Generador unipolar

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Un generador unipolar es un tipo de máquina eléctrica de CC . Contiene un disco conductor, un campo magnético constante paralelo al eje de rotación del disco, el primer colector de corriente en el eje del disco y el segundo colector de corriente en el borde del disco.

Cómo funciona

Un disco conductor de electricidad se coloca entre los polos de un imán permanente y se hace girar. El eje de rotación del disco es paralelo a las líneas del campo magnético. Cuando el disco gira en un campo magnético uniforme, la fuerza de Lorentz actúa sobre los electrones libres del disco:

$\mathbf {F} =q\left(\mathbf {E} +[\mathbf {v} \times \mathbf {B} ]\right)$

Como no hay campo eléctrico externo, entonces:

$\mathbf {F} =q[\mathbf {v} \times \mathbf {B} ]$

$F=qvBsin\alfa$

Como el campo magnético es perpendicular al disco giratorio, entonces:

$F=qvB$

$v=\Omega r$

$F=q\Omega rB$

Dependiendo de la dirección de rotación del disco, la fuerza de Lorentz dirige los electrones libres hacia el centro del disco o hacia el borde exterior. Se desarrolla un campo eléctrico entre el centro y el lado exterior del disco . Este campo es perpendicular al plano en el que se encuentran los vectores y , y crecerá hasta que la fuerza eléctrica compense la fuerza de Lorentz: $\mathbf {E_{\perp}}$ ${\ estilo de visualización \ mathbf {v}}$ $\matemáticas {B}$ $q\mathbf {E_{\perp}}$

$qE_{\perp}=q\Omega rB$

$E_{\perp}=\Omega rB$

$U=\int _{0}^{R}E_{\perp }dr=\int_{0}^{R}\Omega rBdr={\frac {\Omega R^{2}B}{ 2}}$

Si un circuito eléctrico está conectado al eje y al lado exterior del disco, entonces fluirá una corriente eléctrica en él.

Historia

Disco de Faraday

En 1831, Michael Faraday , después de haber descubierto la ley de la inducción electromagnética, entre otros experimentos, construyó un dispositivo visual para convertir la energía mecánica en energía eléctrica: el disco de Faraday. Era un dispositivo extremadamente ineficiente, pero tenía un valor significativo para el desarrollo posterior de la ciencia.

La ley de inducción electromagnética , formulada por Faraday, consideraba un circuito conductor cruzando líneas de campo magnético. Sin embargo, en el caso del disco de Faraday, el campo magnético se dirigió a lo largo del eje de rotación y el contorno no se movió en relación con el campo. La mayor sorpresa fue causada por el hecho de que la rotación del imán junto con el disco también provocó la aparición de un EMF en un circuito externo estacionario. Así apareció la paradoja de Faraday , resuelta sólo unos años después de su muerte con el descubrimiento de un electrón , portador de carga eléctrica , cuyo movimiento provoca una corriente eléctrica en los metales .

La paradoja claramente visible de la inducción unipolar se expresa en la siguiente tabla, que describe varias combinaciones de rotación e inmovilidad de partes de la instalación, y un signo de exclamación marca el resultado, que no es intuitivamente explicable: la aparición de corriente en un externo estacionario circuito mientras gira simultáneamente el disco y el imán fijo con él.

imán	disco	circuito externo	¿hay tensión?
inmóvil	inmóvil	inmóvil	perdido
inmóvil	gira	inmóvil	Hay
inmóvil	inmóvil	gira	Hay
inmóvil	gira	gira	perdido
gira	inmóvil	inmóvil	perdido
gira	gira	inmóvil	Hay (!)
gira	inmóvil	gira	Hay
gira	gira	gira	perdido

La inducción unipolar es un efecto relativista , en el que se manifiesta claramente la naturaleza relativa de la división del campo electromagnético en eléctrico y magnético .

Resolviendo las paradojas de Faraday

Cuando solo gira el disco, hay voltaje porque el disco conductor de electricidad se mueve en presencia de un campo magnético uniforme, por lo que la fuerza de Lorentz crea una diferencia de potencial entre el borde del disco y su centro. Para la aparición de la fuerza de Lorentz, no importa si el propio imán gira o no. El eje del imán se elige de tal manera que la rotación del imán no cambie su campo, y si no hubiéramos visto el imán, nunca habríamos sabido si gira o no.
Cuando solo gira el circuito, hay voltaje, porque el circuito gira en un campo magnético, la fuerza de Lorentz crea una diferencia de potencial en el circuito mismo y el disco estacionario cierra más y menos. A diferencia del caso anterior, el disco y la cadena están invertidos.
Cuando tanto el disco como la cadena giran, no hay voltaje, porque ahora la cadena y el disco representan un todo único para la fuerza de Lorentz. Esta formación única tendrá un más en el exterior y un menos en el centro. Para medir la diferencia entre este más y menos, debe conectar otro voltímetro fijo y eléctricamente neutro.
Cuando solo gira el imán, no hay voltaje porque el disco está en reposo. La fuerza de Lorentz requiere que el disco gire en presencia de un campo magnético. Y si el imán rotará o no, no importa, su rotación no afecta el campo magnético.
Cuando el imán gira con el disco, habrá voltaje porque el disco gira en presencia de un campo magnético uniforme. Por tanto, la fuerza de Lorentz crea una diferencia de potencial entre el borde y el centro del disco, que se puede medir con un voltímetro estacionario. Si conecta una carga en lugar de un voltímetro, la corriente fluirá. En todos estos ejemplos, la rotación del imán no juega ningún papel. porque la rotación del imán no cambia el campo.
Cuando el circuito y el imán giran, habrá voltaje porque el circuito eléctricamente conductor gira en presencia de un campo magnético. La fuerza de Lorentz crea una diferencia de potencial en él y el disco fijo lo cierra. Si la cadena giratoria se eleva más y ambos cepillos están conectados al eje, entonces no habrá voltaje. Habrá un circuito electrificado: más en un lado, menos en el otro.
Cuando el imán, el disco y el circuito giran juntos, no habrá voltaje, porque el circuito con el disco es un todo: un disco giratorio un poco más grande. Para que aparezca el voltaje, debe detener la cadena o el disco. La rotación del disco no importa en este y en los otros ejemplos, ya que el campo no cambia debido a la rotación del disco.

Patentes y algunos diseños prácticos

Charles E. Ball (US238631; marzo de 1881), Sebastian Ziani de Ferranti , Charles Batchelor recibieron las primeras patentes de diseño conocidas para generadores unipolares.
Nikola Tesla ( patente estadounidense 406.968 ) desarrolló un diseño en el que dos discos giraban sobre ejes paralelos en diferentes campos magnéticos conectados por una correa de metal.
En 1989, un generador unipolar operó en Australia, generando una corriente de 1500 kA a un voltaje de 800 V.

Generador Railgun

Propiedades tan positivas de los generadores unipolares como la sencillez, la fiabilidad y el coste se manifiestan principalmente en aplicaciones en las que es necesario obtener tensiones bajas (del orden de 10 voltios) a corriente alta. [1] Una de esas aplicaciones fue el generador de cañones de riel . Entonces, por iniciativa de Mark Oliphant , se construyó un gran generador unipolar en el Laboratorio Nacional de Australia, que se convirtió en una fuente confiable de pulsos de megaamperios para el cañón de riel, y luego se usó en el tokamak LT4 para excitar el plasma. [2]

Física de plasma, generadores MHD

Astrofísica

La esfera más importante de aplicación moderna del concepto de generador unipolar es la astrofísica. En varios sistemas estelares en el espacio, se observan campos magnéticos naturales y discos conductores de plasma, cuyo comportamiento, por así decirlo, repite los experimentos de Faraday y Tesla.

Charlatanería pseudocientífica

Este tipo de máquinas eléctricas se ha utilizado repetidamente para construir una máquina de movimiento perpetuo, una fuente de energía libre y engaños similares.

La historia más famosa es la llamada "N-máquina" de Bruce de Palma (2 de octubre de 1935 - octubre de 1997), quien declaró que en su diseño la energía producida por el disco de Faraday sería cinco veces mayor que la energía gastada en su rotación. Sin embargo, en 1997, después de la muerte de Bruce de Palma, la copia construida de su automóvil fue probada oficialmente con un resultado negativo. La energía producida se disipaba en forma de calor, y su valor no superaba el gastado.

La base de tales especulaciones es una comprensión incorrecta de la conocida "paradoja de Faraday" y la idea de que la resolución de esta "paradoja" radica en algunos campos y propiedades especiales del espacio (por ejemplo, "torsión"), así como la afirmación de que en unipolar no hay EMF posterior en los generadores , que se opone a la rotación cuando la corriente se cierra a través de la carga.

También hay diseños de "generadores unipolares" y motores, cuyos autores anuncian una gran ganancia en comparación con las máquinas eléctricas tradicionales.

También se exagera la interpretación literal (“unipolar”) del término “unipolar” (homopolar) incorrectamente aplicado a esta clase de dispositivos. De hecho, estos dispositivos deberían llamarse más correctamente "dispositivos de conexión de campo magnético uniforme, corriente continua y rotor no conmutado", ya que otras máquinas eléctricas utilizan tanto/o un campo magnético no uniforme y/o corriente alterna y/o piezas de conmutación. del devanado del rotor.

Las dificultades adicionales para explicar el funcionamiento de las máquinas eléctricas unipolares son causadas por la idea del movimiento de los portadores de carga, los electrones, en particular, el término "velocidad". En primer lugar, surge inmediatamente la cuestión de la velocidad relativa a lo que estamos considerando en este caso. En segundo lugar, la familiarización de un entusiasta distraído con la teoría especial de la relatividad puede llevarlo a hacer malabarismos confusos con los conceptos de "observador", "velocidad" y similares.

Véase también

inducción unipolar
Debido al principio de reversibilidad de las máquinas eléctricas, también es posible un motor eléctrico unipolar .

Enlaces

I. E. Tamm . Fundamentos de la teoría de la electricidad. Sección 112
Enciclopedia física , v.5, página 224 , página 225 , artículo "Inducción unipolar", autores G. V. Permitin, Yu. V. Chugunov.
L. A. Sujánov . Máquinas unipolares eléctricas, 1964
Generador unipolar // Computerra , abril de 2007 /webarchive/

Notas

↑ LA Sukhanov, R. Kh. Safiullina, Yu. A. Bobkov. Editado por LA Sukhanov. "Máquinas unipolares eléctricas". Moscú: VNIIEM, 1964, 137 p.23
↑ The Big Machine Archivado el 17 de mayo de 2013 en Wayback Machine . (Inglés)