu moja inayozunguka (rota), lakini wazo lenyewe la jenereta ya athari ya unipolar lilihifadhiwa kwa hili. usanidi. Mojawapo ya hataza za awali za mitambo ya jumla ya unipolar ilipatikana na A. F. Delafield, U. S. Patent 278,516.
Utafiti wa akili bora
Hatua zingine za mapema za unipolarjenereta zilitolewa tofauti kwa S. Z. De Ferranti na S. Batchelor. Nikola Tesla alipendezwa na diski ya Faraday na alifanya kazi kwa kutumia mifumo ya homopolar, na hatimaye akaweka hati miliki toleo lililoboreshwa la kifaa hicho katika Patent ya Marekani 406,968.
Hali miliki ya Tesla ya "Mashine ya Umeme ya Dynamo" (jenereta ya Tesla ya unipolar) inaeleza mpangilio wa diski mbili sambamba zilizo na shafts tofauti zilizounganishwa, kama puli, kwa mkanda wa chuma. Kila diski ilikuwa na shamba kinyume na nyingine, ili mtiririko wa sasa upite kutoka kwenye shimoni moja hadi kando ya diski, kupitia ukanda hadi kwenye makali mengine, na kwenye shimoni la pili. Hii inaweza kupunguza kwa kiasi kikubwa hasara za msuguano unaosababishwa na viunganishi vya kuteleza, na hivyo kuruhusu vihisi vya umeme kuingiliana na vishimo vya diski mbili badala ya shimoni na ukingo wa kasi wa juu.
Baadaye hataza zilitunukiwa S. P. Steinmetz na E. Thomson kwa kazi yao ya kutengeneza jenereta za unipolar zenye volte nyingi. Forbes Dynamo, iliyoundwa na mhandisi wa umeme wa Scotland George Forbes, ilitumiwa sana mwanzoni mwa karne ya 20. Maendeleo mengi yaliyofanywa katika mifumo ya homopolar yameidhinishwa na J. E. Noeggerath na R. Eickemeyer.
sekunde 50
Jenereta za Homopolar zilipata ufufuo katika miaka ya 1950 kama chanzo cha uhifadhi wa nishati. Vifaa hivi vilitumia diski nzito kama aina ya flywheel kuhifadhi nishati ya kimitambo inayoweza kutupwa kwa haraka kwenye kifaa cha majaribio.
Mfano wa awali wa aina hii ya kifaa uliundwa na Sir Mark Oliphant katika Shule ya UtafitiSayansi ya Fizikia na Uhandisi kutoka Chuo Kikuu cha Kitaifa cha Australia. Ilihifadhi hadi megajoule 500 za nishati na ilitumiwa kama chanzo cha juu zaidi cha majaribio ya synchrotron kutoka 1962 hadi ilipovunjwa mnamo 1986. Muundo wa Oliphant ulikuwa na uwezo wa kutoa mikondo hadi megaamperes 2 (MA).
Imetengenezwa na Parker Kinetic Designs
Vifaa vikubwa zaidi kama hiki vimeundwa na kutengenezwa na Parker Kinetic Designs (zamani OIME Research & Development) ya Austin. Walitengeneza vifaa kwa madhumuni mbalimbali, kuanzia kuwasha bastola za reli hadi injini za mstari (kwa ajili ya kurusha angani) na miundo mbalimbali ya silaha. Miundo 10 ya viwandani ya MJ imetambulishwa kwa majukumu mbalimbali ikiwa ni pamoja na uchomeleaji umeme.
Vifaa hivi vilijumuisha gurudumu la kuruka, moja ambalo lilizungushwa katika uga wa sumaku na mguso mmoja wa umeme karibu na mhimili na kingine karibu na pembezoni. Zimetumika kutoa mikondo ya juu sana kwa viwango vya chini katika maeneo kama vile kulehemu, electrolysis, na utafiti wa bunduki za reli. Katika matumizi ya nishati ya mapigo, kasi ya angular ya rota hutumika kuhifadhi nishati kwa muda mrefu na kisha kuitoa kwa muda mfupi.
Tofauti na aina nyingine za jenereta za unipolar zilizobadilishwa, volteji ya pato kamwe haibadilishi polarity. Kutenganishwa kwa malipo ni matokeo ya hatua ya nguvu ya Lorentz kwenye malipo ya bure kwenye diski. Mwendo ni azimuthal na shamba ni axial, hivyonguvu ya kielektroniki ni radial.
Migusano ya kielektroniki kwa kawaida hufanywa kupitia "brashi" au pete ya kuteleza, hivyo kusababisha hasara kubwa katika viwango vya chini vya voltage vinavyozalishwa. Baadhi ya hasara hizi zinaweza kupunguzwa kwa kutumia zebaki au chuma au aloi iliyoyeyushwa kwa urahisi (gallium, NaK) kama "brashi" ili kutoa mguso wa umeme unaoendelea.
