Введение

Тип генератора постоянного тока

Гомополярный генератор – это генератор постоянного тока, состоящий из электропроводящего диска или цилиндра, вращающегося в плоскости, перпендикулярной однородному статическому магнитному полю. Между центром диска и его краем (или концами цилиндра) возникает разность потенциалов с электрической полярностью, зависящей от направления вращения и ориентации поля. Он также известен как однополярный генератор, ациклический генератор, дисковый динамо или диск Фарадея. Напряжение обычно невелико, порядка нескольких вольт для небольших демонстрационных моделей, но крупные исследовательские генераторы могут выдавать сотни вольт, а некоторые системы используют несколько генераторов, соединенных последовательно, для получения еще большего напряжения. Они примечательны тем, что способны генерировать огромные электрические токи, в некоторых случаях превышающие миллион ампер, благодаря очень низкому внутреннему сопротивлению гомополярного генератора. Кроме того, гомополярный генератор уникален тем, что ни одна другая вращающаяся электрическая машина не может производить постоянный ток без применения выпрямителей или коллекторов.

Диск Фарадея

Первый гомополярный генератор был разработан Майклом Фарадеем во время его экспериментов в 1831 году. Его часто называют диском Фарадея или колесом Фарадея в его честь. Он стал началом развития современных динамо — то есть электрических генераторов, работающих на основе магнитного поля. Генератор был крайне неэффективным и не применялся как практический источник энергии, но продемонстрировал возможность получения электрической энергии посредством магнетизма и подготовил почву для динамо постоянного тока с коммутацией и, впоследствии, для генераторов переменного тока. Основной причиной неэффективности диска Фарадея были встречные потоки тока. В то время как ток наводился непосредственно под магнитом, в областях, находящихся вне зоны действия магнитного поля, он циркулировал в обратном направлении. Этот встречный поток ограничивал мощность, отдаваемую в отводящие провода, и вызывал нежелательный нагрев медного диска. Более поздние гомополярные генераторы решили эту проблему, используя систему магнитов, расположенных по периметру диска, для поддержания стабильного поля по всей окружности и устранения областей, где могли возникать встречные потоки.

Разработка гомополярного генератора

Долгое время после того, как оригинальный диск Фарадея был заброшен как практичный генератор, была разработана модифицированная версия, объединяющая магнит и диск в одну вращающуюся часть (ротор). Иногда название гомополярного генератора резервируется именно для этой конфигурации. Один из самых ранних патентов на общий тип гомополярных генераторов был получен А. Ф. Делафильдом. Другие ранние патенты на гомополярные генераторы были выданы С. З. Де Ферранти и К. Батчелору по отдельности. Никола Тесла проявлял интерес к диску Фарадея и проводил работы с гомополярными генераторами, в конечном итоге запатентовав улучшенную версию устройства. В патенте Теслы «Динамоэлектрическая машина» описывается конструкция из двух параллельных дисков с отдельными параллельными валами, соединенными, подобно шкивам, металлическим ремнем. Каждый диск имел поле, противоположное полю другого диска, так что ток протекал от одного вала к краю диска, через ремень – к краю другого диска и ко второму валу. Это значительно снизило бы потери на трение, вызванные скользящими контактами, поскольку оба электрических отвода могли бы взаимодействовать с валами двух дисков, а не с валом и ободом на высокой скорости. Позже патенты на работу с гомополярными генераторами были выданы С. П. Штайнметцу и Э. Томсону. Динамо Форбса, разработанное шотландским инженером-электриком Джорджем Форбсом, получило широкое распространение в начале XX века. Значительная часть разработок в области гомополярных генераторов была запатентована J. E. Noeggerath и R. Eickemeyer. Гомополярные генераторы пережили ренессанс в 1950-х годах как источник импульсного накопления энергии. В этих устройствах тяжелые диски использовались в качестве маховика для хранения механической энергии, которую можно было быстро высвободить в экспериментальную установку. Ранний пример такого устройства был создан сэром Марком Олифантом в Школе физических наук и инженерии Австралийского национального университета. Он накапливал до 500 мегаджоулей энергии и использовался в качестве источника чрезвычайно высокого тока для синхротронных экспериментов с 1962 по 1986 год, когда он был демонтирован. Конструкция Олифанта была способна обеспечивать токи до 2 мегаампер (MA). Подобные устройства еще большего размера проектируются и изготавливаются компанией Parker Kinetic Designs (ранее OIME Research & Development) из Остина. Они производят устройства для различных целей, от питания рельсотронов и линейных двигателей (для космических запусков) до различных конструкций оружия. Для различных применений, включая электрическую сварку, были разработаны промышленные образцы мощностью 10 МДж.

Дисковый генератор

Это устройство состоит из проводящего маховика, вращающегося в магнитном поле, с одним электрическим контактом вблизи оси и другим вблизи периферии. Оно использовалось для генерации очень высоких токов при низком напряжении в таких областях применения, как сварка, электролиз и исследования рельсотронов. В приложениях с импульсной энергией угловой момент ротора используется для накопления энергии в течение длительного периода времени, а затем для ее быстрого высвобождения. В отличие от других типов генераторов, выходное напряжение никогда не меняет полярность. Разделение зарядов происходит вследствие действия силы Лоренца на свободные заряды в диске. Движение азимутальное, а поле – осевое, поэтому электродвижущая сила радиальная. Электрические контакты обычно осуществляются через "щетку" или контактное кольцо, что приводит к значительным потерям при низких напряжениях. Некоторые из этих потерь можно уменьшить, используя ртуть или другой легкоплавкий металл или сплав (галлий, NaK) в качестве "щетки" для обеспечения практически непрерывного электрического контакта. Недавнее предлагаемое усовершенствование заключается в использовании плазменного контакта, питаемого неоновым стримером с отрицательным сопротивлением, касающимся края диска или барабана, с применением специализированного углерода с низкой работой выхода в вертикальных полосах. Это обеспечит очень низкое сопротивление в диапазоне токов, возможно, до тысяч ампер, без использования контакта с жидким металлом. Если магнитное поле создается постоянным магнитом, генератор работает независимо от того, закреплен ли магнит на статоре или вращается вместе с диском. До открытия электрона и закона силы Лоренца это явление было необъяснимым и известно как парадокс Фарадея.

Генератор барабанного типа

Гомополярный генератор барабанного типа имеет магнитное поле (B), радиально расходящееся от центра барабана, и индуцирует напряжение (V) вдоль длины барабана. Проводящий барабан, вращаемый сверху в магнитном поле магнита "динамического" типа, с одним полюсом в центре барабана и другим полюсом, окружающим барабан, может использовать проводящие шариковые подшипники в верхней и нижней частях барабана для снятия генерируемого тока.

Астрофизические однополярные индукторы

Однополярные индукторы встречаются в астрофизике, где проводник вращается в магнитном поле, например, движение высокопроводящей плазмы в ионосфере космического тела сквозь его магнитное поле. В своей книге "Космическая электродинамика" Ханнес Альфвен и Карл Гунн Фальтаммар пишут: "Поскольку космические облака ионизированного газа обычно намагничены, их движение порождает индуцированные электрические поля. Например, движение намагниченной межпланетной плазмы порождает электрические поля, необходимые для возникновения полярных сияний и магнитных бурь". Вращение проводника в магнитном поле создает электрическое поле в неподвижной системе отсчета. Это явление хорошо известно из лабораторных экспериментов и обычно называется "гомополярной" или "однополярной" индукцией. Однополярные индукторы связывают с полярными сияниями на Уране, двойными звездами, черными дырами, галактиками, системой Юпитер-Ио, Луной, солнечным ветром, солнечными пятнами и магнитным хвостом Венеры.

Физика

Как и все динамо, диск Фарадея преобразует кинетическую энергию в электрическую. Этот механизм можно проанализировать, используя закон электромагнитной индукции Фарадея. Этот закон, в современной формулировке, утверждает, что полная производная магнитного потока через замкнутый контур индуцирует электродвижущую силу в этом контуре, которая, в свою очередь, создает электрический ток. Поверхностный интеграл, определяющий магнитный поток, можно переписать в виде линейного интеграла по контуру. Хотя подынтегральная функция линейного интеграла не зависит от времени, поскольку диск Фарадея, являющийся частью границы контура, движется, полная производная не равна нулю и дает правильное значение для расчета электродвижущей силы. В качестве альтернативы, диск можно представить как проводящее кольцо по окружности диска с одним металлическим спицами, соединяющим кольцо с осью. Для объяснения работы механизма проще использовать закон Лоренца. Этот закон, сформулированный тридцать лет после смерти Фарадея, гласит, что сила, действующая на электрон, пропорциональна векторному произведению его скорости и вектора магнитной индукции. Геометрически это означает, что сила направлена перпендикулярно как к скорости (азимутальной), так и к магнитной индукции (аксиальной), то есть в радиальном направлении. Радиальное движение электронов в диске создает разделение зарядов между центром диска и его краем, и при замкнутой цепи возникает электрический ток.