Máy phát điện đơn cực là một cơ chế điện dòng điện một chiều có chứa một đĩa hoặc hình trụ dẫn điện quay trong một mặt phẳng. Nó có các điện thế khác nhau giữa tâm đĩa và vành (hoặc các đầu của hình trụ) với cực điện, phụ thuộc vào hướng quay và hướng của trường.
Nó còn được gọi là bộ dao động Faraday đơn cực. Điện áp thường thấp, theo thứ tự vài vôn trong trường hợp mô hình trình diễn nhỏ, nhưng các máy nghiên cứu lớn có thể tạo ra hàng trăm vôn, và một số hệ thống có nhiều bộ dao động nối tiếp cho điện áp thậm chí cao hơn. Chúng khác thường ở chỗ chúng có thể tạo ra dòng điện có khả năng vượt quá một triệu ampe, vì máy phát điện đơn cực không nhất thiết phải có điện trở bên trong cao.
Câu chuyện phát minh
Cơ chế đồng cực đầu tiên được phát triển bởi Michael Faraday trong các thí nghiệm của ông vào năm 1831. Nó thường được gọi là đĩa Faraday hoặc bánh xe sau anh ta. Đây là sự khởi đầu của máy phát điện hiện đạimáy, tức là máy phát điện hoạt động trên từ trường. Nó rất kém hiệu quả và không được sử dụng như một nguồn điện thực tế, nhưng cho thấy khả năng tạo ra điện bằng từ tính và mở đường cho máy phát điện một chiều chuyển mạch và sau đó là máy phát điện xoay chiều.
Nhược điểm của máy phát điện đầu tiên
Đĩa củaFaraday chủ yếu không hiệu quả do dòng điện đang đến. Nguyên tắc hoạt động của máy phát điện đơn cực sẽ được mô tả chỉ bằng ví dụ của nó. Trong khi dòng điện được cảm ứng trực tiếp dưới nam châm, thì dòng điện chạy theo chiều ngược lại. Dòng chảy ngược giới hạn công suất đầu ra cho các dây nhận và gây nóng đĩa đồng không cần thiết. Các máy phát điện đồng âm sau này có thể giải quyết vấn đề này bằng một tập hợp các nam châm đặt xung quanh chu vi của đĩa để duy trì trường không đổi xung quanh chu vi và loại bỏ các khu vực có thể xảy ra hiện tượng chảy ngược.
Phát triển thêm
Ngay sau khi đĩa Faraday ban đầu bị mất uy tín như một máy phát điện thực tế, một phiên bản sửa đổi đã được phát triển kết hợp nam châm và đĩa trong một bộ phận quay (rôto), nhưng ý tưởng về một máy phát điện đơn cực tác động được dành riêng cho việc này cấu hình. Một trong những bằng sáng chế sớm nhất cho các cơ chế đơn cực chung đã được A. F. Delafield, Hoa Kỳ, Bằng sáng chế 278.516.
Nghiên cứu những bộ óc xuất chúng
Bằng sáng chế đơn cực tác động sớm khácmáy phát điện đã được trao tặng riêng cho S. Z. De Ferranti và S. Batcosystem. Nikola Tesla quan tâm đến đĩa Faraday và đã làm việc với cơ chế đồng cực, và cuối cùng đã được cấp bằng sáng chế cho một phiên bản cải tiến của thiết bị này trong Bằng sáng chế Hoa Kỳ 406.968.
Bằng sáng chế "Dynamo Electric Machine" củaTesla (máy phát điện đơn cực của Tesla) mô tả sự sắp xếp của hai đĩa song song với các trục song song riêng biệt được kết nối, giống như ròng rọc, bằng một đai kim loại. Mỗi đĩa có một trường đối diện với đĩa kia, sao cho dòng điện truyền từ trục này sang mép đĩa, qua dây đai đến mép kia và đến trục thứ hai. Điều này sẽ làm giảm đáng kể tổn thất ma sát gây ra bởi các tiếp điểm trượt, cho phép cả hai cảm biến điện tương tác với trục của hai đĩa chứ không phải trục và vành tốc độ cao.