Marekebisho
Marekebisho yaliyopendekezwa hivi majuzi yamekuwa ya kutumia mguso wa plasma ulio na kitiririkaji cha neon hasi kinachogusa ukingo wa diski au ngoma kwa kutumia kaboni ya utendakazi wa chini kabisa katika mistari wima. Hii inaweza kuwa na faida ya upinzani mdogo sana katika safu ya sasa, ikiwezekana hadi maelfu ya ampea, bila kugusa chuma kioevu.
Ikiwa sehemu ya sumaku imeundwa na sumaku ya kudumu, jenereta hufanya kazi bila kujali ikiwa sumaku imeambatishwa kwenye stator au inazunguka na diski. Kabla ya ugunduzi wa sheria ya nguvu ya elektroni na Lorentz, jambo hili lilikuwa lisiloelezeka na lilijulikana kama kitendawili cha Faraday.
Aina ya Ngoma
Jenereta ya homopolar ya aina ya ngoma ina uga wa sumaku (V) ambao hutoka katikati ya ngoma na kusababisha volkeno (V) kwa urefu wake wote. Ngoma ya kupitishia inayozunguka kutoka juu katika eneo la sumaku aina ya "kipaza sauti" yenye nguzo moja katikati na nyingine inayoizunguka, inaweza kutumia fani za mipira inayopitisha juu yake nasehemu za chini ili kunasa mkondo uliotengenezwa.
Kwa asili
Inductors za Unipolar hupatikana katika astrofizikia, ambapo kondakta huzunguka kupitia uga wa sumaku, kwa mfano, wakati plasma inayopitisha sauti ya juu katika ionosphere ya mwili wa anga inaposonga kupitia uga wake wa sumaku.
Vitokeo vya unipolar vimehusishwa na aurora ya Urani, nyota mbili, mashimo meusi, galaksi, mwezi wa Jupiter Io, Mwezi, upepo wa jua, madoa ya jua, na mkia wa sumaku wa Venusian.
Vipengele vya utaratibu
Kama vitu vyote vya angani vilivyotajwa hapo juu, diski ya Faraday hubadilisha nishati ya kinetiki kuwa nishati ya umeme. Mashine hii inaweza kuchanganuliwa kwa kutumia sheria ya Faraday mwenyewe ya uingizaji wa sumakuumeme.
Sheria hii katika umbo lake la kisasa inasema kwamba kitokaji kisichobadilika cha mtiririko wa sumaku kupitia saketi iliyofungwa huleta nguvu ya kielektroniki ndani yake, ambayo nayo husisimua mkondo wa umeme.
Kiungo cha uso kinachofafanua mtiririko wa sumaku kinaweza kuandikwa upya kama mstari kuzunguka sakiti. Ingawa muunganisho wa kiunga cha mstari hautegemei wakati, kwa kuwa diski ya Faraday ambayo ni sehemu ya mpaka wa hatua muhimu ya mstari, derivative ya muda wa jumla sio sifuri na inarudisha thamani sahihi ya kuhesabu nguvu ya umeme. Vinginevyo, diski inaweza kupunguzwa hadi pete ya conductive kuzunguka mzingo wake kwa kutamka chuma kimoja kuunganisha pete kwenye ekseli.
Lorentz yalazimisha sheria kuwa nyepesikutumika kuelezea tabia ya mashine. Sheria hii, iliyotungwa miaka thelathini baada ya kifo cha Faraday, inasema kwamba nguvu kwenye elektroni inalingana na bidhaa mtambuka ya kasi yake na vekta ya sumaku.
Katika maneno ya kijiometri, hii ina maana kwamba nguvu inaelekezwa katika pembe za kulia kwa kasi (azimuth) na flux ya sumaku (axial), ambayo kwa hiyo iko katika mwelekeo wa radial. Mwendo wa radial wa elektroni kwenye diski husababisha mgawanyo wa chaji kati ya kituo chake na ukingo, na ikiwa mzunguko umekamilika, mkondo wa umeme huzalishwa.
Motor ya umeme
Mota ya unipolar ni kifaa cha DC kilicho na nguzo mbili za sumaku, ambazo kondakta zake kila wakati huvuka mistari ya sumaku inayoelekeza moja kwa moja, kikizungusha kondakta kuzunguka mhimili usiobadilika ili kiwe kwenye pembe za kulia kwa uga tuli wa sumaku. EMF inayotokana (nguvu ya umeme), ambayo inaendelea katika mwelekeo mmoja, kwa motor homopolar hauhitaji commutator, lakini bado inahitaji pete za kuingizwa. Jina "homopolar" linaonyesha kuwa polarity ya umeme ya kondakta na nguzo za uwanja wa sumaku hazibadiliki (hiyo ni kwamba hauhitaji kubadili).
