Кіріспе

Бірқалыпты ток генераторының түрі. Гомополярлы генератор – бірқалыпты тұрақты магнит өрісіне перпендикуляр жазықтықта айналатын электр өткізгіш дискі немесе цилиндрден құралған бірқалыпты ток генераторы. Дискінің ортасы мен шеті (немесе цилиндрдің ұштары) арасында айналу бағыты мен өрістің бағытына байланысты электр полярлығымен потенциалдар айырмашылығы туындайды. Ол бірполярлы генератор, ациклді генератор, дискілі динамо немесе Фарадей дискісі деп те аталады. Кернеу әдетте төмен, кішкентай демонстрациялық үлгілерде бірнеше вольтқа жетеді, бірақ үлкен зерттеу генераторлары жүздеген вольттарды өндіре алады, ал кейбір жүйелерде тізбекте жалғанған бірнеше генераторлар арқылы одан да жоғары кернеу алуға болады. Олардың ерекшелігі – өте жоғары электр тогын, кейде миллион амперден астамды бере алуында, себебі гомополярлы генератордың ішкі кедергісі өте төмен болуы мүмкін. Сонымен қатар, гомополярлы генератордың бірегейлігі – тіктеп түзетушілер немесе коммутаторларды қолданбай тұрақты ток өндіретін басқа роторлық электр машинасы жоқ.

Фарадей дискісі

Алғашқы гомополярлы генераторды Майкл Фарадей 1831 жылы өз тәжірибелері кезінде жасады. Оны көбінесе Фарадей дискісі немесе Фарадей дөңгелегі деп атайды, оның құрметіне. Бұл – қазіргі заманғы динамолардың, яғни магнит өрісін пайдаланатын электр генераторларының бастауы болды. Ол өте тиімсіз болды және практикалық қуат көзі ретінде қолданылмады, бірақ магнит арқылы электр қуатын өндіру мүмкіндігін көрсетті, сондай-ақ коммутацияланған тұрақты ток динамоларына және кейіннен айнымалы ток генераторларына жол ашты. Фарадей дискісінің тиімсіздігінің басты себебі – токтардың қарсы ағыны болды. Ток магниттің тікелей астында индукцияланғанда, магнит өрісінің ықпалынан тыс аймақтарда ток кері бағытта айналып өтетін. Бұл қарсы ағын қуатты қабылдау сымдарына жеткізілетін қуатты шектейді және мыс дискісінің қажетсіз қызуына себеп болады. Кейінгі гомополярлы генераторлар бұл мәселені диск периметрі бойында орналасқан магниттер тізбегін пайдаланып, айналасында тұрақты өріс сақтау және қарсы ағын пайда болатын аймақтарды жою арқылы шешті.

Гомополярлы генераторды дамыту

Бастапқы Фарадей дискісі практикалық генератор ретінде қолданудан тоқтағаннан кейін көп уақыт өткен соң, магнит пен дискіні бір айналмалы бөлікте (ротор) біріктіретін өзгертілген нұсқа жасалды. Кейде осы конфигурацияға гомополярлық генератор деген атау беріледі. Гомополярлық генераторлардың жалпы түріне алғашқы патенттердің бірі А. Ф. Делафилдке берілді. Гомополярлық генераторларға арналған тағы бірнеше алғашқы патенттер С. З. Де Ферранти мен К. Батчелорға жеке-жеке берілді. Никола Тесла Фарадей дискісіне қызығушылық танытып, гомополярлық генераторлармен жұмыс істеді және, әрі қарай, құрылғының жақсартылған нұсқасын патенттеді. Тесланың «Динамоэлектр машинасы» патенті екі параллель дискінің жеке, параллель біліктерімен, металл белбеу арқылы шкивтер сияқты жалғанған құрылымын сипаттайды. Әр дискіде бір-біріне қарама-қарсы магниттік өріс болды, сондықтан ток бір біліктен дискінің жиегіне, белбеу арқылы екінші дискінің жиегіне және екінші білікке ағып өтеді. Бұл, екі электрлік түйіскездің екі дискінің біліктерімен және жоғары жылдамдықты жиекпен емес, екі дискінің біліктерімен байланысуына мүмкіндік беру арқылы, сырғалмалы контактілерден туындайтын үйкеліс шығындарын айтарлықтай азайтатын еді. Кейіннен C. P. Steinmetz және E. Thomson гомополярлық генераторлармен жұмыстарындағы еңбектері үшін патент алды. Шотландиялық инженер-электрик Джордж Форбс жасаған Форбс динамосы 20 ғасырдың басында кеңінен қолданылды. Гомополярлық генераторлар саласында жасалған көптеген жетістіктерге Ж. Е. Ноеггерат пен Р. Эйкмейер патент алды. Гомополярлық генераторлар 1950 жылдары импульстік қуатты сақтау көзі ретінде қайта жанданды. Бұл құрылғылар механикалық энергияны тез арада тәжірибелік аппаратқа беру үшін ауыр дискілерді инерциялық дөңгелек ретінде пайдаланды. Мұндай құрылғының алғашқы үлгісін Австралия Ұлттық Университетінің Физикалық ғылымдар және Инженерлік зерттеу мектебінде сэр Марк Олифант жасады. Ол 500 мегаджоульге дейін энергияны сақтайтын және 1962 жылдан бастап 1986 жылы бөлшектелгенге дейін синхротрон тәжірибелері үшін өте жоғары ток көзі ретінде қолданылды. Олифанттың құрылымы 2 мегаамперге дейін ток беруге қабілетті болды. Бұған ұқсас, тіпті одан да үлкен құрылғыларды Остин қаласындағы Parker Kinetic Designs (бұрынғы OIME Research & Development) компаниясы жобалап, өндірді. Олар түрлі мақсаттарға арналған құрылғыларды жасады, рельсті қаруларды қуаттандырудан бастап сызықтық қозғалтқыштарға дейін (ғарышқа ұшыру үшін) және әртүрлі қару-жарақ жобаларына дейін. 10 МДж көлеміндегі өнеркәсіптік үлгілер электрлік дәнекерлеу сияқты түрлі мақсаттар үшін енгізілді.

Диск типті генератор

Бұл құрылғы магнит өрісінде айналатын өткізгіш иілгіш дөңгелектен тұрады, оның бір электрлік контактісі оське жақын, екіншісі периферияға жақын орналасқан. Ол дәнекерлеу, электролиз және рельс қаруын зерттеу сияқты қолданыстарда төмен кернеуде өте жоғары токтарды өндіру үшін қолданылған. Импульстік энергия қолданыстарында ротордың бұрыштық импульсі ұзақ уақыт бойы энергияны жинақтап, содан кейін оны қысқа мерзімде босату үшін пайдаланылады. Басқа генераторлардың айырмасында, шығыс кернеуінің полярлығы ешқашан өзгермейді. Зарядтың бөлінуі дискідегі еркін зарядтарға Лоренц күшінің әсер етуі нәтижесінде пайда болады. Қозғалыс азимуттық, ал өріс осьтік болғандықтан, электр қозғалтқыш күші радиалды болады. Электрлік байланыс әдетте «щетка» немесе сырғанақ арқылы жасалады, бұл төмен кернеуде үлкен шығындарға әкеледі. Бұл шығындардың бір бөлігін сынап немесе басқа оңай сұйытылатын металл немесе қорытпа (галлий, NaK) «щетка» ретінде пайдалану арқылы азайтуға болады, бұл электрлік байланыстың үздірілмейтін болуын қамтамасыз етеді. Жақында ұсынылған өзгерту – дискінің немесе барабанның жиегіне тиетін теріс кедергілі неон ағынымен қамтамасыз етілген плазмалық контактілерді пайдалану, вертикальді жолақтарда арнайы төмен жұмыс функциясы бар көміртекті қолдану. Бұл сұйық металл контактісінсіз, мүмкін мыңдаған амперге дейінгі ток диапазонында өте төмен кедергіге ие болуға мүмкіндік береді. Егер магнит өрісін тұрақты магнит қамтамасыз етсе, генератор магнит статорға бекітілгеніне немесе дискімен бірге айналғанына қарамастан жұмыс істейді. Электронды және Лоренц күшінің заңдылығы ашылғанға дейін бұл құбылыс түсіндірілмейтін және Фарадей парадоксы деп белгілі болған.