Các bằng sáng chế sau đó đã được trao cho S. P. Steinmetz và E. Thomson cho công trình nghiên cứu của họ về máy phát điện đơn cực điện áp cao. Forbes Dynamo, được thiết kế bởi kỹ sư điện người Scotland George Forbes, đã được sử dụng rộng rãi vào đầu thế kỷ 20. Hầu hết những phát triển được thực hiện trong cơ chế đồng cực đã được cấp bằng sáng chế bởi J. E. Noeggerath và R. Eickemeyer.
50s
Máy phát điện đồng chất trải qua thời kỳ phục hưng vào những năm 1950 như một nguồn lưu trữ năng lượng xung. Các thiết bị này sử dụng đĩa nặng như một dạng bánh đà để lưu trữ năng lượng cơ học có thể nhanh chóng được đưa vào thiết bị thí nghiệm.
Một ví dụ ban đầu về loại thiết bị này được tạo ra bởi Ngài Mark Oliphant tại Trường Nghiên cứuKhoa học Vật lý và Kỹ thuật của Đại học Quốc gia Úc. Nó tích trữ tới 500 megajoules năng lượng và được sử dụng làm nguồn dòng điện cực cao cho các thí nghiệm đồng bộ hóa từ năm 1962 cho đến khi nó bị tháo dỡ vào năm 1986. Thiết kế của Oliphant có khả năng cung cấp dòng điện lên đến 2 megaampe (MA).
Được phát triển bởi Parker Kinetic Designs
Ngay cả những thiết bị lớn hơn như thế này cũng được thiết kế và chế tạo bởi Parker Kinetic Designs (trước đây là OIME Research & Development) của Austin. Họ sản xuất các thiết bị cho nhiều mục đích khác nhau, từ cung cấp năng lượng cho súng lục đường sắt đến động cơ tuyến tính (để phóng vào không gian) và các thiết kế vũ khí khác nhau. 10 kiểu dáng công nghiệp MJ đã được giới thiệu cho các vai trò khác nhau bao gồm hàn điện.
Những thiết bị này bao gồm một bánh đà dẫn điện, một trong số đó quay trong từ trường với một tiếp điểm điện gần trục và một tiếp điểm gần ngoại vi. Chúng đã được sử dụng để tạo ra dòng điện rất cao ở điện áp thấp trong các lĩnh vực như hàn, điện phân và nghiên cứu súng ống. Trong các ứng dụng năng lượng xung, mômen động lượng của rôto được sử dụng để tích trữ năng lượng trong một thời gian dài và sau đó giải phóng nó trong một thời gian ngắn.
Không giống như các loại máy phát điện đơn cực giao hoán khác, điện áp đầu ra không bao giờ đảo ngược cực tính. Sự phân tách các điện tích là kết quả của tác dụng của lực Lorentz lên các điện tích tự do trong đĩa. Chuyển động là phương vị và trường là trục, do đósuất điện động hướng tâm.
Tiếp điểm điện thường được thực hiện thông qua một "chổi quét" hoặc vòng trượt, dẫn đến tổn thất cao ở điện áp thấp được tạo ra. Một số tổn thất này có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng thủy ngân hoặc một kim loại hoặc hợp kim dễ hóa lỏng khác (gali, NaK) làm "chổi quét" để cung cấp tiếp xúc điện gần như liên tục.
Sửa đổi
Một sửa đổi được đề xuất gần đây là sử dụng tiếp điểm plasma được trang bị với bộ phát sóng neon điện trở âm chạm vào mép của đĩa hoặc trống sử dụng carbon chức năng làm việc thấp chuyên dụng trong các sọc dọc. Điều này có lợi thế là điện trở rất thấp trong phạm vi hiện tại, có thể lên đến hàng nghìn ampe, mà không cần tiếp xúc với kim loại lỏng.
