เครื่องกำเนิดไฟฟ้า unipolar เป็นกลไกไฟฟ้ากระแสตรงที่มีดิสก์นำไฟฟ้าหรือทรงกระบอกหมุนอยู่ในระนาบ มันมีศักยภาพของพลังงานที่แตกต่างกันระหว่างศูนย์กลางของดิสก์และขอบ (หรือปลายของกระบอกสูบ) ที่มีขั้วไฟฟ้าซึ่งขึ้นอยู่กับทิศทางของการหมุนและทิศทางของสนาม
มันยังเป็นที่รู้จักกันในนาม unipolar Faraday oscillator แรงดันไฟฟ้ามักจะต่ำ ตามลำดับสองสามโวลต์ในกรณีของแบบจำลองสาธิตขนาดเล็ก แต่เครื่องวิจัยขนาดใหญ่สามารถสร้างโวลต์ได้หลายร้อยโวลต์ และบางระบบมีออสซิลเลเตอร์หลายชุดสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า ผิดปกติตรงที่สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้เกินล้านแอมแปร์ เนื่องจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบขั้วเดียวไม่จำเป็นต้องมีความต้านทานภายในสูง
เรื่องราวการประดิษฐ์
กลไกโฮโมโพลาร์ตัวแรกพัฒนาโดย Michael Faraday ระหว่างการทดลองในปี 1831 มักเรียกกันว่าแผ่นดิสก์หรือล้อของฟาราเดย์ตามหลังเขา นี่คือจุดเริ่มต้นของไดนาโมสมัยใหม่เครื่องจักร กล่าวคือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทำงานบนสนามแม่เหล็ก มันไม่มีประสิทธิภาพมากและไม่ได้ใช้เป็นแหล่งพลังงานที่ใช้งานได้จริง แต่แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการผลิตไฟฟ้าโดยใช้สนามแม่เหล็กและปูทางสำหรับไดนาโมไฟฟ้ากระแสตรงแบบสวิตช์แล้วตามด้วยอัลเทอร์เนเตอร์
ข้อเสียของเครื่องกำเนิดแรก
แผ่นดิสก์ของฟาราเดย์ไม่มีประสิทธิภาพในขั้นต้นเนื่องจากกระแสไฟที่กำลังจะเกิดขึ้น หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบขั้วเดียวจะอธิบายโดยตัวอย่างเท่านั้น ในขณะที่กระแสไหลเหนี่ยวนำโดยตรงภายใต้แม่เหล็ก กระแสจะหมุนเวียนไปในทิศทางตรงกันข้าม กระแสไฟย้อนกลับจำกัดกำลังขับของสายไฟที่รับและทำให้ดิสก์ทองแดงร้อนขึ้นโดยไม่จำเป็น เครื่องกำเนิดโฮโมโพลาร์ในภายหลังสามารถแก้ปัญหานี้ได้ด้วยชุดแม่เหล็กที่วางรอบขอบจานเพื่อรักษาสนามให้คงที่รอบ ๆ เส้นรอบวงและกำจัดพื้นที่ที่อาจเกิดการย้อนกลับได้
การพัฒนาต่อไป
ไม่นานหลังจากที่ดิสก์ฟาราเดย์ดั้งเดิมถูกทำให้เสียชื่อเสียงในฐานะเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริง รุ่นที่แก้ไขได้รับการพัฒนาโดยรวมแม่เหล็กและดิสก์ไว้ในส่วนที่หมุนได้หนึ่งอัน (โรเตอร์) แต่แนวคิดของตัวสร้างอิมแพคแบบยูนิโพลาร์ถูกสงวนไว้สำหรับสิ่งนี้ การกำหนดค่า หนึ่งในสิทธิบัตรที่เก่าแก่ที่สุดสำหรับกลไก unipolar ทั่วไปได้รับโดย A. F. Delafield สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา 278,516
วิจัยจิตใจที่โดดเด่น
สิทธิบัตร unipolar ผลกระทบในระยะเริ่มแรกอื่นๆเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้รับรางวัลแยกต่างหากจาก S. Z. De Ferranti และ S. Batchelor นิโคลา เทสลาสนใจดิสก์ฟาราเดย์และทำงานร่วมกับกลไกโฮโมโพลาร์ และในที่สุดก็จดสิทธิบัตรอุปกรณ์รุ่นปรับปรุงในสิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา 406,968
