Generator unipolar adalah mekanisme listrik arus searah yang berisi piringan atau silinder konduktif listrik yang berputar dalam bidang. Ini memiliki potensi daya yang berbeda antara pusat piringan dan tepi (atau ujung silinder) dengan polaritas listrik, yang tergantung pada arah putaran dan orientasi medan.
Ini juga dikenal sebagai osilator Faraday unipolar. Tegangan biasanya rendah, pada urutan beberapa volt dalam kasus model demonstrasi kecil, tetapi mesin penelitian besar dapat menghasilkan ratusan volt, dan beberapa sistem memiliki beberapa osilator seri untuk tegangan yang lebih tinggi. Mereka tidak biasa karena mereka dapat menghasilkan arus listrik yang mampu melebihi satu juta ampere, karena generator unipolar tidak harus memiliki resistansi internal yang tinggi.
Kisah Penemuan
Mekanisme homopolar pertama dikembangkan oleh Michael Faraday selama eksperimennya pada tahun 1831. Hal ini sering disebut sebagai cakram Faraday atau roda setelah dia. Ini adalah awal dari dinamo modernmesin, yaitu generator listrik yang beroperasi pada medan magnet. Itu sangat tidak efisien dan tidak digunakan sebagai sumber daya yang praktis, tetapi menunjukkan kemungkinan menghasilkan listrik menggunakan magnet dan membuka jalan untuk dinamo DC yang diaktifkan dan kemudian alternator.
Kekurangan generator pertama
Disk Faraday terutama tidak efisien karena arus yang datang. Prinsip pengoperasian generator unipolar akan dijelaskan hanya dengan contohnya. Sementara aliran arus diinduksi langsung di bawah magnet, arus disirkulasikan ke arah yang berlawanan. Arus balik membatasi daya keluaran untuk kabel penerima dan menyebabkan pemanasan yang tidak perlu pada cakram tembaga. Generator homopolar kemudian dapat memecahkan masalah ini dengan satu set magnet yang ditempatkan di sekeliling piringan untuk mempertahankan medan konstan di sekitar lingkaran dan menghilangkan area di mana aliran balik dapat terjadi.
Perkembangan lebih lanjut
Tak lama setelah disk Faraday asli didiskreditkan sebagai generator praktis, versi modifikasi dikembangkan dengan menggabungkan magnet dan disk dalam satu bagian yang berputar (rotor), tetapi gagasan tentang generator unipolar impak dicadangkan untuk ini konfigurasi. Salah satu paten paling awal untuk mekanisme unipolar generik diperoleh oleh A. F. Delafield, U. S. Patent 278.516.
Penelitian pemikiran yang luar biasa
Paten unipolar dampak awal lainnyagenerator diberikan secara terpisah kepada S. Z. De Ferranti dan S. Batchelor. Nikola Tesla tertarik pada disk Faraday dan bekerja dengan mekanisme homopolar, dan akhirnya mematenkan versi perangkat yang lebih baik dalam Paten AS 406.968.
Paten "Dynamo Electric Machine" Tesla (generator unipolar Tesla) menjelaskan susunan dua cakram paralel dengan poros paralel terpisah yang dihubungkan, seperti puli, dengan sabuk logam. Setiap piringan memiliki medan yang berlawanan dengan yang lain, sehingga aliran arus mengalir dari satu poros ke tepi piringan, melalui sabuk ke tepi yang lain, dan ke poros kedua. Ini akan sangat mengurangi kerugian gesekan yang disebabkan oleh kontak geser, yang memungkinkan kedua sensor listrik berinteraksi dengan poros kedua cakram daripada poros dan pelek kecepatan tinggi.
Paten kemudian diberikan kepada S. P. Steinmetz dan E. Thomson untuk pekerjaan mereka pada generator unipolar tegangan tinggi. Dynamo Forbes, dirancang oleh insinyur listrik Skotlandia George Forbes, digunakan secara luas pada awal abad ke-20. Sebagian besar perkembangan yang dibuat dalam mekanisme homopolar telah dipatenkan oleh J. E. Noeggerath dan R. Eickemeyer.
50s
Generator Homopolar mengalami kebangkitan pada 1950-an sebagai sumber penyimpanan energi berdenyut. Perangkat ini menggunakan piringan berat sebagai bentuk roda gila untuk menyimpan energi mekanik yang dapat dengan cepat dibuang ke peralatan eksperimental.
Contoh awal perangkat semacam ini dibuat oleh Sir Mark Oliphant di Research SchoolIlmu Fisika dan Teknik dari Universitas Nasional Australia. Ini menyimpan hingga 500 megajoule energi dan digunakan sebagai sumber arus ultra-tinggi untuk eksperimen sinkrotron dari tahun 1962 hingga dibongkar pada tahun 1986. Desain Oliphant mampu mengalirkan arus hingga 2 megaamper (MA).