Nếu từ trường được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu, thì máy phát sẽ hoạt động bất kể nam châm được gắn vào stato hay quay cùng đĩa. Trước khi phát hiện ra electron và định luật lực Lorentz, hiện tượng này không thể giải thích được và được gọi là nghịch lý Faraday.
Loại trống
Một máy phát điện đồng âm kiểu trống có từ trường (V) bức xạ xuyên tâm từ tâm của trống và tạo ra một điện áp (V) dọc theo toàn bộ chiều dài của nó. Một trống dẫn điện quay từ trên cao trong vùng của một nam châm loại "loa" với một cực ở trung tâm và một cực bao quanh nó, có thể sử dụng các ổ bi dẫn điện ở trên cùng của nó vàcác phần thấp hơn để nắm bắt dòng điện được tạo ra.
Trong tự nhiên
Cuộn cảm đơn cực được tìm thấy trong vật lý thiên văn, nơi mà vật dẫn quay trong từ trường, chẳng hạn, khi một plasma dẫn điện cao trong tầng điện ly của một vật thể không gian di chuyển qua từ trường của nó.
Các cuộn cảm đơn cực có liên quan đến cực quang Uran, sao đôi, lỗ đen, thiên hà, Io của sao Mộc, Mặt trăng, gió Mặt trời, vết đen và đuôi từ trường của sao Kim.
Tính năng cơ chế
Giống như tất cả các vật thể không gian nói trên, đĩa Faraday chuyển động năng thành năng lượng điện. Máy này có thể được phân tích bằng cách sử dụng định luật cảm ứng điện từ riêng của Faraday.
Định luật này ở dạng hiện đại nói rằng đạo hàm không đổi của từ thông qua một mạch kín tạo ra suất điện động trong nó, do đó kích thích dòng điện.
Tích phân bề mặt xác định từ thông có thể được viết lại dưới dạng tuyến tính xung quanh mạch. Mặc dù tích phân của tích phân đường không phụ thuộc vào thời gian, vì đĩa Faraday là một phần của biên của tích phân đường di chuyển, đạo hàm của tổng thời gian không bằng 0 và trả về giá trị chính xác để tính sức điện động. Ngoài ra, đĩa có thể được giảm thành một vòng dẫn điện xung quanh chu vi của nó với một chấu kim loại duy nhất kết nối vòng với trục.
Luật lực Lorentz nhẹ hơnđược sử dụng để giải thích hoạt động của máy. Định luật này, được hình thành ba mươi năm sau khi Faraday qua đời, nói rằng lực tác động lên một electron tỷ lệ với tích chéo của vận tốc và vectơ từ thông của nó.
Về mặt hình học, điều này có nghĩa là lực hướng vuông góc với cả vận tốc (phương vị) và từ thông (trục), do đó theo hướng xuyên tâm. Chuyển động xuyên tâm của các electron trong đĩa gây ra sự phân tách các điện tích giữa tâm và vành của nó, và nếu hoàn thành mạch, một dòng điện sẽ được tạo ra.
Động cơ điện
Động cơ một cực là thiết bị điện một chiều có hai cực từ mà dây dẫn luôn cắt đường sức từ một chiều, làm quay dây dẫn quanh một trục cố định sao cho vuông góc với từ trường tĩnh. Kết quả EMF (sức điện động), liên tục theo một hướng, đối với động cơ đồng cực không yêu cầu cổ góp, nhưng vẫn yêu cầu các vòng trượt. Tên "đồng cực" cho biết cực tính điện của vật dẫn và các cực của từ trường không thay đổi (nghĩa là nó không yêu cầu chuyển đổi).
Động cơ đơn cực là động cơ điện đầu tiên được chế tạo. Hành động của nó đã được chứng minh bởi Michael Faraday vào năm 1821 tại Viện Hoàng gia ở London.
