Միաբևեռ գեներատորը ուղիղ հոսանքի էլեկտրական մեխանիզմ է, որը պարունակում է հարթության մեջ պտտվող էլեկտրահաղորդիչ սկավառակ կամ գլան: Այն ունի տարբեր հզորության պոտենցիալներ սկավառակի կենտրոնի և եզրագծի (կամ մխոցի ծայրերի) միջև՝ էլեկտրական բևեռականությամբ, որը կախված է պտտման ուղղությունից և դաշտի կողմնորոշումից։
Այն նաև հայտնի է որպես միաբևեռ Ֆարադայի տատանվող: Լարումը սովորաբար ցածր է, փոքր ցուցադրական մոդելների դեպքում մի քանի վոլտ կարգի, բայց մեծ հետազոտական մեքենաները կարող են հարյուրավոր վոլտ առաջացնել, իսկ որոշ համակարգեր ունեն բազմակի շարքի տատանումներ նույնիսկ ավելի բարձր լարումների համար: Նրանք անսովոր են նրանով, որ կարող են առաջացնել էլեկտրական հոսանք, որը կարող է գերազանցել մեկ միլիոն ամպերը, քանի որ միաբևեռ գեներատորը պարտադիր չէ, որ ունենա բարձր ներքին դիմադրություն:
Գյուտի պատմություն
Առաջին հոմոբևեռ մեխանիզմը մշակվել է Մայքլ Ֆարադեյի կողմից 1831 թվականին իր փորձերի ժամանակ։ Այն հաճախ կոչվում է որպես Ֆարադեյի սկավառակ կամ անիվ նրա անունով: Սա ժամանակակից դինամոսների սկիզբն էրմեքենաներ, այսինքն՝ մագնիսական դաշտի վրա աշխատող էլեկտրական գեներատորներ։ Այն շատ անարդյունավետ էր և չէր օգտագործվում որպես էներգիայի պրակտիկ աղբյուր, բայց ցույց տվեց մագնիսականության միջոցով էլեկտրաէներգիա արտադրելու հնարավորությունը և ճանապարհ հարթեց միացված DC դինամների, այնուհետև փոփոխիչների համար:
Առաջին գեներատորի թերությունները
Faraday-ի սկավառակը հիմնականում անարդյունավետ էր մոտեցող ընթացիկ հոսքերի պատճառով: Միաբևեռ գեներատորի աշխատանքի սկզբունքը նկարագրվելու է հենց դրա օրինակով: Մինչ ընթացիկ հոսքը առաջանում էր անմիջապես մագնիսի տակ, հոսանքը շրջանառվում էր հակառակ ուղղությամբ: Հետադարձ հոսքը սահմանափակում է ընդունող լարերի ելքային հզորությունը և առաջացնում է պղնձե սկավառակի անհարկի տաքացում: Հետագայում հոմոբևեռ գեներատորները կարող էին լուծել այս խնդիրը սկավառակի պարագծի շուրջ տեղադրված մագնիսների մի շարքով, որպեսզի պահպանեն կայուն դաշտ շրջապատի շուրջ և վերանան այն հատվածները, որտեղ կարող է առաջանալ հետհոսք:
Հետագա զարգացումներ
Բնօրինակ Faraday սկավառակը որպես գործնական գեներատոր վարկաբեկվելուց անմիջապես հետո, մշակվեց փոփոխված տարբերակը, որը համատեղում էր մագնիսը և սկավառակը մեկ պտտվող մասում (ռոտոր), բայց հարվածային միաբևեռ գեներատորի գաղափարը վերապահված էր դրա համար: կոնֆիգուրացիա. Ընդհանուր միաբևեռ մեխանիզմների ամենավաղ արտոնագրերից մեկը ստացել է A. F. Delafield, ԱՄՆ արտոնագիր 278,516:
Ականավոր մտքերի հետազոտություն
Վաղ ազդեցության այլ միաբևեռ արտոնագրերգեներատորները առանձին պարգևատրվել են S. Z. De Ferranti-ին և S. Batchelor-ին։ Նիկոլա Տեսլան հետաքրքրված էր Faraday սկավառակով և աշխատում էր հոմոբևեռ մեխանիզմներով, և ի վերջո արտոնագրեց սարքի բարելավված տարբերակը ԱՄՆ արտոնագրով 406,968:
Tesla-ի «Dynamo Electric Machine» արտոնագիրը (Tesla-ի միաբևեռ գեներատոր) նկարագրում է երկու զուգահեռ սկավառակների դասավորությունը՝ առանձին զուգահեռ լիսեռներով, որոնք միացված են, ինչպես ճախարակները, մետաղական գոտիով: Յուրաքանչյուր սկավառակ ուներ մյուսին հակառակ դաշտ, այնպես որ ընթացիկ հոսքը մի լիսեռից անցնում էր սկավառակի եզրին, գոտու միջով մյուս եզրին և երկրորդ լիսեռին։ Սա զգալիորեն կնվազեցնի շփման կորուստները, որոնք առաջանում են սահող կոնտակտներից, ինչը թույլ կտա երկու էլեկտրական սենսորներին փոխազդել երկու սկավառակների լիսեռների հետ, այլ ոչ թե լիսեռի և բարձր արագությամբ եզրագծի հետ::
Հետագայում արտոնագրերը շնորհվեցին Ս. Պ. Շտայնմեցին և Է. Թոմսոնին բարձր լարման միաբևեռ գեներատորների վրա իրենց աշխատանքի համար: Forbes Dynamo-ն, որը նախագծել է շոտլանդացի էլեկտրատեխնիկ Ջորջ Ֆորբսը, լայնորեն կիրառվել է 20-րդ դարի սկզբին: Հոմոբևեռ մեխանիզմներում կատարված զարգացումների մեծ մասը արտոնագրվել է J. E. Նոյգերաթ և Ռ. Էյքեմեյեր։
50-ականներ
Հոմոբևեռ գեներատորները վերածնունդ ապրեցին 1950-ականներին՝ որպես իմպուլսային էներգիայի պահպանման աղբյուր: Այս սարքերն օգտագործում էին ծանր սկավառակներ՝ որպես թռչող անիվի ձև՝ մեխանիկական էներգիա պահելու համար, որը կարող էր արագ թափվել փորձարարական ապարատի մեջ:
Այս տեսակի սարքի վաղ օրինակը ստեղծվել է սըր Մարկ Օլիֆանտի կողմից Հետազոտական դպրոցումՖիզիկական գիտություններ և ճարտարագիտություն Ավստրալիայի ազգային համալսարանից: Այն պահպանում էր մինչև 500 մեգաջոուլ էներգիա և օգտագործվում էր որպես գերբարձր հոսանքի աղբյուր սինքրոտրոնային փորձերի համար 1962 թվականից մինչև այն ապամոնտաժվեց 1986 թվականին։ Oliphant-ի դիզայնն ընդունակ էր հոսանքներ հասցնել մինչև 2 մեգաամպեր (MA):
Մշակված է Parker Kinetic Designs-ի կողմից
Նման ավելի մեծ սարքերը նախագծված և կառուցված են Օսթինի Parker Kinetic Designs-ի կողմից (նախկինում՝ OIME Research & Development): Նրանք արտադրում էին տարբեր նպատակների համար նախատեսված սարքեր՝ սկսած երկաթուղային ատրճանակների սնուցումից մինչև գծային շարժիչներ (տիեզերական արձակման համար) և զենքի տարբեր նմուշներ։ Ներդրվել են 10 MJ արդյունաբերական նմուշներ տարբեր դերերի համար, ներառյալ էլեկտրական եռակցումը:
Այս սարքերը կազմված էին հաղորդիչ թռչող անիվից, որոնցից մեկը պտտվում էր մագնիսական դաշտում մեկ էլեկտրական կոնտակտով առանցքի մոտ, իսկ մյուսը՝ ծայրամասի մոտ: Դրանք օգտագործվել են ցածր լարման ժամանակ շատ բարձր հոսանքներ առաջացնելու համար այնպիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են եռակցումը, էլեկտրոլիզը և երկաթուղային հրացանների հետազոտությունը: Իմպուլսային էներգիայի կիրառություններում ռոտորի անկյունային իմպուլսը օգտագործվում է էներգիան երկար ժամանակ պահելու և այն կարճ ժամանակում ազատելու համար:
Ի տարբերություն փոխարկվող միաբևեռ գեներատորների այլ տեսակների, ելքային լարումը երբեք չի փոխում բևեռականությունը: Լիցքերի տարանջատումը սկավառակի ազատ լիցքերի վրա Լորենցի ուժի գործողության արդյունքն է։ Շարժումը ազիմուտային է, իսկ դաշտը՝ առանցքային, ուստիէլեկտրաշարժիչ ուժը շառավղային է։
Էլեկտրական շփումները սովորաբար կատարվում են «խոզանակի» կամ սահող օղակի միջոցով, ինչը հանգեցնում է բարձր կորուստների առաջացած ցածր լարման դեպքում: Այս կորուստներից որոշները կարող են կրճատվել՝ օգտագործելով սնդիկը կամ հեշտությամբ հեղուկացող մեկ այլ մետաղ կամ համաձուլվածք (գալիում, NaK)՝ որպես «խոզանակ»՝ ապահովելու համարյա շարունակական էլեկտրական շփումը:
Փոփոխություն
Վերջերս առաջարկված փոփոխությունը եղել է պլազմային կոնտակտի օգտագործումը, որը տեղադրված է բացասական դիմադրության նեոնային հոսքագծով, որը դիպչում է սկավառակի կամ թմբուկի եզրին, օգտագործելով մասնագիտացված ցածր աշխատանքային ֆունկցիայի ածխածնի ուղղահայաց շերտերով: Սա կունենա շատ ցածր դիմադրության առավելություն ընթացիկ տիրույթում, հնարավոր է մինչև հազար ամպեր, առանց հեղուկ մետաղի հետ շփման:
Եթե մագնիսական դաշտը ստեղծվում է մշտական մագնիսով, գեներատորն աշխատում է անկախ նրանից՝ մագնիսը կցված է ստատորին, թե պտտվում է սկավառակի հետ։ Մինչև էլեկտրոնի և Լորենցի ուժի օրենքի հայտնաբերումը, այս երևույթն անբացատրելի էր և հայտնի էր որպես Ֆարադեյի պարադոքս։
«Թմբուկի տեսակը»
Թմբուկի տիպի հոմոբևեռ գեներատորն ունի մագնիսական դաշտ (V), որը ճառագայթում է թմբուկի կենտրոնից և առաջացնում է լարում (V) իր ողջ երկարությամբ: Հաղորդող թմբուկը, որը պտտվում է վերևից «բարձրախոս» տիպի մագնիսով, որի մի բևեռը կենտրոնում է, իսկ մյուսը շրջապատում է այն, կարող է օգտագործել հաղորդիչ գնդիկավոր առանցքակալներ իր վերևում ևստորին մասերը՝ առաջացած հոսանքը գրավելու համար։
Բնության մեջ
Միաբևեռ ինդուկտորները հանդիպում են աստղաֆիզիկայում, որտեղ հաղորդիչը պտտվում է մագնիսական դաշտի միջով, օրինակ, երբ տիեզերական մարմնի իոնոլորտում բարձր հաղորդունակ պլազման շարժվում է իր մագնիսական դաշտով:
Միաբևեռ ինդուկտորները կապված են Ուրանի բևեռափայլի, երկուական աստղերի, սև խոռոչների, գալակտիկաների, Յուպիտերի արբանյակի, Լուսնի, արևային քամու, արևային բծերի և Վեներայի մագնիսական պոչի հետ:
Մեխանիզմի առանձնահատկությունները
Ինչպես վերը նշված բոլոր տիեզերական մարմինները, Ֆարադեյի սկավառակը կինետիկ էներգիան վերածում է էլեկտրական էներգիայի: Այս մեքենան կարելի է վերլուծել՝ օգտագործելով Ֆարադեյի սեփական էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի օրենքը:
Այս օրենքն իր ժամանակակից ձևով ասում է, որ մագնիսական հոսքի հաստատուն ածանցյալը փակ շղթայի միջով առաջացնում է էլեկտրաշարժիչ ուժ, որն իր հերթին գրգռում է էլեկտրական հոսանք:
Մակերևույթի ինտեգրալը, որը սահմանում է մագնիսական հոսքը, կարող է վերագրվել որպես գծային ինտեգրալ շղթայի շուրջ: Թեև գծային ինտեգրալի ինտեգրալը կախված չէ ժամանակից, քանի որ Ֆարադեյի սկավառակը, որը գծի ինտեգրալի սահմանի մաս է, շարժվում է, ընդհանուր ժամանակի ածանցյալը զրո չէ և վերադարձնում է էլեկտրաշարժիչ ուժի ճիշտ արժեքը: Որպես այլընտրանք, սկավառակը կարող է վերածվել իր շրջագծի շուրջ հաղորդիչ օղակի՝ օղակը առանցքին միացնող մեկ մետաղական շղթայով:
Լորենցի ուժային օրենքի կրակայրիչօգտագործվում է մեքենայի վարքագիծը բացատրելու համար: Այս օրենքը, որը ձևակերպվել է Ֆարադեյի մահից երեսուն տարի անց, ասում է, որ էլեկտրոնի վրա ուժը համամասնական է նրա արագության և մագնիսական հոսքի վեկտորի խաչաձև արտադրյալին։
Երկրաչափական առումով սա նշանակում է, որ ուժն ուղղված է ուղիղ անկյան տակ և՛ արագությանը (ազիմուտ), և՛ մագնիսական հոսքին (առանցքային), որը, հետևաբար, գտնվում է շառավղային ուղղությամբ: Սկավառակի էլեկտրոնների շառավղային շարժումը հանգեցնում է լիցքերի տարանջատմանը նրա կենտրոնի և եզրագծի միջև, և եթե շղթան ավարտված է, առաջանում է էլեկտրական հոսանք:
Էլեկտրական շարժիչ
Միաբևեռ շարժիչը երկու մագնիսական բևեռներով DC սարք է, որի հաղորդիչները միշտ հատում են միակողմանի մագնիսական հոսքի գծերը՝ պտտելով հաղորդիչը ֆիքսված առանցքի շուրջ այնպես, որ այն ուղիղ անկյան տակ լինի ստատիկ մագնիսական դաշտի նկատմամբ: Ստացված EMF-ը (էլեկտրաշարժիչ ուժը), որը շարունակական է մեկ ուղղությամբ, դեպի հոմոբևեռ շարժիչը չի պահանջում կոմուտատոր, բայց դեռ պահանջում է սահող օղակներ: «Հոմոպոլար» անվանումը ցույց է տալիս, որ հաղորդիչի և մագնիսական դաշտի բևեռների էլեկտրական բևեռականությունը չի փոխվում (այսինքն, այն չի պահանջում միացում):
Միաբևեռ շարժիչը կառուցված առաջին էլեկտրական շարժիչն էր: Դրա գործողությունը ցուցադրվել է Մայքլ Ֆարադեյի կողմից 1821 թվականին Լոնդոնի թագավորական հաստատությունում:
Գյուտ
1821 թվականին, դանիացի ֆիզիկոս և քիմիկոս Հանս Քրիստիան Էրսթեդը հայտնաբերելուց անմիջապես հետո.էլեկտրամագնիսականության երևույթը Համֆրի Դեյվին և բրիտանացի գիտնական Ուիլյամ Հայդ Վոլասթոնը փորձեցին, բայց չհաջողվեց ստեղծել էլեկտրական շարժիչ: Ֆարադեյը, որը Համֆրիի կողմից վիճարկվում է որպես կատակ, շարունակեց ստեղծել երկու սարք՝ ստեղծելու այն, ինչ նա անվանեց «էլեկտրամագնիսական պտույտ»: Դրանցից մեկը, որն այժմ հայտնի է որպես հոմոբևեռ շարժիչ, ստեղծել է անընդհատ շրջանաձև շարժում: Այն առաջացել է շրջանաձև մագնիսական ուժի հետևանքով սնդիկի լողավազանում տեղադրված մետաղալարի շուրջ, որի մեջ տեղադրված էր մագնիսը: Լարը կպտտվեր մագնիսի շուրջը, եթե այն սնուցվեր քիմիական մարտկոցով։