Dikembangkan oleh Parker Kinetic Designs
Perangkat yang lebih besar seperti ini dirancang dan dibuat oleh Parker Kinetic Designs (sebelumnya OIME Research & Development) dari Austin. Mereka memproduksi perangkat untuk berbagai tujuan, dari menyalakan pistol kereta api hingga motor linier (untuk peluncuran luar angkasa) dan berbagai desain senjata. 10 desain industri MJ telah diperkenalkan untuk berbagai peran termasuk pengelasan listrik.
Perangkat ini terdiri dari roda gila konduktif, salah satunya diputar dalam medan magnet dengan satu kontak listrik di dekat sumbu dan yang lainnya di dekat pinggiran. Mereka telah digunakan untuk menghasilkan arus yang sangat tinggi pada tegangan rendah di berbagai bidang seperti pengelasan, elektrolisis, dan penelitian railgun. Dalam aplikasi energi berdenyut, momentum sudut rotor digunakan untuk menyimpan energi dalam waktu lama dan kemudian melepaskannya dalam waktu singkat.
Tidak seperti jenis generator unipolar komutasi lainnya, tegangan keluaran tidak pernah membalik polaritas. Pemisahan muatan adalah hasil dari aksi gaya Lorentz pada muatan bebas di dalam piringan. Gerakannya azimut dan medannya aksial, jadigaya gerak listrik adalah radial.
Kontak listrik biasanya dilakukan melalui "sikat" atau slip ring, yang mengakibatkan kerugian tinggi pada tegangan rendah yang dihasilkan. Beberapa dari kehilangan ini dapat dikurangi dengan menggunakan merkuri atau logam atau paduan lain yang mudah dicairkan (gallium, NaK) sebagai "sikat" untuk memberikan kontak listrik yang hampir terus menerus.
Modifikasi
Sebuah modifikasi yang baru-baru ini diusulkan adalah menggunakan kontak plasma yang dilengkapi dengan pita neon resistansi negatif yang menyentuh tepi cakram atau drum menggunakan karbon fungsi kerja rendah khusus dalam garis-garis vertikal. Ini akan memiliki keuntungan dari resistansi yang sangat rendah dalam kisaran arus, mungkin hingga ribuan amp, tanpa kontak dengan logam cair.
Jika medan magnet dibuat oleh magnet permanen, generator bekerja terlepas dari apakah magnet itu menempel pada stator atau berputar dengan piringan. Sebelum penemuan elektron dan hukum gaya Lorentz, fenomena ini tidak dapat dijelaskan dan dikenal sebagai paradoks Faraday.
Jenis Drum
Sebuah generator homopolar tipe drum memiliki medan magnet (V) yang memancar secara radial dari pusat drum dan menginduksi tegangan (V) di sepanjang panjangnya. Drum konduktif yang berputar dari atas di wilayah magnet jenis "loudspeaker" dengan satu kutub di tengah dan kutub lainnya mengelilinginya, dapat menggunakan bantalan bola konduktif di bagian atasnya danbagian bawah untuk menangkap arus yang dihasilkan.
Di alam
Induktor unipolar ditemukan dalam astrofisika, di mana konduktor berputar melalui medan magnet, misalnya, ketika plasma yang sangat konduktif di ionosfer benda ruang angkasa bergerak melalui medan magnetnya.
Induktor unipolar telah dikaitkan dengan aurora Uranian, bintang biner, lubang hitam, galaksi, bulan Yupiter Io, Bulan, angin matahari, bintik matahari, dan ekor magnet Venus.
Fitur mekanisme
Seperti semua benda luar angkasa yang disebutkan di atas, piringan Faraday mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Mesin ini dapat dianalisis menggunakan hukum induksi elektromagnetik Faraday sendiri.
Hukum ini dalam bentuk modernnya menyatakan bahwa turunan konstan fluks magnet melalui rangkaian tertutup menginduksi gaya gerak listrik di dalamnya, yang pada gilirannya membangkitkan arus listrik.
Integral permukaan yang mendefinisikan fluks magnet dapat ditulis ulang sebagai integral linier di sekitar rangkaian. Meskipun integral garis tidak bergantung pada waktu, karena piringan Faraday yang merupakan bagian dari batas integral garis bergerak, turunan dari total waktu tidak nol dan mengembalikan nilai yang benar untuk menghitung gaya gerak listrik. Atau, disk dapat direduksi menjadi cincin konduktif di sekeliling kelilingnya dengan satu jari logam yang menghubungkan cincin ke poros.
Pemantik hukum gaya Lorentzdigunakan untuk menjelaskan perilaku mesin. Hukum ini, yang dirumuskan tiga puluh tahun setelah kematian Faraday, menyatakan bahwa gaya pada elektron sebanding dengan perkalian silang kecepatannya dan vektor fluks magnet.
Dalam istilah geometris, ini berarti bahwa gaya diarahkan tegak lurus terhadap kecepatan (azimuth) dan fluks magnet (aksial), yang karenanya dalam arah radial. Pergerakan radial elektron dalam piringan menyebabkan pemisahan muatan antara pusat dan tepinya, dan jika rangkaian selesai, arus listrik dihasilkan.