Sáng chế
Năm 1821, ngay sau khi nhà vật lý và hóa học người Đan Mạch Hans Christian Oersted phát hiện rahiện tượng điện từ, Humphry Davy và nhà khoa học người Anh William Hyde Wollaston đã cố gắng phát triển động cơ điện nhưng không thành công. Faraday, bị cho là một trò đùa của Humphrey, đã tiếp tục tạo ra hai thiết bị để tạo ra cái mà ông gọi là "quay điện từ". Một trong số chúng, ngày nay được gọi là ổ đồng âm, đã tạo ra chuyển động tròn liên tục. Nó được tạo ra bởi một lực từ tròn xung quanh một dây dẫn đặt trong một bể thủy ngân, trong đó đặt nam châm. Dây sẽ xoay quanh nam châm nếu nó được cấp điện bằng pin hóa học.
Những thí nghiệm và phát minh này đã hình thành nền tảng của công nghệ điện từ hiện đại. Ngay sau đó Faraday đã công bố kết quả. Mối quan hệ căng thẳng này với Davy do sự ghen tị của anh ta với những thành tựu của Faraday và khiến anh ta quay sang việc khác, điều này khiến anh ta không thể tham gia nghiên cứu điện từ trong vài năm.
B. G. Lamm mô tả năm 1912 một cỗ máy đồng âm có công suất 2000 kW, 260 V, 7700 A và 1200 vòng / phút với 16 vòng trượt hoạt động ở tốc độ ngoại vi 67 m / s. Một máy phát điện đơn cực 1125kW, 7,5V, 150.000A, 514 vòng / phút được chế tạo vào năm 1934 đã được lắp đặt trong một nhà máy thép của Mỹ để hàn ống.
Định luật Lorentz giống nhau
Hoạt động của động cơ này tương tự như của một máy phát điện đơn cực xung kích. Động cơ đơn cực được điều khiển bởi lực Lorentz. Một dây dẫn có dòng điện chạy qua, khi đặt trong từ trường và vuông góc với nó thì cảm thấy một lực tác dụng vàohướng vuông góc với cả từ trường và dòng điện. Lực này tạo ra một mômen quay quanh trục quay.
Vì từ trường sau song song với từ trường và từ trường ngược chiều không thay đổi cực, nên không cần chuyển mạch để tiếp tục quay dây dẫn. Sự đơn giản này dễ dàng đạt được nhất với các thiết kế quay một vòng, khiến động cơ đồng cực không phù hợp với hầu hết các ứng dụng thực tế.
Giống như hầu hết các máy điện cơ (như máy phát điện đơn cực của Neggerath), động cơ đồng cực có thể đảo ngược: nếu dây dẫn được quay về mặt cơ học, nó sẽ hoạt động như một máy phát điện đồng cực, tạo ra điện áp một chiều giữa hai đầu cực của dây dẫn.
Dòng điện không đổi là hệ quả của tính chất đồng cực của thiết kế. Máy phát điện đồng âm (HPG) đã được khám phá rộng rãi vào cuối thế kỷ 20 như là nguồn cung cấp dòng điện một chiều có điện áp thấp nhưng rất cao, và đã đạt được một số thành công trong việc cung cấp năng lượng cho các ống sắt thử nghiệm.
Tòa nhà
Tự làm máy phát điện đơn cực bằng tay của bạn khá đơn giản. Động cơ đơn cực cũng rất dễ lắp ráp. Nam châm vĩnh cửu được sử dụng để tạo ra từ trường bên ngoài, trong đó dây dẫn sẽ quay, và pin tạo ra dòng điện chạy dọc theo dây dẫn.
Không cần thiết để nam châm di chuyển hoặc thậm chí tiếp xúc với phần còn lại của động cơ; mục đích duy nhất của nó là tạo ra một từ trường sẽtương tác với một trường tương tự gây ra bởi dòng điện trong dây. Có thể gắn nam châm vào pin và cho dây dẫn quay tự do khi hoàn thành mạch điện, chạm vào cả mặt trên của pin và nam châm gắn vào đáy của pin. Dây và pin có thể bị nóng khi sử dụng liên tục.