สิทธิบัตร "เครื่องจักรไฟฟ้าไดนาโม" ของเทสลา (เครื่องกำเนิดไฟฟ้า unipolar ของเทสลา) อธิบายการจัดเรียงดิสก์ขนานสองแผ่นที่มีเพลาคู่ขนานที่เชื่อมต่อกัน เช่น รอก ด้วยสายพานโลหะ แต่ละดิสก์มีสนามตรงข้ามกัน เพื่อให้กระแสไหลผ่านจากเพลาหนึ่งไปยังขอบของดิสก์ ผ่านสายพานไปยังขอบอื่น ๆ และไปยังเพลาที่สอง ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียความเสียดทานที่เกิดจากหน้าสัมผัสการเลื่อนได้อย่างมาก ทำให้เซ็นเซอร์ไฟฟ้าทั้งสองสามารถโต้ตอบกับเพลาของแผ่นดิสก์ทั้งสองได้ แทนที่จะใช้เพลาและขอบล้อความเร็วสูง
ต่อมาได้รับรางวัลสิทธิบัตรแก่ S. P. Steinmetz และ E. Thomson สำหรับงานของพวกเขาเกี่ยวกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า unipolar ไฟฟ้าแรงสูง Forbes Dynamo ซึ่งออกแบบโดย George Forbes วิศวกรไฟฟ้าชาวสก็อต ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 การพัฒนาที่เกิดขึ้นในกลไกโฮโมโพลาร์ส่วนใหญ่ได้รับการจดสิทธิบัตรโดย J. E. Noeggerath และ R. Eickemeyer
50s
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบโฮโมโพลาร์ประสบกับยุคฟื้นฟูศิลปวิทยาในปี 1950 โดยเป็นแหล่งกักเก็บพลังงานแบบพัลซิ่ง อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ดิสก์หนักในรูปแบบของมู่เล่เพื่อเก็บพลังงานกลที่สามารถทิ้งลงในอุปกรณ์ทดลองได้อย่างรวดเร็ว
ตัวอย่างแรกๆ ของอุปกรณ์ประเภทนี้ถูกสร้างขึ้นโดย Sir Mark Oliphant ที่ Research Schoolวิทยาศาสตร์กายภาพและวิศวกรรมศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย โดยเก็บพลังงานได้มากถึง 500 เมกะจูล และถูกใช้เป็นแหล่งกระแสไฟสูงพิเศษสำหรับการทดลองซินโครตรอนตั้งแต่ปี 2505 จนกระทั่งถูกรื้อในปี 2529 การออกแบบของ Oliphant สามารถส่งกระแสได้ถึง 2 เมกะแอมแปร์ (MA)
พัฒนาโดย Parker Kinetic Designs
อุปกรณ์ขนาดใหญ่เช่นนี้ได้รับการออกแบบและสร้างโดย Parker Kinetic Designs (เดิมคือ OIME Research & Development) ของออสติน พวกเขาผลิตอุปกรณ์เพื่อวัตถุประสงค์ที่หลากหลาย ตั้งแต่การจ่ายพลังงานให้กับปืนพกในรางรถไฟไปจนถึงมอเตอร์แนวราบ (สำหรับการปล่อยในอวกาศ) และการออกแบบอาวุธต่างๆ มีการแนะนำการออกแบบอุตสาหกรรม 10 MJ สำหรับบทบาทต่างๆ รวมถึงการเชื่อมด้วยไฟฟ้า
อุปกรณ์เหล่านี้ประกอบด้วยมู่เล่ที่นำไฟฟ้า ซึ่งหนึ่งในนั้นหมุนในสนามแม่เหล็กโดยมีหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าอันหนึ่งอยู่ใกล้แกนและอีกอันใกล้ขอบ มีการใช้เพื่อสร้างกระแสที่สูงมากที่แรงดันไฟฟ้าต่ำในพื้นที่ต่างๆ เช่น การเชื่อม อิเล็กโทรลิซิส และการวิจัยเกี่ยวกับปืนราง ในการใช้งานพลังงานพัลส์ โมเมนตัมเชิงมุมของโรเตอร์จะถูกใช้เพื่อเก็บพลังงานไว้เป็นระยะเวลานานและปล่อยพลังงานออกมาในเวลาอันสั้น
ไม่เหมือนกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า unipolar แบบสับเปลี่ยนประเภทอื่นๆ แรงดันไฟขาออกจะไม่ย้อนกลับขั้ว การแยกประจุเป็นผลจากการกระทำของแรงลอเรนซ์ต่อประจุฟรีในดิสก์ การเคลื่อนที่เป็นแนวราบและสนามเป็นแนวแกน ดังนั้นแรงเคลื่อนไฟฟ้าเป็นแนวรัศมี
หน้าสัมผัสไฟฟ้ามักจะทำผ่าน "แปรง" หรือวงแหวนลื่น ส่งผลให้เกิดการสูญเสียสูงเมื่อเกิดแรงดันไฟฟ้าต่ำ การสูญเสียเหล่านี้บางส่วนสามารถลดลงได้โดยใช้ปรอทหรือโลหะหรือโลหะผสมที่ทำให้เป็นของเหลวได้ง่าย (แกลเลียม, NaK) เป็น "แปรง" เพื่อให้มีการสัมผัสทางไฟฟ้าเกือบต่อเนื่อง
การดัดแปลง
การปรับเปลี่ยนที่เสนอเมื่อเร็วๆ นี้คือการใช้หน้าสัมผัสพลาสมาที่ติดตั้งลำแสงนีออนความต้านทานลบที่สัมผัสกับขอบของแผ่นดิสก์หรือดรัมโดยใช้คาร์บอนที่มีฟังก์ชันการทำงานต่ำพิเศษในแถบแนวตั้ง สิ่งนี้จะมีข้อได้เปรียบของความต้านทานที่ต่ำมากในช่วงปัจจุบัน ซึ่งอาจสูงถึงหลายพันแอมป์โดยไม่ต้องสัมผัสกับโลหะเหลว
หากสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยแม่เหล็กถาวร เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะทำงานไม่ว่าแม่เหล็กจะติดอยู่กับสเตเตอร์หรือหมุนพร้อมกับดิสก์ ก่อนการค้นพบอิเล็กตรอนและกฎแรงของลอเรนซ์ ปรากฏการณ์นี้อธิบายไม่ได้และเป็นที่รู้จักในชื่อความขัดแย้งของฟาราเดย์
ประเภทกลอง
เครื่องกำเนิดโฮโมโพลาร์ชนิดดรัมมีสนามแม่เหล็ก (V) ที่แผ่รัศมีจากศูนย์กลางของดรัมและทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า (V) ตลอดความยาว ดรัมนำไฟฟ้าที่หมุนจากด้านบนในบริเวณแม่เหล็กประเภท "ลำโพง" โดยมีขั้วหนึ่งอยู่ตรงกลางและอีกขั้วหนึ่งล้อมรอบ อาจใช้ตลับลูกปืนแบบนำไฟฟ้าที่ด้านบนและส่วนล่างเพื่อจับกระแสที่สร้างขึ้น
ในธรรมชาติ
ตัวเหนี่ยวนำขั้วเดียวพบได้ในฟิสิกส์ดาราศาสตร์ โดยตัวนำจะหมุนผ่านสนามแม่เหล็ก เช่น เมื่อพลาสมาที่นำไฟฟ้าสูงในบรรยากาศรอบนอกของวัตถุในอวกาศเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กของมัน
ตัวเหนี่ยวนำขั้วเดียวมีความเกี่ยวข้องกับออโรราของยูเรเนียน, ดาวคู่, หลุมดำ, ดาราจักร, ดวงจันทร์ไอโอของดาวพฤหัสบดี, ดวงจันทร์, ลมสุริยะ, จุดดับบนดวงอาทิตย์ และหางแม่เหล็กของดาวศุกร์
คุณสมบัติกลไก
เช่นเดียวกับวัตถุอวกาศที่กล่าวมาข้างต้น ดิสก์ฟาราเดย์แปลงพลังงานจลน์เป็นพลังงานไฟฟ้า เครื่องนี้สามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้กฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์
กฎนี้ในรูปแบบที่ทันสมัยระบุว่าอนุพันธ์คงที่ของฟลักซ์แม่เหล็กผ่านวงจรปิดทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าในนั้น ซึ่งจะทำให้กระแสไฟฟ้าตื่นตัว
อินทิกรัลพื้นผิวที่กำหนดฟลักซ์แม่เหล็กสามารถเขียนใหม่เป็นเส้นตรงรอบวงจร แม้ว่าอินทิกรัลของเส้นจะไม่ขึ้นอยู่กับเวลา เนื่องจากดิสก์ฟาราเดย์ที่เป็นส่วนหนึ่งของขอบเขตของอินทิกรัลเส้นเคลื่อนที่ อนุพันธ์ของเวลาทั้งหมดจึงไม่ใช่ศูนย์และส่งกลับค่าที่ถูกต้องสำหรับการคำนวณแรงเคลื่อนไฟฟ้า อีกทางหนึ่ง สามารถลดดิสก์เป็นวงแหวนนำไฟฟ้ารอบเส้นรอบวงได้ด้วยซี่ล้อโลหะเดี่ยวที่เชื่อมต่อวงแหวนกับเพลา
ลอเรนซ์ ลอเรนซ์ ไฟแช็กเพื่อใช้อธิบายลักษณะการทำงานของเครื่อง กฎข้อนี้ซึ่งกำหนดขึ้นหลังจากฟาราเดย์เสียชีวิตไป 30 ปี ระบุว่าแรงบนอิเล็กตรอนเป็นสัดส่วนกับผลคูณของความเร็วและเวกเตอร์ฟลักซ์แม่เหล็ก
ในทางเรขาคณิต นี่หมายความว่าแรงมุ่งไปที่มุมฉากกับทั้งความเร็ว (ราบ) และฟลักซ์แม่เหล็ก (แกน) ซึ่งอยู่ในทิศทางรัศมี การเคลื่อนที่ในแนวรัศมีของอิเล็กตรอนในจานทำให้เกิดการแยกประจุระหว่างจุดศูนย์กลางและขอบ และหากวงจรเสร็จสมบูรณ์ กระแสไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้น
มอเตอร์ไฟฟ้า
มอเตอร์แบบขั้วเดียวเป็นอุปกรณ์ DC ที่มีขั้วแม่เหล็กสองขั้ว ซึ่งตัวนำมักจะข้ามเส้นฟลักซ์แม่เหล็กทิศทางเดียว หมุนตัวนำไปรอบแกนคงที่เพื่อให้อยู่ในมุมฉากกับสนามแม่เหล็กคงที่ ผลลัพธ์ EMF (แรงเคลื่อนไฟฟ้า) ที่เกิดขึ้นซึ่งต่อเนื่องไปในทิศทางเดียวไปยังมอเตอร์แบบโฮโมโพลาร์นั้นไม่จำเป็นต้องใช้สับเปลี่ยน แต่ยังต้องใช้วงแหวนสลิปอยู่ ชื่อ "โฮโมโพลาร์" บ่งบอกว่าขั้วไฟฟ้าของตัวนำและขั้วของสนามแม่เหล็กไม่เปลี่ยนแปลง (นั่นคือ ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยน)
unipolar motor เป็นมอเตอร์ไฟฟ้าตัวแรกที่สร้างขึ้น Michael Faraday แสดงการกระทำในปี 1821 ที่ Royal Institution ในลอนดอน
ประดิษฐ์
ในปี 1821 ไม่นานหลังจากที่ Hans Christian Oersted นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวเดนมาร์กค้นพบปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้า Humphry Davy และนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ William Hyde Wollaston พยายาม แต่ล้มเหลวในการพัฒนามอเตอร์ไฟฟ้า ฟาราเดย์ซึ่งถูกวิจารณ์ว่าเป็นเรื่องตลกโดยฮัมฟรีย์ ได้สร้างอุปกรณ์สองเครื่องเพื่อสร้างสิ่งที่เขาเรียกว่า "การหมุนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า" หนึ่งในนั้น ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อไดรฟ์โฮโมโพลาร์ ทำให้เกิดการเคลื่อนที่เป็นวงกลมอย่างต่อเนื่อง เกิดจากแรงแม่เหล็กเป็นวงกลมรอบๆ เส้นลวดที่วางอยู่ในสระปรอทซึ่งแม่เหล็กถูกวาง ลวดจะหมุนรอบแม่เหล็กถ้าใช้พลังงานจากแบตเตอรี่เคมี