Mota ya unipolar ilikuwa injini ya kwanza ya umeme kutengenezwa. Kitendo chake kilionyeshwa na Michael Faraday mnamo 1821 katika Taasisi ya Kifalme huko London.
Uvumbuzi
Mnamo 1821, muda mfupi baada ya mwanafizikia na mwanakemia wa Denmark Hans Christian Oersted kugunduajambo la sumaku-umeme, Humphry Davy na mwanasayansi wa Uingereza William Hyde Wollaston walijaribu, lakini walishindwa, kuendeleza motor ya umeme. Faraday, aliyepingwa kama mzaha na Humphrey, aliendelea kuunda vifaa viwili kuunda kile alichokiita "mzunguko wa umeme". Mmoja wao, ambaye sasa anajulikana kama gari la homopolar, aliunda mwendo wa mviringo unaoendelea. Ilisababishwa na nguvu ya sumaku ya mviringo karibu na waya iliyowekwa kwenye bwawa la zebaki ambalo sumaku iliwekwa. Waya ingezunguka sumaku ikiwa inaendeshwa na betri ya kemikali.
Majaribio na uvumbuzi huu uliunda msingi wa teknolojia za kisasa za sumakuumeme. Hivi karibuni Faraday alichapisha matokeo. Hili liliharibu uhusiano na Davy kutokana na wivu wake juu ya mafanikio ya Faraday na kumfanya Faraday kugeukia mambo mengine, ambayo matokeo yake yalimzuia kushiriki katika utafiti wa sumakuumeme kwa miaka kadhaa.
B. G. Lamm alielezea mwaka wa 1912 mashine ya homopolar yenye nguvu ya 2000 kW, 260 V, 7700 A na 1200 rpm na pete 16 za kuingizwa zinazofanya kazi kwa kasi ya pembeni ya 67 m / s. Jenereta ya unipolar ya 1125kW, 7.5V, 150,000A, 514rpm iliyojengwa mwaka wa 1934 iliwekwa kwenye kinu cha chuma cha Marekani kwa ajili ya kulehemu bomba.
Sheria ile ile ya Lorentz
Uendeshaji wa injini hii ni sawa na ule wa jenereta ya mshtuko wa unipolar. Gari ya unipolar inaendeshwa na nguvu ya Lorentz. Kondakta aliye na mkondo wa mkondo unaopita ndani yake, wakati amewekwa kwenye uwanja wa sumaku na pembeni yake, anahisi nguvu ndani yake.mwelekeo perpendicular kwa wote shamba magnetic na sasa. Nguvu hii hutoa muda wa kugeuka kuzunguka mhimili wa mzunguko.
Kwa kuwa sehemu ya mwisho ni sambamba na uga wa sumaku, na uga pinzani wa sumaku hazibadilishi polarity, ubadilishaji hauhitajiki ili kuendelea kuzungusha kondakta. Usahihi huu unapatikana kwa urahisi zaidi kwa miundo ya zamu moja, na hivyo kufanya injini za homopolar kutofaa kwa matumizi mengi ya kiutendaji.
Kama mashine nyingi za kielektroniki (kama vile jenereta ya unipolar ya Neggerath), mota ya homopolar inaweza kutenduliwa: ikiwa kondakta itageuzwa kiufundi, itafanya kazi kama jenereta ya homopolar, na kuunda voltage ya DC kati ya vituo viwili vya kondakta.
Mkondo usiobadilika ni tokeo la asili ya homopolar ya muundo. Jenereta za Homopolar (HPGs) zilichunguzwa kwa kina mwishoni mwa karne ya 20 kama vyanzo vya volteji ya chini lakini mkondo wa moja kwa moja wa sasa wa juu sana, na kupata mafanikio fulani katika kuwasha bunduki za reli za majaribio.
Jengo
Kutengeneza jenereta ya unipolar kwa mikono yako mwenyewe ni rahisi sana. Motor unipolar pia ni rahisi sana kukusanyika. Sumaku ya kudumu hutumiwa kuunda uga wa sumaku wa nje ambapo kondakta itazunguka, na betri husababisha mkondo wa umeme kupita kwenye waya wa conductive.
Si lazima kwa sumaku kusogea au hata kugusana na injini nyingine; kusudi lake pekee ni kuunda uwanja wa sumaku ambao utafanyakuingiliana na uwanja sawa unaochochewa na mkondo kwenye waya. Inawezekana kuunganisha sumaku kwenye betri na kuruhusu kondakta kuzunguka kwa uhuru wakati mzunguko wa umeme unapokamilika, kugusa sehemu ya juu ya betri na sumaku iliyounganishwa chini ya betri. Waya na betri zinaweza kupata joto wakati wa matumizi endelevu.
