גנרטור חד קוטבי הוא מנגנון חשמלי זרם ישר המכיל דיסק או צילינדר מוליכים חשמלית המסתובבים במישור. יש לו פוטנציאלים של כוח שונה בין מרכז הדיסק לשפת (או קצוות הגליל) עם קוטביות חשמלית, התלויה בכיוון הסיבוב ובכיוון השדה.
זה ידוע גם בתור מתנד Faraday החד-קוטבי. המתח הוא בדרך כלל נמוך, בסדר גודל של כמה וולטים במקרה של דגמי הדגמה קטנים, אבל מכונות מחקר גדולות יכולות לייצר מאות וולט, ולחלק מהמערכות יש מספר מתנדים מסדרה עבור מתחים גבוהים אף יותר. הם יוצאי דופן בכך שהם יכולים ליצור זרם חשמלי שמסוגל לעלות על מיליון אמפר, שכן לגנרטור חד קוטבי אין בהכרח התנגדות פנימית גבוהה.
סיפור המצאה
המנגנון ההופולארי הראשון פותח על ידי מייקל פאראדיי במהלך הניסויים שלו ב-1831. זה מכונה לעתים קרובות דיסק פאראדיי או גלגל אחריו. זו הייתה ההתחלה של הדינמות המודרניותמכונות, כלומר גנרטורים חשמליים הפועלים על שדה מגנטי. זה היה מאוד לא יעיל ולא שימש כמקור כוח מעשי, אבל הראה את האפשרות לייצר חשמל באמצעות מגנטיות וסלל את הדרך לדינמות DC מוחלפות ולאחר מכן אלטרנטורים.
חסרונות של הגנרטור הראשון
הדיסק של פאראדיי לא היה יעיל בעיקר בגלל זרימות הזרם המתקרבות. עקרון הפעולה של גנרטור חד קוטבי יתואר רק בדוגמה שלו. בעוד שזרימת הזרם הושרה ישירות מתחת למגנט, הזרם הסתובב בכיוון ההפוך. הזרימה האחורית מגבילה את הספק המוצא של חוטי הקליטה וגורמת לחימום מיותר של דיסק הנחושת. גנרטורים הופולאריים מאוחרים יותר יוכלו לפתור בעיה זו עם קבוצה של מגנטים המוצבים סביב היקף הדיסק כדי לשמור על שדה קבוע מסביב להיקף ולחסל אזורים שבהם עלולה להתרחש זרימה חוזרת.
התפתחויות נוספות
זמן קצר לאחר שהדיסק המקורי של פאראדיי הוכפש כמחולל מעשי, פותחה גרסה שונה המשלבת מגנט ודיסק בחלק מסתובב אחד (רוטור), אך עצם הרעיון של מחולל חד-קוטבי השפעה נשמר לכך תְצוּרָה. אחד הפטנטים המוקדמים ביותר למנגנונים חד-קוטביים גנריים הושג על ידי A. F. Delafield, פטנט אמריקאי 278,516.
מחקר של מוחות מצטיינים
פטנטים חד-קוטביים אחרים בעלי השפעה מוקדמתהגנרטורים הוענקו בנפרד ל-S. Z. De Ferranti ו-S. Batchelor. ניקולה טסלה התעניין בדיסק פאראדיי ועשה עבודה עם מנגנונים הומופולאריים, ובסופו של דבר רשם פטנט על גרסה משופרת של המכשיר בפטנט אמריקאי 406,968.
הפטנט של "Dynamo Electric Machine" של טסלה (הגנרטור החד-קוטבי של טסלה) מתאר סידור של שני דיסקים מקבילים עם צירים מקבילים נפרדים המחוברים, כמו גלגלות, באמצעות חגורת מתכת. לכל דיסק היה שדה מנוגד לשני, כך שזרימת הזרם עברה מפיר אחד לקצה הדיסק, דרך החגורה לקצה השני ולפיר השני. זה יפחית במידה ניכרת את הפסדי החיכוך הנגרמים על ידי המגעים המחליקים, מה שיאפשר לשני החיישנים החשמליים לקיים אינטראקציה עם הצירים של שני הדיסקים ולא עם הפיר והחישוק במהירות גבוהה.
