Un generador unipolar es un mecanismo eléctrico de corriente continua que contiene un disco o cilindro eléctricamente conductor que gira en un plano. Tiene potenciales de distinta potencia entre el centro del disco y el borde (o extremos del cilindro) con polaridad eléctrica, que depende del sentido de giro y de la orientación del campo.
También se le conoce como oscilador unipolar de Faraday. El voltaje suele ser bajo, del orden de unos pocos voltios en el caso de pequeños modelos de demostración, pero las grandes máquinas de investigación pueden generar cientos de voltios, y algunos sistemas tienen múltiples osciladores en serie para voltajes aún más altos. Son inusuales porque pueden generar una corriente eléctrica que es capaz de superar el millón de amperios, ya que un generador unipolar no tiene necesariamente una alta resistencia interna.
Historia de la invención
El primer mecanismo homopolar fue desarrollado por Michael Faraday durante sus experimentos en 1831. A menudo se lo conoce como disco o rueda de Faraday en su honor. Este fue el comienzo de las dínamos modernas.máquinas, es decir, generadores eléctricos que funcionan con un campo magnético. Era muy ineficiente y no se usaba como una fuente de energía práctica, pero mostró la posibilidad de generar electricidad usando magnetismo y allanó el camino para las dínamos de CC conmutadas y luego los alternadores.
Desventajas del primer generador
El disco de Faraday era principalmente ineficiente debido a los flujos de corriente que se aproximaban. El principio de funcionamiento de un generador unipolar se describirá solo con su ejemplo. Mientras que el flujo de corriente se inducía directamente debajo del imán, la corriente circulaba en la dirección opuesta. El reflujo limita la potencia de salida de los cables receptores y provoca un calentamiento innecesario del disco de cobre. Los generadores homopolares posteriores podrían resolver este problema con un conjunto de imanes colocados alrededor del perímetro del disco para mantener un campo constante alrededor de la circunferencia y eliminar las áreas donde podría ocurrir el reflujo.
Otros desarrollos
Poco después de que el disco de Faraday original fuera desacreditado como un generador práctico, se desarrolló una versión modificada que combinaba un imán y un disco en una parte giratoria (rotor), pero la idea misma de un generador unipolar de impacto se reservó para esto configuración. Una de las primeras patentes de mecanismos unipolares genéricos fue obtenida por A. F. Delafield, Patente de EE. UU. 278.516.
Investigación de mentes destacadas
Otras patentes unipolares de impacto tempranolos generadores se adjudicaron por separado a S. Z. De Ferranti y S. Batchelor. Nikola Tesla estaba interesado en el disco de Faraday y trabajó con mecanismos homopolares, y finalmente patentó una versión mejorada del dispositivo en la patente de EE. UU. 406,968.
La patente de "Dynamo Electric Machine" de Tesla (generador unipolar de Tesla) describe una disposición de dos discos paralelos con ejes paralelos separados conectados, como poleas, por una correa de metal. Cada disco tenía un campo opuesto al otro, de modo que el flujo de corriente pasaba de un eje al borde del disco, a través de la correa al otro borde y al segundo eje. Esto reduciría en gran medida las pérdidas por fricción causadas por los contactos deslizantes, permitiendo que ambos sensores eléctricos interactúen con los ejes de los dos discos en lugar del eje y la llanta de alta velocidad.
Se otorgaron patentes posteriores a S. P. Steinmetz y E. Thomson por su trabajo en generadores unipolares de alto voltaje. El Forbes Dynamo, diseñado por el ingeniero eléctrico escocés George Forbes, fue ampliamente utilizado a principios del siglo XX. La mayoría de los desarrollos realizados en los mecanismos homopolares han sido patentados por J. E. Noeggerath y R. Eickemeyer.
50s
Los generadores homopolares experimentaron un renacimiento en la década de 1950 como fuente de almacenamiento de energía pulsada. Estos dispositivos usaban discos pesados como una forma de volante para almacenar energía mecánica que podía volcarse rápidamente en el aparato experimental.
Un ejemplo temprano de este tipo de dispositivo fue creado por Sir Mark Oliphant en la Escuela de InvestigaciónCiencias Físicas e Ingeniería de la Universidad Nacional de Australia. Almacenó hasta 500 megajulios de energía y se usó como fuente de corriente ultra alta para experimentos de sincrotrón desde 1962 hasta que fue desmantelado en 1986. El diseño de Oliphant fue capaz de entregar corrientes de hasta 2 megaamperios (MA).
Desarrollado por Parker Kinetic Designs
Parker Kinetic Designs (anteriormente OIME Research & Development) de Austin diseña y fabrica dispositivos aún más grandes como este. Produjeron dispositivos para una variedad de propósitos, desde accionar pistolas de ferrocarril hasta motores lineales (para lanzamientos espaciales) y varios diseños de armas. Se han introducido 10 diseños industriales MJ para diversas funciones, incluida la soldadura eléctrica.
Estos dispositivos consistían en un volante conductor, uno de los cuales giraba en un campo magnético con un contacto eléctrico cerca del eje y el otro cerca de la periferia. Se han utilizado para generar corrientes muy altas a voltajes bajos en áreas como la soldadura, la electrólisis y la investigación de cañones de riel. En las aplicaciones de energía pulsada, el momento angular del rotor se utiliza para almacenar energía durante un largo período y luego liberarla en poco tiempo.
A diferencia de otros tipos de generadores unipolares conmutados, el voltaje de salida nunca invierte la polaridad. La separación de cargas es el resultado de la acción de la fuerza de Lorentz sobre las cargas libres del disco. El movimiento es azimutal y el campo es axial, entoncesla fuerza electromotriz es radial.
Los contactos eléctricos generalmente se realizan a través de un "cepillo" o anillo deslizante, lo que genera grandes pérdidas en los bajos voltajes generados. Algunas de estas pérdidas pueden reducirse utilizando mercurio u otro metal o aleación fácilmente licuable (galio, NaK) como "cepillo" para proporcionar un contacto eléctrico casi continuo.
Modificación
Una modificación propuesta recientemente ha sido el uso de un contacto de plasma equipado con una serpentina de neón de resistencia negativa que toca el borde del disco o tambor utilizando carbono especializado de función de bajo trabajo en franjas verticales. Esto tendría la ventaja de una resistencia muy baja en el rango actual, posiblemente hasta miles de amperios, sin contacto con metal líquido.
Si el campo magnético es creado por un imán permanente, el generador funciona independientemente de si el imán está unido al estator o gira con el disco. Antes del descubrimiento del electrón y la ley de la fuerza de Lorentz, este fenómeno era inexplicable y se conocía como la paradoja de Faraday.
Tipo de batería
Un generador homopolar tipo tambor tiene un campo magnético (V) que irradia radialmente desde el centro del tambor e induce un voltaje (V) a lo largo de toda su longitud. Un tambor conductor que gire desde arriba en la región de un imán tipo " altavoz" con un polo en el centro y el otro rodeándolo, puede usar cojinetes de bolas conductores en su parte superior ypartes inferiores para capturar la corriente generada.
En la naturaleza
Los inductores unipolares se encuentran en la astrofísica, donde el conductor gira a través de un campo magnético, por ejemplo, cuando un plasma altamente conductor en la ionosfera de un cuerpo espacial se mueve a través de su campo magnético.
Los inductores unipolares se han asociado con la aurora de Urano, las estrellas binarias, los agujeros negros, las galaxias, la luna Io de Júpiter, la Luna, el viento solar, las manchas solares y la cola magnética de Venus.
Características del mecanismo
Como todos los objetos espaciales mencionados anteriormente, 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 constante derivada del flujo magnético a través de un circuito cerrado induce una fuerza electromotriz en él, que a su vez excita una corriente eléctrica.
La integral de superficie que define el flujo magnético se puede reescribir como lineal alrededor del circuito. Aunque el integrando de la integral de línea no depende del tiempo, dado que el disco de Faraday que forma parte de la frontera de la integral de línea se mueve, la derivada del tiempo total no es cero y da el valor correcto para el cálculo de la fuerza electromotriz. Alternativamente, el disco se puede reducir a un anillo conductor alrededor de su circunferencia con un solo radio de metal que conecta el anillo al eje.
Encendedor de la ley de fuerza de Lorentzutilizarse 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 vectorial de su velocidad y el vector de flujo magnético.
En términos geométricos, esto significa que la fuerza se dirige en ángulo recto tanto con la velocidad (acimut) como con el flujo magnético (axial), que por lo tanto tiene dirección radial. El movimiento radial de los electrones en el disco provoca una separación de cargas entre su centro y el borde, y si se completa el circuito, se genera una corriente eléctrica.
Motor eléctrico
Un motor unipolar es un dispositivo de corriente continua con dos polos magnéticos, cuyos conductores siempre cruzan líneas de flujo magnético unidireccional, girando el conductor alrededor de un eje fijo para que esté en ángulo recto con el campo magnético estático. La EMF (fuerza electromotriz) resultante, que es continua en una dirección, para un motor homopolar no requiere un conmutador, pero aún requiere anillos deslizantes. El nombre "homopolar" indica que la polaridad eléctrica del conductor y los polos del campo magnético no cambian (es decir, que no requiere conmutación).
El motor unipolar fue el primer motor eléctrico que se construyó. Su acción fue demostrada por Michael Faraday en 1821 en la Royal Institution de Londres.
Invención
En 1821, poco después de que el físico y químico danés Hans Christian Oersted descubrierafenómeno del electromagnetismo, Humphry Davy y el científico británico William Hyde Wollaston intentaron, sin éxito, desarrollar un motor eléctrico. Faraday, discutido como una broma por Humphrey, pasó a crear dos dispositivos para crear lo que llamó "rotación electromagnética". Uno de ellos, ahora conocido como impulso homopolar, creó un movimiento circular continuo. Fue causado por una fuerza magnética circular alrededor de un cable colocado en una piscina de mercurio en la que se colocó el imán. El cable giraría alrededor del imán si estuviera alimentado por una batería química.
Estos experimentos e inventos formaron la base de las modernas tecnologías electromagnéticas. Pronto Faraday publicó los resultados. Esto tensó las relaciones con Davy debido a sus celos por los logros de Faraday y provocó que este último se dedicara a otras cosas, lo que le impidió participar en la investigación electromagnética durante varios años.
B. G. Lamm describió en 1912 una máquina homopolar con una potencia de 2000 kW, 260 V, 7700 A y 1200 rpm con 16 anillos rozantes operando a una velocidad periférica de 67 m/s. Un generador unipolar de 1125 kW, 7,5 V, 150 000 A y 514 rpm construido en 1934 se instaló en una acería estadounidense para soldar tuberías.
La misma ley de Lorentz
El funcionamiento de este motor es similar al de un generador unipolar de choque. El motor unipolar es accionado por la fuerza de Lorentz. Un conductor por el que circula una corriente, cuando se coloca en un campo magnético y perpendicular a él, siente una fuerza endirección perpendicular tanto al campo magnético como a la corriente. Esta fuerza proporciona un momento de giro alrededor del eje de rotación.
Dado que este último es paralelo al campo magnético y los campos magnéticos opuestos no cambian de polaridad, no es necesario cambiar para continuar girando el conductor. Esta simplicidad se logra más fácilmente con diseños de una sola vuelta, lo que hace que los motores homopolares no sean adecuados para la mayoría de las aplicaciones prácticas.
Como la mayoría de las máquinas electromecánicas (como el generador unipolar de Neggerath), el motor homopolar es reversible: si el conductor se gira mecánicamente, funcionará como un generador homopolar, creando un voltaje de CC entre los dos terminales del conductor.
La corriente constante es consecuencia de la naturaleza homopolar del diseño. Los generadores homopolares (HPG, por sus siglas en inglés) se exploraron ampliamente a fines del siglo XX como fuentes de corriente continua de bajo voltaje pero de muy alta corriente, y lograron cierto éxito en la alimentación de cañones de riel experimentales.
Edificio
Hacer un generador unipolar con tus propias manos es bastante simple. El motor unipolar también es muy fácil de montar. El imán permanente se utiliza para crear un campo magnético externo en el que girará el conductor y la batería hará que la corriente fluya a lo largo del cable conductor.
No es necesario que el imán se mueva o incluso entre en contacto con el resto del motor; su único propósito es crear un campo magnético queinteractuar con un campo similar inducido por la corriente en el cable. Es posible conectar un imán a una batería y permitir que el conductor gire libremente a medida que se completa el circuito eléctrico, tocando tanto la parte superior de la batería como el imán conectado a la parte inferior de la batería. El cable y la batería pueden calentarse durante el uso continuo.