Барабан типті генератор

Драмдық гомополярлы генераторда барабанның ортасынан радиалды таралатын магнит өрісі (B) болады және ол барабанның ұзындығы бойынша кернеуді (V) тудырады. Барабанның ортасында бір полюсі және барабанды қоршап тұрған екінші полюсі бар "динамик" типті магнит өрісінде жоғарыдан айналдырылатын өткізгіш барабан, пайда болған токты алу үшін барабанның жоғарғы және төменгі бөліктерінде өткізгіш шарлы подшипниктерді пайдалана алады.

Астрофизикалық монополярлы индукторлар

Астрофизикада монополярлы индукторлар пайда болады, онда өткізгіш магнит өрісі арқылы айналады, мысалы, ғарыштық дененің ионосферасындағы жоғары өткізгіш плазманың қозғалысы магнит өрісі арқылы. "Космостық электродинамика" кітабында Ханнес Альфвен мен Карл Гунн Фелтаммар былай деп жазады: "Иондалған газдың ғарыш бұлттары көбінесе магниттелгендіктен, олардың қозғалысы индукцияланған электр өрістерін тудырады. Мысалы, магниттелген планетааралық плазманың қозғалысы полярлық шамы мен магниттік дауылдардың пайда болуы үшін қажетті электр өрістерін тудырады". Кондуктордың магнит өрісінде айналуы жүйеде тыныш күйде электр өрісін тудырады. Бұл құбылыс зертханалық тәжірибелерден жақсы белгілі және әдетте "гомополярлық" немесе "униполярлық" индукция деп аталады. Монополярлы индукторлар Уранның полярлық шамымен, екілік жұлдыздармен, қара тесіктермен, галактикалармен, Юпитер-Ио жүйесімен, Аймен, Күн желдерімен, күн дақтарымен және Венераның магниттік құйрығымен байланыстырылған.

Физика

Барлық динамолар сияқты, Фарадей дискісі кинетикалық энергияны электр энергиясына түрлендіреді. Бұл машинаны Фарадейдің электромагниттік индукция заңы арқылы талдауға болады. Бұл заңның қазіргі заманғы түрінде, жабық тізбек арқылы магниттік ағымның толық уақыт бойынша туындысы тізбекте электр қозғалтқыш күшін тудырады, ол өз кезегінде электр тогын қозғайды. Магниттік ағынды анықтайтын беттік интеграл тізбек бойынша сызықтық интеграл ретінде қайта жазылуы мүмкін. Сызықтық интегралдың интегралы уақытқа тәуелді болмаса да, сызықтық интегралдың шекарасының бір бөлігін құрайтын Фарадей дискісі қозғалып жатқандықтан, толық уақыт бойынша туындысы нөлдік емес және электр қозғалтқыш күшін есептеу үшін дұрыс мәнді береді. Сондай-ақ, дискіні дискінің шеңбері бойындағы өткізгіш сақинаға дейін, дискімен ошақты жалғайтын бір металл спицасы арқылы азайтуға болады. Лоренц күші заңы машинаның жұмысын түсіндіру үшін ыңғайлырақ қолданылады. Фарадейдің қайтысынан отыз жыл кейін жасалған бұл заңда электронға әсер ететін күш оның жылдамдығы мен магниттік ағым векторының векторлық көбейтіндісіне пропорционалды делінеді. Геометриялық тұрғыдан алғанда, бұл күш жылдамдыққа (азимутальды) және магниттік ағынға (аксиалды) перпендикуляр болады, демек, радиалды бағытта. Дискідегі электрондардың радиалды қозғалысы дискінің ортасы мен шеті арасында зарядтың бөлінуіне әкеледі, ал тізбек жабық болса электр тогы пайда болады.