פטנטים מאוחרים יותר הוענקו ל-S. P. Steinmetz ו-E. Thomson על עבודתם על גנרטורים חד-קוטביים במתח גבוה. הדינמו של פורבס, שתוכנן על ידי מהנדס החשמל הסקוטי ג'ורג' פורבס, היה בשימוש נרחב בתחילת המאה ה-20. רוב הפיתוחים שנעשו במנגנונים הופולאריים נרשמו בפטנט על ידי J. E. נוגראת' ור' אייקמאייר.
50s
גנרטורים הומופולאריים חוו רנסנס בשנות ה-50 כמקור לאגירת אנרגיה פעימה. מכשירים אלה השתמשו בדיסקים כבדים כצורה של גלגל תנופה כדי לאחסן אנרגיה מכנית שניתן היה לזרוק במהירות לתוך מנגנון הניסוי.
דוגמה מוקדמת למכשיר מסוג זה נוצרה על ידי סר מארק אוליפנט בבית הספר למחקרמדעי פיזיקה והנדסה מהאוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה. הוא אחסן עד 500 מגה-ג'אול של אנרגיה ושימש כמקור זרם גבוה במיוחד לניסויי סינכרוטרונים משנת 1962 ועד לפירוקו ב-1986. העיצוב של אוליפנט היה מסוגל לספק זרמים של עד 2 מגה אמפר (MA).
פותח על ידי Parker Kinetic Designs
אפילו מכשירים גדולים יותר כמו זה תוכננו ונבנו על ידי Parker Kinetic Designs (לשעבר OIME Research & Development) מאוסטין. הם ייצרו מכשירים למגוון מטרות, החל מאקדחי רכבת ועד מנועים ליניאריים (לשיגור לחלל) ועיצובי נשק שונים. 10 עיצובים תעשייתיים של MJ הוצגו לתפקידים שונים כולל ריתוך חשמלי.
התקנים אלו כללו גלגל תנופה מוליך, שאחד מהם הסתובב בשדה מגנטי עם מגע חשמלי אחד ליד הציר והשני ליד הפריפריה. הם שימשו ליצירת זרמים גבוהים מאוד במתחים נמוכים בתחומים כמו ריתוך, אלקטרוליזה ומחקר רובי רכבת. ביישומי אנרגיה פעימה, התנע הזוויתי של הרוטור משמש לאגירת אנרגיה לתקופה ארוכה ולאחר מכן לשחרר אותה תוך זמן קצר.
בניגוד לסוגים אחרים של גנרטורים חד-קוטביים מתקוממים, מתח המוצא לעולם לא הופך קוטביות. הפרדת המטענים היא תוצאה של פעולת כוח לורנץ על המטענים החופשיים בדיסק. התנועה היא אזימוטלית והשדה הוא צירי, אזהכוח האלקטרוני הוא רדיאלי.
מגעים חשמליים נעשים בדרך כלל באמצעות "מברשת" או טבעת החלקה, וכתוצאה מכך הפסדים גבוהים במתחים הנמוכים שנוצרו. ניתן לצמצם חלק מההפסדים הללו על ידי שימוש בכספית או מתכת או סגסוגת אחרת המנוזלת בקלות (גליום, NaK) כ"מברשת" כדי לספק מגע חשמלי כמעט רציף.
שינוי
שינוי שהוצע לאחרונה היה שימוש במגע פלזמה מצויד בסטרימר ניאון התנגדות שלילית הנוגע בקצה הדיסק או התוף באמצעות פחמן מיוחד עם פונקציית עבודה נמוכה בפסים אנכיים. לזה יהיה יתרון של התנגדות נמוכה מאוד בטווח הנוכחי, אולי עד אלפי אמפר, ללא מגע עם מתכת נוזלית.
אם השדה המגנטי נוצר על ידי מגנט קבוע, הגנרטור פועל ללא קשר אם המגנט מחובר לסטטור או מסתובב עם הדיסק. לפני גילוי האלקטרון וחוק הכוח של לורנץ, תופעה זו הייתה בלתי מוסברת ונודעה כפרדוקס פאראדיי.
סוג תוף
לגנרטור הומקוטבי מסוג תוף יש שדה מגנטי (V) המוקרן באופן רדיאלי ממרכז התוף ומשרה מתח (V) לכל אורכו. תוף מוליך המסתובב מלמעלה באזור של מגנט מסוג "רמקול" שקוטב אחד במרכזו והשני מקיף אותו, עשוי להשתמש במיסבים כדוריים מוליכים בחלק העליון שלו.חלקים תחתונים כדי ללכוד את הזרם שנוצר.
בטבע
משרים חד-קוטביים נמצאים באסטרופיזיקה, שם המוליך מסתובב דרך שדה מגנטי, למשל, כאשר פלזמה בעלת מוליכות גבוהה ביונוספירה של גוף חלל נעה דרך השדה המגנטי שלו.
משרנים חד-קוטביים נקשרו עם זוהר השמש האוראנית, כוכבים בינארים, חורים שחורים, גלקסיות, ירח צדק איו, הירח, רוח השמש, כתמי שמש והזנב המגנטי של נוגה.
תכונות מנגנון
כמו כל אובייקטי החלל שהוזכרו לעיל, הדיסק Faraday ממיר אנרגיה קינטית לאנרגיה חשמלית. ניתן לנתח מכונה זו באמצעות חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית של פאראדיי עצמו.
חוק זה בצורתו המודרנית קובע שהנגזרת הקבועה של השטף המגנטי דרך מעגל סגור משרה בו כוח אלקטרו-מוטורי, שבתורו מעורר זרם חשמלי.
את אינטגרל פני השטח שמגדיר את השטף המגנטי ניתן לשכתב כליניארי סביב המעגל. למרות שהאינטגרנד של אינטגרל הקו אינו תלוי בזמן, מאחר שדיסק פאראדיי המהווה חלק מגבול אינטגרל הישר נע, הנגזרת של הזמן הכולל אינה אפס ומחזירה את הערך הנכון לחישוב הכוח האלקטרו-מוטורי. לחלופין, ניתן לצמצם את הדיסק לטבעת מוליכה סביב היקפו עם חישור מתכת אחד המחבר את הטבעת לציר.
לורנץ כוח מצית את החוקלשמש כדי להסביר את התנהגות המכונה. חוק זה, שנוסח שלושים שנה לאחר מותו של פאראדיי, קובע שהכוח על אלקטרון הוא פרופורציונלי למכפלת הצלב של מהירותו ולווקטור השטף המגנטי.
במונחים גיאומטריים, זה אומר שהכוח מופנה בזוית ישרה הן למהירות (אזימוט) והן לשטף המגנטי (צירי), אשר לכן הוא בכיוון הרדיאלי. התנועה הרדיאלית של אלקטרונים בדיסק גורמת להפרדה של מטענים בין מרכזה לשפתה, ואם המעגל הושלם, נוצר זרם חשמלי.
מנוע חשמלי
מנוע חד-קוטבי הוא התקן DC בעל שני קטבים מגנטיים, שהמוליכים שלו חוצים תמיד קווי שטף מגנטי חד-כיווני, ומסובב את המוליך סביב ציר קבוע כך שהוא ישר זווית לשדה המגנטי הסטטי. ה-EMF (כוח אלקטרו-מוטיבי) המתקבל, שהוא רציף בכיוון אחד, למנוע הומפולארי אינו דורש קומוטטור, אך עדיין דורש טבעות החלקה. השם "הומופולארי" מציין שהקוטביות החשמלית של המוליך והקטבים של השדה המגנטי אינם משתנים (כלומר, שאינו מצריך מיתוג).
המנוע החד-קוטבי היה המנוע החשמלי הראשון שנבנה. פעולתו הוכחה על ידי מייקל פאראדיי בשנת 1821 במוסד המלכותי בלונדון.