Այս փորձերն ու գյուտերը հիմք են հանդիսացել ժամանակակից էլեկտրամագնիսական տեխնոլոգիաների համար։ Շուտով Ֆարադեյը հրապարակեց արդյունքները։ Դա լարեց հարաբերությունները Դեյվիի հետ Ֆարադեյի նվաճումների հանդեպ նրա խանդի պատճառով և ստիպեց վերջինիս շրջվել դեպի այլ բաներ, ինչի արդյունքում նա մի քանի տարի թույլ չտվեց մասնակցել էլեկտրամագնիսական հետազոտություններին::
B. Գ. Լամմը 1912 թվականին նկարագրել է 2000 կՎտ, 260 Վ, 7700 Ա և 1200 պտ/րոպ հզորությամբ հոմոբևեռ մեքենա՝ 16 սայթաքող օղակներով, որոնք աշխատում են 67 մ/վ ծայրամասային արագությամբ։ 1934 թվականին կառուցված 1125 կՎտ, 7,5 Վ, 150,000 Ա, 514 պտույտ/րոպե միաբևեռ գեներատորը տեղադրվել է ամերիկյան պողպատի գործարանում՝ խողովակների եռակցման համար։
Նույն Լորենցի օրենքը
Այս շարժիչի աշխատանքը նման է հարվածային միաբևեռ գեներատորի աշխատանքին: Միաբևեռ շարժիչը շարժվում է Լորենցի ուժով: Իր միջով հոսող հոսանք ունեցող հաղորդիչը, երբ տեղադրվում է մագնիսական դաշտում և դրան ուղղահայաց, ուժ է զգումուղղությունը ուղղահայաց ինչպես մագնիսական դաշտին, այնպես էլ հոսանքին: Այս ուժն ապահովում է պտտման առանցքի շուրջ շրջադարձային պահ:
Քանի որ վերջինս զուգահեռ է մագնիսական դաշտին, և հակադիր մագնիսական դաշտերը չեն փոխում բևեռականությունը, հաղորդիչի պտտումը շարունակելու համար միացում չի պահանջվում: Այս պարզությունը ամենահեշտն է ձեռք բերվում մեկ պտույտով դիզայնով, ինչը հոմոբևեռ շարժիչները դարձնում է ոչ պիտանի շատ գործնական կիրառությունների համար:
Ինչպես շատ էլեկտրամեխանիկական մեքենաներ (ինչպես Նեգերաթի միաբևեռ գեներատորը), հոմոբևեռ շարժիչը շրջելի է. եթե հաղորդիչը մեխանիկորեն շրջվի, այն կգործի որպես հոմոբևեռ գեներատոր՝ ստեղծելով DC լարում հաղորդիչի երկու տերմինալների միջև:
Հաստատուն հոսանքը դիզայնի հոմոբևեռ բնույթի հետևանք է: Հոմոբևեռ գեներատորները (HPG) լայնորեն ուսումնասիրվել են 20-րդ դարի վերջին որպես ցածր լարման, բայց շատ բարձր հոսանքի ուղղակի հոսանքի աղբյուրներ, և որոշակի հաջողությունների են հասել փորձարարական երկաթուղային հրացանների սնուցման գործում:
շենք
Սեփական ձեռքերով միաբևեռ գեներատոր պատրաստելը բավականին պարզ է։ Միաբևեռ շարժիչը նույնպես շատ հեշտ է հավաքվում: Մշտական մագնիսն օգտագործվում է արտաքին մագնիսական դաշտ ստեղծելու համար, որտեղ հաղորդիչը կպտտվի, և մարտկոցը ստիպում է հոսանք հոսել հաղորդիչ մետաղալարի երկայնքով:
Պետք չէ, որ մագնիսը շարժվի կամ նույնիսկ շփվի շարժիչի մնացած մասերի հետ. դրա միակ նպատակը մագնիսական դաշտ ստեղծելն է, որը թույլ կտափոխազդում են լարերի հոսանքից առաջացած նմանատիպ դաշտի հետ: Հնարավոր է մարտկոցին միացնել մագնիս և թույլ տալ, որ հաղորդիչը ազատ պտտվի, երբ էլեկտրական միացումն ավարտվում է, դիպչելով և՛ մարտկոցի վերևին, և՛ մարտկոցի ներքևի մասում ամրացված մագնիսին: Շարունակական օգտագործման ընթացքում լարը և մարտկոցը կարող են տաքանալ:
