المولد أحادي القطب عبارة عن آلية كهربائية ذات تيار مباشر تحتوي على قرص موصل كهربائيًا أو أسطوانة تدور في مستوى. لها إمكانات طاقة مختلفة بين مركز القرص والحافة (أو نهايات الاسطوانة) مع قطبية كهربائية ، والتي تعتمد على اتجاه الدوران واتجاه المجال.
يُعرف أيضًا باسم مذبذب فاراداي أحادي القطب. عادةً ما يكون الجهد منخفضًا ، بترتيب بضعة فولتات في حالة نماذج العرض التوضيحي الصغيرة ، ولكن يمكن لآلات البحث الكبيرة أن تولد مئات الفولتات ، وتحتوي بعض الأنظمة على عدة مذبذبات متسلسلة لجهود أعلى. إنها غير عادية من حيث أنها يمكن أن تولد تيارًا كهربائيًا قادرًا على تجاوز مليون أمبير ، نظرًا لأن المولد أحادي القطب لا يتمتع بالضرورة بمقاومة داخلية عالية.
قصة اختراع
تم تطوير أول آلية أحادية القطب بواسطة مايكل فاراداي أثناء تجاربه في عام 1831. غالبًا ما يشار إليه باسم قرص Faraday أو عجلة Faraday بعده. كانت هذه بداية الدينامو الحديثالآلات ، أي المولدات الكهربائية التي تعمل في مجال مغناطيسي. كان غير فعال للغاية ولم يستخدم كمصدر عملي للطاقة ، لكنه أظهر إمكانية توليد الكهرباء باستخدام المغناطيسية ومهد الطريق لدينامو التيار المستمر ثم المولدات.
عيوب المولد الأول
كان قرص فاراداي غير فعال بشكل أساسي بسبب التدفقات الحالية القادمة. سيتم وصف مبدأ تشغيل المولد أحادي القطب فقط من خلال مثاله. بينما تم تحفيز التدفق الحالي مباشرة تحت المغناطيس ، فإن التيار يدور في الاتجاه المعاكس. يحد التدفق العكسي من طاقة الخرج لأسلاك الاستقبال ويسبب تسخينًا غير ضروري للقرص النحاسي. يمكن للمولدات أحادية القطب لاحقًا حل هذه المشكلة بمجموعة من المغناطيسات الموضوعة حول محيط القرص للحفاظ على مجال ثابت حول المحيط والقضاء على المناطق التي يمكن أن يحدث فيها تدفق عكسي.
تطورات أخرى
بعد فترة وجيزة من فقدان مصداقية قرص فاراداي الأصلي كمولد عملي ، تم تطوير نسخة معدلة تجمع بين المغناطيس والقرص في جزء دوار واحد (الدوار) ، ولكن تم حجز فكرة تأثير المولد أحادي القطب لهذا الغرض ترتيب. تم الحصول على واحدة من أقدم براءات الاختراع للآليات العامة أحادية القطب بواسطة A. F. Delafield ، براءة الاختراع الأمريكية 278،516.
بحث العقول المتميزة
براءات اختراع أحادية القطب أخرى ذات تأثير مبكرتم منح المولدات بشكل منفصل لكل من S. Z. De Ferranti و S. Batchelor. كان نيكولا تيسلا مهتمًا بقرص فاراداي وعمل مع آليات أحادية القطب ، وفي النهاية حصل على براءة اختراع لنسخة محسنة من الجهاز في براءة الاختراع الأمريكية 406968.
براءة اختراع Tesla "Dynamo Electric Machine" (مولد Tesla أحادي القطب) يصف ترتيب قرصين متوازيين مع أعمدة متوازية منفصلة متصلة ، مثل البكرات ، بواسطة حزام معدني. كان لكل قرص مجال مقابل الآخر ، بحيث يمر التدفق الحالي من عمود واحد إلى حافة القرص ، عبر الحزام إلى الحافة الأخرى ، وإلى العمود الثاني. هذا من شأنه أن يقلل بشكل كبير من خسائر الاحتكاك التي تسببها جهات الاتصال المنزلقة ، مما يسمح لكل من المستشعرات الكهربائية بالتفاعل مع أعمدة القرصين بدلاً من العمود والحافة عالية السرعة.
لاحقًا تم منح براءات الاختراع إلى S. P. Steinmetz و E. Thomson لعملهما في المولدات أحادية القطب عالية الجهد. تم استخدام فوربس دينامو ، الذي صممه المهندس الكهربائي الاسكتلندي جورج فوربس ، على نطاق واسع في أوائل القرن العشرين. تم تسجيل براءة اختراع معظم التطورات في الآليات أحادية القطب من قبل J. E. Noeggerath و R. Eickemeyer.
50 ثانية
شهدت المولدات أحادية القطب نهضة في الخمسينيات كمصدر لتخزين الطاقة النبضية. استخدمت هذه الأجهزة الأقراص الثقيلة كشكل من أشكال دولاب الموازنة لتخزين الطاقة الميكانيكية التي يمكن إلقاؤها بسرعة في الجهاز التجريبي.
تم إنشاء مثال مبكر لهذا النوع من الأجهزة بواسطة السير مارك أوليفانت في كلية الأبحاثالعلوم الفيزيائية والهندسة من الجامعة الوطنية الأسترالية. يخزن ما يصل إلى 500 ميغا جول من الطاقة ويستخدم كمصدر تيار عالي للغاية لتجارب السنكروترون من عام 1962 حتى تم تفكيكه في عام 1986. كان تصميم Oliphant قادرًا على توصيل تيارات تصل إلى 2 ميغا أمبير (MA).
طورته تصاميم باركر الحركية
تم تصميم وبناء الأجهزة الأكبر مثل هذه بواسطة Parker Kinetic Designs (المعروفة سابقًا باسم OIME Research & Development) في أوستن. لقد أنتجوا أجهزة لمجموعة متنوعة من الأغراض ، من تشغيل مسدسات السكك الحديدية إلى المحركات الخطية (لعمليات الإطلاق في الفضاء) وتصميمات الأسلحة المختلفة. تم تقديم تصميمات صناعية 10 ميجا جول لأدوار مختلفة بما في ذلك اللحام الكهربائي.
تتكون هذه الأجهزة من دولاب الموازنة الموصلة ، يدور أحدهما في مجال مغناطيسي مع تلامس كهربائي بالقرب من المحور والآخر بالقرب من المحيط. لقد تم استخدامها لتوليد تيارات عالية جدًا بجهد كهربائي منخفض في مجالات مثل اللحام والتحليل الكهربائي وأبحاث المدافع الكهرومغناطيسية. في تطبيقات الطاقة النبضية ، يتم استخدام الزخم الزاوي للدوار لتخزين الطاقة لفترة طويلة ثم إطلاقها في وقت قصير.
على عكس الأنواع الأخرى من المولدات أحادية القطب التي يتم تبديلها ، فإن جهد الخرج لا يعكس قطبية. فصل الشحنات هو نتيجة عمل قوة لورنتز على الشحنات المجانية في القرص. الحركة سمتي والمجال محوريالقوة الدافعة الكهربائية شعاعية.
عادة ما يتم إجراء التلامس الكهربائي من خلال "فرشاة" أو حلقة انزلاقية ، مما يؤدي إلى خسائر عالية في الفولتية المنخفضة المتولدة. يمكن تقليل بعض هذه الخسائر باستخدام الزئبق أو معدن أو سبيكة أخرى يسهل تسييلها (الغاليوم ، NaK) كـ "فرشاة" لتوفير اتصال كهربائي مستمر تقريبًا.
تعديل
التعديل المقترح مؤخرًا هو استخدام ملامس بلازما مزود بعازل نيون ذو مقاومة سلبية يلامس حافة القرص أو الأسطوانة باستخدام كربون متخصص منخفض العمل في خطوط عمودية. سيكون لهذا ميزة مقاومة منخفضة للغاية في النطاق الحالي ، ربما تصل إلى آلاف الأمبيرات ، دون ملامسة المعدن السائل.
إذا تم إنشاء المجال المغناطيسي بواسطة مغناطيس دائم ، فإن المولد يعمل بغض النظر عما إذا كان المغناطيس متصلًا بالجزء الثابت أو يدور مع القرص. قبل اكتشاف الإلكترون وقانون القوة لورينتز ، كانت هذه الظاهرة غير قابلة للتفسير وكانت تُعرف بمفارقة فاراداي.
نوع الطبل
يحتوي المولد أحادي القطب من نوع الأسطوانة على مجال مغناطيسي (V) يشع شعاعيًا من مركز الأسطوانة ويحفز جهدًا (V) بطولها بالكامل. أسطوانة موصلة تدور من أعلى في منطقة مغناطيس من نوع "مكبر الصوت" مع قطب واحد في المركز والآخر يحيط به ، قد تستخدم محامل كروية موصلة في الجزء العلوي منها والأجزاء السفلية لالتقاط التيار المتولد.
في الطبيعة
تم العثور على المحاثات أحادية القطب في الفيزياء الفلكية ، حيث يدور الموصل عبر مجال مغناطيسي ، على سبيل المثال ، عندما تتحرك بلازما عالية التوصيل في طبقة الأيونوسفير لجسم فضائي عبر مجالها المغناطيسي.
المحاثات أحادية القطب مرتبطة بالشفق القطبي الأوروبي ، والنجوم الثنائية ، والثقوب السوداء ، والمجرات ، وقمر المشتري آيو ، والقمر ، والرياح الشمسية ، والبقع الشمسية ، والذيل المغناطيسي للزهرة.
ميزات الآلية
مثل كل الأجسام الفضائية المذكورة أعلاه ، يقوم قرص فاراداي بتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية. يمكن تحليل هذه الآلة باستخدام قانون فاراداي الخاص بالحث الكهرومغناطيسي.
ينص هذا القانون في شكله الحديث على أن المشتق الثابت للتدفق المغناطيسي من خلال دائرة مغلقة يؤدي إلى قوة دافعة كهربائية فيه ، والتي بدورها تثير تيارًا كهربائيًا.
يمكن إعادة كتابة تكامل السطح الذي يحدد التدفق المغناطيسي باعتباره خطيًا حول الدائرة. على الرغم من أن تكامل خط التكامل لا يعتمد على الوقت ، نظرًا لأن قرص فاراداي الذي يعد جزءًا من حدود الخط المتكامل يتحرك ، فإن مشتق الوقت الإجمالي ليس صفراً ويعيد القيمة الصحيحة لحساب القوة الدافعة الكهربائية. بدلاً من ذلك ، يمكن اختزال القرص إلى حلقة موصلة حول محيطه بسماعة معدنية واحدة تربط الحلقة بالمحور.
قانون لورينتز أخف وزناتستخدم لشرح سلوك الآلة. ينص هذا القانون ، الذي تمت صياغته بعد ثلاثين عامًا من وفاة فاراداي ، على أن القوة المؤثرة على الإلكترون تتناسب طرديًا مع الناتج العرضي لسرعته وناقل التدفق المغناطيسي.
من الناحية الهندسية ، هذا يعني أن القوة موجهة نحو الزوايا القائمة لكل من السرعة (السمت) والتدفق المغناطيسي (المحوري) ، وبالتالي في الاتجاه الشعاعي. تؤدي الحركة الشعاعية للإلكترونات في القرص إلى فصل الشحنات بين المركز والحافة ، وإذا اكتملت الدائرة ، يتم توليد تيار كهربائي.
محرك كهربائي
المحرك أحادي القطب هو جهاز يعمل بالتيار المستمر بقطبين مغناطيسيين ، حيث تعبر موصلاته دائمًا خطوط تدفق مغناطيسي أحادية الاتجاه ، وتدور الموصل حول محور ثابت بحيث يكون في زوايا قائمة على المجال المغناطيسي الثابت. لا تتطلب EMF (القوة الدافعة الكهربائية) ، المستمرة في اتجاه واحد ، إلى محرك أحادي القطب مبدلًا ، ولكنها لا تزال تتطلب حلقات منزلقة. يشير الاسم "أحادي القطب" إلى أن القطبية الكهربائية للموصل وأقطاب المجال المغناطيسي لا تتغير (أي أنها لا تتطلب التبديل).
كان المحرك أحادي القطب أول محرك كهربائي يتم تصنيعه. تم توضيح عملها من قبل مايكل فاراداي في عام 1821 في المعهد الملكي في لندن.
الاختراع
في عام 1821 ، بعد وقت قصير من اكتشاف الفيزيائي والكيميائي الدنماركي هانز كريستيان أورستدظاهرة الكهرومغناطيسية ، حاول همفري ديفي والعالم البريطاني ويليام هايد ولاستون تطوير محرك كهربائي ، لكنهم فشلوا. فاراداي ، المتنازع عليه على أنه مزحة من قبل همفري ، ذهب لإنشاء جهازين لإنشاء ما أسماه "الدوران الكهرومغناطيسي". واحد منهم ، المعروف الآن باسم محرك أحادي القطب ، خلق حركة دائرية مستمرة. كان ناتجًا عن قوة مغناطيسية دائرية حول سلك موضوع في بركة من الزئبق تم وضع المغناطيس فيه. سوف يدور السلك حول المغناطيس إذا تم تشغيله بواسطة بطارية كيميائية.
شكلت هذه التجارب والاختراعات أساس التقنيات الكهرومغناطيسية الحديثة. سرعان ما نشر فاراداي النتائج. وتسبب ذلك في توتر العلاقات مع ديفي بسبب غيرته من إنجازات فاراداي وتسبب في تحول الأخير إلى أشياء أخرى مما منعه نتيجة لذلك من المشاركة في البحث الكهرومغناطيسي لعدة سنوات.
ب. وصف G. Lamm في عام 1912 آلة أحادية القطب بقوة 2000 كيلوواط و 260 فولت و 7700 أمبير و 1200 دورة في الدقيقة مع 16 حلقة انزلاقية تعمل بسرعة محيطية تبلغ 67 م / ث. تم تركيب مولد أحادي القطب بقدرة 1125 كيلو واط ، 7.5 فولت ، 150.000 أمبير ، 514 دورة في الدقيقة في عام 1934 في مصنع فولاذ أمريكي لحام الأنابيب.
نفس قانون لورنتز
يشبه تشغيل هذا المحرك تشغيل مولد الصدمات أحادي القطب. يتم تشغيل المحرك أحادي القطب بواسطة قوة لورنتز. الموصل الذي يمر عبره تيار ، عند وضعه في مجال مغناطيسي وعمودي عليه ، يشعر بقوة فيعمودي على كل من المجال المغناطيسي والتيار. توفر هذه القوة لحظة تحول حول محور الدوران.
بما أن الأخير موازي للحقل المغناطيسي ، ولا تغير المجالات المغناطيسية المتعارضة القطبية ، فإن التبديل ليس مطلوبًا لمواصلة تدوير الموصل. يمكن تحقيق هذه البساطة بسهولة من خلال التصميمات أحادية الاتجاه ، مما يجعل المحركات أحادية القطب غير مناسبة لمعظم التطبيقات العملية.
مثل معظم الآلات الكهروميكانيكية (مثل مولد Neggerath أحادي القطب) ، يكون المحرك أحادي القطب قابلاً للعكس: إذا تم تشغيل الموصل ميكانيكيًا ، فسيعمل كمولد أحادي القطب ، مما ينتج عنه جهد تيار مستمر بين طرفي الموصل.
التيار المستمر هو نتيجة لطبيعة أحادي القطب للتصميم. تم استكشاف المولدات أحادية القطب (HPGs) على نطاق واسع في أواخر القرن العشرين كمصادر للجهد المنخفض ولكن التيار المباشر العالي للغاية ، وحققت بعض النجاح في تشغيل المدافع الكهرومغناطيسية التجريبية.
مبنى
صنع مولد أحادي القطب بيديك أمر بسيط للغاية. المحرك أحادي القطب سهل التجميع أيضًا. يتم استخدام المغناطيس الدائم لإنشاء مجال مغناطيسي خارجي يدور فيه الموصل ، وتتسبب البطارية في تدفق التيار على طول السلك الموصل.
ليس من الضروري أن يتحرك المغناطيس أو حتى يتلامس مع بقية المحرك ؛ الغرض الوحيد منه هو إنشاء مجال مغناطيسي من شأنهتتفاعل مع مجال مشابه ناتج عن التيار في السلك. من الممكن توصيل مغناطيس بالبطارية والسماح للموصل بالدوران بحرية عند اكتمال الدائرة الكهربائية ، بحيث يلامس الجزء العلوي من البطارية والمغناطيس المتصل بالجزء السفلي من البطارية. قد يسخن السلك والبطارية أثناء الاستخدام المتواصل.