Motor listrik
Motor unipolar adalah perangkat DC dengan dua kutub magnet, yang konduktornya selalu melintasi garis fluks magnet searah, memutar konduktor di sekitar sumbu tetap sehingga tegak lurus terhadap medan magnet statis. EMF (gaya gerak listrik) yang dihasilkan, yang kontinu dalam satu arah, ke motor homopolar tidak memerlukan komutator, tetapi masih membutuhkan cincin slip. Nama "homopolar" menunjukkan bahwa polaritas listrik konduktor dan kutub medan magnet tidak berubah (yaitu, tidak memerlukan switching).
Motor unipolar adalah motor listrik pertama yang dibuat. Aksinya ditunjukkan oleh Michael Faraday pada tahun 1821 di Royal Institution di London.
Penemuan
Pada tahun 1821, tak lama setelah fisikawan dan kimiawan Denmark Hans Christian Oersted menemukanfenomena elektromagnetisme, Humphry Davy dan ilmuwan Inggris William Hyde Wollaston mencoba, tetapi gagal, untuk mengembangkan motor listrik. Faraday, yang diperdebatkan sebagai lelucon oleh Humphrey, melanjutkan untuk membuat dua perangkat untuk menciptakan apa yang disebutnya "rotasi elektromagnetik". Salah satunya, sekarang dikenal sebagai penggerak homopolar, menciptakan gerakan melingkar terus menerus. Itu disebabkan oleh gaya magnet melingkar di sekitar kawat yang ditempatkan di kolam merkuri tempat magnet ditempatkan. Kawat akan berputar mengelilingi magnet jika ditenagai oleh baterai kimia.
Eksperimen dan penemuan ini menjadi dasar teknologi elektromagnetik modern. Segera Faraday menerbitkan hasilnya. Ini membuat hubungan tegang dengan Davy karena kecemburuannya pada pencapaian Faraday dan menyebabkan yang terakhir beralih ke hal-hal lain, yang akibatnya mencegahnya berpartisipasi dalam penelitian elektromagnetik selama beberapa tahun.
B. G. Lamm menjelaskan pada tahun 1912 sebuah mesin homopolar dengan daya 2000 kW, 260 V, 7700 A dan 1200 rpm dengan 16 slip ring yang beroperasi pada kecepatan periferal 67 m/s. Generator unipolar 1125kW, 7.5V, 150.000A, 514rpm yang dibuat pada tahun 1934 dipasang di pabrik baja Amerika untuk pengelasan pipa.
Hukum Lorentz yang sama
Pengoperasian mesin ini mirip dengan generator shock unipolar. Motor unipolar digerakkan oleh gaya Lorentz. Sebuah konduktor dengan arus yang mengalir melaluinya, ketika ditempatkan dalam medan magnet dan tegak lurus terhadapnya, merasakan gaya dalamarah tegak lurus terhadap medan magnet dan arus. Gaya ini memberikan momen putar di sekitar sumbu rotasi.
Karena yang terakhir sejajar dengan medan magnet, dan medan magnet yang berlawanan tidak mengubah polaritas, sakelar tidak diperlukan untuk terus memutar konduktor. Kesederhanaan ini paling mudah dicapai dengan desain satu putaran, membuat motor homopolar tidak cocok untuk sebagian besar aplikasi praktis.
Seperti kebanyakan mesin elektromekanis (seperti generator unipolar Neggerath), motor homopolar dapat dibalik: jika konduktor diputar secara mekanis, ia akan beroperasi sebagai generator homopolar, menciptakan tegangan DC antara dua terminal konduktor.
Arus konstan adalah konsekuensi dari sifat homopolar desain. Generator homopolar (HPG) secara ekstensif dieksplorasi pada akhir abad ke-20 sebagai sumber tegangan rendah tetapi arus searah arus sangat tinggi, dan mencapai beberapa keberhasilan dalam menyalakan railgun eksperimental.
Gedung
Membuat generator unipolar dengan tangan Anda sendiri cukup sederhana. Motor unipolar juga sangat mudah dirakit. Magnet permanen digunakan untuk menciptakan medan magnet eksternal di mana konduktor akan berputar, dan baterai menyebabkan arus mengalir di sepanjang kawat konduktif.
Magnet tidak perlu bergerak atau bahkan bersentuhan dengan bagian lain motor; satu-satunya tujuannya adalah untuk menciptakan medan magnet yang akanberinteraksi dengan medan serupa yang diinduksi oleh arus dalam kawat. Dimungkinkan untuk memasang magnet ke baterai dan membiarkan konduktor berputar bebas saat rangkaian listrik selesai, menyentuh bagian atas baterai dan magnet yang menempel di bagian bawah baterai. Kabel dan baterai dapat menjadi hangat selama penggunaan terus menerus.