การทดลองและสิ่งประดิษฐ์เหล่านี้เป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีแม่เหล็กไฟฟ้าสมัยใหม่ ในไม่ช้าฟาราเดย์ก็เผยแพร่ผลลัพธ์ ความสัมพันธ์ที่ตึงเครียดกับเดวี่นี้เนื่องจากความหึงหวงในความสำเร็จของฟาราเดย์ และทำให้คนหลังหันไปหาสิ่งอื่น ซึ่งส่งผลให้เขาไม่สามารถมีส่วนร่วมในการวิจัยแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นเวลาหลายปี
B. G. Lamm อธิบายในปี 1912 ว่าเป็นเครื่องจักรโฮโมโพลาร์ที่มีกำลัง 2,000 กิโลวัตต์, 260 V, 7700 A และ 1200 รอบต่อนาทีด้วยวงแหวนสลิป 16 วงที่ทำงานด้วยความเร็วรอบข้าง 67 ม./วินาที เครื่องกำเนิดไฟฟ้า unipolar 1125kW, 7.5V, 150,000A, 514rpm ที่สร้างขึ้นในปี 1934 ได้รับการติดตั้งในโรงถลุงเหล็กของอเมริกาสำหรับการเชื่อมท่อ
กฎหมายลอเรนทซ์เดียวกัน
การทำงานของเครื่องยนต์นี้คล้ายกับการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบขั้วเดียว มอเตอร์แบบขั้วเดียวขับเคลื่อนด้วยแรงลอเรนซ์ ตัวนำที่มีกระแสไหลผ่านเมื่อวางในสนามแม่เหล็กและตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กจะรู้สึกถึงแรงเข้าทิศทางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กและกระแส แรงนี้ทำให้เกิดโมเมนต์หมุนรอบแกนของการหมุน
เนื่องจากสนามแม่เหล็กขนานกับสนามแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กที่เป็นปฏิปักษ์จะไม่เปลี่ยนขั้ว ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนเพื่อหมุนตัวนำต่อไป ความเรียบง่ายนี้ทำได้ง่ายที่สุดด้วยการออกแบบแบบเลี้ยวเดียว ทำให้มอเตอร์โฮโมโพลาร์ไม่เหมาะกับการใช้งานจริงส่วนใหญ่
เช่นเดียวกับเครื่องจักรไฟฟ้าส่วนใหญ่ (เช่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า unipolar ของ Neggerath) มอเตอร์แบบโฮโมโพลาร์สามารถย้อนกลับได้: หากตัวนำถูกหมุนด้วยกลไก มันจะทำงานเป็นเครื่องกำเนิดแบบโฮโมโพลาร์ ทำให้เกิดแรงดัน DC ระหว่างขั้วทั้งสองของตัวนำ
กระแสคงที่เป็นผลมาจากธรรมชาติของการออกแบบ เครื่องกำเนิดโฮโมโพลาร์ (HPG) ถูกสำรวจอย่างกว้างขวางในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 ว่าเป็นแหล่งของไฟฟ้าแรงต่ำแต่กระแสตรงสูงมาก และประสบความสำเร็จในการจ่ายไฟให้กับปืนรางทดลอง
ตึก
การทำเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบขั้วเดียวด้วยมือของคุณเองนั้นค่อนข้างง่าย มอเตอร์แบบขั้วเดียวยังประกอบง่ายมากอีกด้วย แม่เหล็กถาวรใช้สร้างสนามแม่เหล็กภายนอกซึ่งตัวนำจะหมุน และแบตเตอรี่จะทำให้กระแสไฟไหลไปตามลวดนำไฟฟ้า
แม่เหล็กไม่จำเป็นต้องเคลื่อนที่หรือแม้แต่สัมผัสกับส่วนที่เหลือของมอเตอร์ จุดประสงค์เดียวของมันคือการสร้างสนามแม่เหล็กที่จะโต้ตอบกับสนามที่คล้ายกันซึ่งเกิดจากกระแสในเส้นลวด เป็นไปได้ที่จะติดแม่เหล็กเข้ากับแบตเตอรี่และปล่อยให้ตัวนำหมุนได้อย่างอิสระเมื่อวงจรไฟฟ้าเสร็จสิ้น โดยสัมผัสทั้งด้านบนของแบตเตอรี่และแม่เหล็กที่ติดอยู่ที่ด้านล่างของแบตเตอรี่ สายไฟและแบตเตอรี่อาจร้อนขึ้นระหว่างการใช้งานต่อเนื่อง