המצאה
בשנת 1821, זמן קצר לאחר שהפיזיקאי והכימאי הדני הנס כריסטיאן אורסטד גילהתופעת האלקטרומגנטיות, האמפרי דייווי והמדען הבריטי ויליאם הייד וולסטון ניסו, אך לא הצליחו, לפתח מנוע חשמלי. פאראדיי, שעורר מחלוקת על ידי האמפרי כבדיחה, המשיך ליצור שני מכשירים ליצירת מה שהוא כינה "סיבוב אלקטרומגנטי". אחד מהם, הידוע כיום ככונן ההופולארי, יצר תנועה מעגלית מתמשכת. זה נגרם מכוח מגנטי מעגלי סביב חוט שהונח בבריכה של כספית בה הונח המגנט. החוט היה מסתובב סביב המגנט אם הוא היה מופעל באמצעות סוללה כימית.
ניסויים והמצאות אלו היוו את הבסיס לטכנולוגיות אלקטרומגנטיות מודרניות. עד מהרה פירסם פאראדיי את התוצאות. הדבר הקשה על היחסים עם דייווי עקב קנאתו להישגיו של פאראדיי וגרם לזה האחרון לפנות לדברים אחרים, שבעקבות זאת מנעו ממנו להשתתף במחקר אלקטרומגנטי במשך מספר שנים.
B. G. Lamm תיאר בשנת 1912 מכונה הוומפולרית בהספק של 2000 קילוואט, 260 וולט, 7700 A ו-1200 סל ד עם 16 טבעות החלקה הפועלות במהירות היקפית של 67 מ' לשנייה. גנרטור חד קוטבי 1125kW, 7.5V, 150,000A, 514rpm שנבנה ב-1934 הותקן במפעל פלדה אמריקאי לריתוך צינורות.
אותו חוק לורנץ
הפעולה של מנוע זה דומה לזו של מחולל הלם חד-קוטבי. המנוע החד קוטבי מונע על ידי כוח לורנץ. מוליך עם זרם זורם דרכו, כאשר הוא ממוקם בשדה מגנטי ובמאונך אליו, מרגיש כוח בכיוון בניצב הן לשדה המגנטי והן לזרם. כוח זה מספק רגע סיבוב סביב ציר הסיבוב.
מכיוון שהאחרון מקביל לשדה המגנטי, ושדות מגנטיים מנוגדים אינם משנים קוטביות, אין צורך במיתוג כדי להמשיך לסובב את המוליך. הפשטות הזו מושגת הכי קלה עם עיצובים בסיבוב בודד, מה שהופך מנועים הופולאריים ללא מתאימים לרוב היישומים המעשיים.
כמו רוב המכונות האלקטרו-מכאניות (כמו הגנרטור החד-קוטבי של נגראת'), המנוע ההופולארי הוא הפיך: אם המוליך מסובב בצורה מכנית, הוא יפעל כמחולל הומו-פולרי, וייצור מתח DC בין שני הדקים של המוליך.
הזרם הקבוע הוא תוצאה של האופי ההופולארי של העיצוב. גנרטורים הומופולאריים (HPGs) נחקרו בהרחבה בסוף המאה ה-20 כמקורות לזרם ישר במתח נמוך אך זרם גבוה מאוד, והשיגו הצלחה מסוימת בהפעלת רובי רכבת ניסיוניים.
בניין
הכנת גנרטור חד קוטבי במו ידיך היא די פשוטה. גם המנוע החד קוטבי קל מאוד להרכבה. המגנט הקבוע משמש ליצירת שדה מגנטי חיצוני שבו המוליך יסתובב, והסוללה גורמת לזרם לזרם לאורך החוט המוליך.
אין צורך שהמגנט יזוז או אפילו יבוא במגע עם שאר המנוע; מטרתו היחידה היא ליצור שדה מגנטי שיעשה זאתאינטראקציה עם שדה דומה המושרה על ידי זרם בחוט. אפשר לחבר מגנט לסוללה ולאפשר למוליך להסתובב בחופשיות עם השלמת המעגל החשמלי, נוגע הן בחלק העליון של הסוללה והן במגנט המחובר לתחתית הסוללה. החוט והסוללה עלולים להתחמם במהלך שימוש מתמשך.
