Un générateur unipolaire est un mécanisme électrique à courant continu contenant un disque ou un cylindre électriquement conducteur tournant dans un plan. Il a des potentiels de puissance différente entre le centre du disque et le bord (ou les extrémités du cylindre) avec une polarité électrique, qui dépend du sens de rotation et de l'orientation du champ.
Il est également connu sous le nom d'oscillateur de Faraday unipolaire. La tension est généralement faible, de l'ordre de quelques volts dans le cas de petits modèles de démonstration, mais les grandes machines de recherche peuvent générer des centaines de volts, et certains systèmes ont plusieurs oscillateurs en série pour des tensions encore plus élevées. Ils ont la particularité de pouvoir générer un courant électrique pouvant dépasser le million d'ampères, car un générateur unipolaire n'a pas nécessairement une résistance interne élevée.
Histoire d'invention
Le premier mécanisme homopolaire a été développé par Michael Faraday lors de ses expériences en 1831. Il est souvent appelé disque ou roue de Faraday après lui. Ce fut le début des dynamos modernesmachines, c'est-à-dire des générateurs électriques fonctionnant sur un champ magnétique. Il était très inefficace et n'était pas utilisé comme source d'alimentation pratique, mais a montré la possibilité de générer de l'électricité en utilisant le magnétisme et a ouvert la voie aux dynamos CC commutées, puis aux alternateurs.
Inconvénients du premier générateur
Le disque de Faraday était principalement inefficace en raison des flux de courant venant en sens inverse. Le principe de fonctionnement d'un générateur unipolaire ne sera décrit que par son exemple. Alors que le flux de courant était induit directement sous l'aimant, le courant circulait dans le sens opposé. Le reflux limite la puissance de sortie des fils de réception et provoque un échauffement inutile du disque de cuivre. Les générateurs homopolaires ultérieurs pourraient résoudre ce problème avec un ensemble d'aimants placés autour du périmètre du disque pour maintenir un champ constant autour de la circonférence et éliminer les zones où un reflux pourrait se produire.
Développements ultérieurs
Peu de temps après que le disque de Faraday original ait été discrédité en tant que générateur pratique, une version modifiée a été développée combinant aimant et disque dans une seule pièce rotative (rotor), mais l'idée même d'un générateur unipolaire à impact était réservée à cela configuration. L'un des premiers brevets pour les mécanismes unipolaires génériques a été obtenu par A. F. Delafield, brevet américain 278 516.
Recherche d'esprits exceptionnels
Autres brevets unipolaires à impact précoceles générateurs ont été attribués séparément à S. Z. De Ferranti et S. Batchelor. Nikola Tesla s'est intéressé au disque de Faraday et a travaillé avec des mécanismes homopolaires, et a finalement breveté une version améliorée de l'appareil dans le brevet américain 406 968.
Le brevet "Dynamo Electric Machine" de Tesla (générateur unipolaire de Tesla) décrit un agencement de deux disques parallèles avec des arbres parallèles séparés reliés, comme des poulies, par une courroie métallique. Chaque disque avait un champ opposé à l'autre, de sorte que le flux de courant passait d'un arbre au bord du disque, à travers la courroie jusqu'à l'autre bord et au deuxième arbre. Cela réduirait considérablement les pertes par frottement causées par les contacts glissants, permettant aux deux capteurs électriques d'interagir avec les arbres des deux disques plutôt qu'avec l'arbre et la jante à grande vitesse.
Plus tard, des brevets ont été accordés à S. P. Steinmetz et E. Thomson pour leurs travaux sur les générateurs unipolaires haute tension. Le Forbes Dynamo, conçu par l'ingénieur électricien écossais George Forbes, a été largement utilisé au début du XXe siècle. La plupart des développements réalisés dans les mécanismes homopolaires ont été brevetés par J. E. Noeggerath et R. Eickemeyer.
50s
Les générateurs homopolaires ont connu une renaissance dans les années 1950 en tant que source de stockage d'énergie pulsée. Ces appareils utilisaient des disques lourds comme une forme de volant d'inertie pour stocker l'énergie mécanique qui pouvait être rapidement déversée dans l'appareil expérimental.
Un premier exemple de ce type d'appareil a été créé par Sir Mark Oliphant à la Research SchoolSciences physiques et ingénierie de l'Université nationale australienne. Il a stocké jusqu'à 500 mégajoules d'énergie et a été utilisé comme source de courant ultra-élevé pour les expériences synchrotron de 1962 jusqu'à son démantèlement en 1986. La conception d'Oliphant était capable de fournir des courants jusqu'à 2 mégaampères (MA).
Développé par Parker Kinetic Designs
Des appareils encore plus grands comme celui-ci sont conçus et fabriqués par Parker Kinetic Designs (anciennement OIME Research & Development) d'Austin. Ils ont produit des appareils à des fins diverses, allant de l'alimentation des pistolets de chemin de fer aux moteurs linéaires (pour les lancements spatiaux) et à diverses conceptions d'armes. 10 modèles industriels MJ ont été introduits pour divers rôles, y compris le soudage électrique.
Ces appareils consistaient en un volant d'inertie conducteur, dont l'un tournait dans un champ magnétique avec un contact électrique près de l'axe et l'autre près de la périphérie. Ils ont été utilisés pour générer des courants très élevés à basse tension dans des domaines tels que le soudage, l'électrolyse et la recherche sur les armes à feu. Dans les applications à énergie pulsée, le moment cinétique du rotor est utilisé pour stocker de l'énergie pendant une longue période, puis la libérer en peu de temps.
Contrairement aux autres types de générateurs unipolaires commutés, la tension de sortie n'inverse jamais la polarité. La séparation des charges est le résultat de l'action de la force de Lorentz sur les charges libres du disque. Le mouvement est azimutal et le champ est axial, doncla force électromotrice est radiale.
Les contacts électriques sont généralement réalisés à l'aide d'un "balai" ou d'une bague collectrice, ce qui entraîne des pertes élevées aux basses tensions générées. Certaines de ces pertes peuvent être réduites en utilisant du mercure ou un autre métal ou alliage facilement liquéfiable (gallium, NaK) comme "pinceau" pour fournir un contact électrique presque continu.
Modification
Une modification récemment proposée a consisté à utiliser un contact plasma équipé d'un serpentin au néon à résistance négative touchant le bord du disque ou du tambour en utilisant du carbone spécialisé à faible fonction de travail dans les bandes verticales. Cela aurait l'avantage d'une très faible résistance dans la gamme de courant, peut-être jusqu'à des milliers d'ampères, sans contact avec le métal liquide.
Si le champ magnétique est créé par un aimant permanent, le générateur fonctionne indépendamment du fait que l'aimant soit fixé au stator ou tourne avec le disque. Avant la découverte de l'électron et de la loi de la force de Lorentz, ce phénomène était inexplicable et était connu sous le nom de paradoxe de Faraday.
Type de batterie
Un générateur homopolaire de type tambour a un champ magnétique (V) qui rayonne radialement à partir du centre du tambour et induit une tension (V) sur toute sa longueur. Un tambour conducteur tournant par le haut dans la région d'un aimant de type « haut-parleur » avec un pôle au centre et l'autre l'entourant, peut utiliser des roulements à billes conducteurs dans sa partie supérieure etparties inférieures pour capter le courant généré.
Dans la nature
Les inducteurs unipolaires se trouvent en astrophysique, où le conducteur tourne dans un champ magnétique, par exemple, lorsqu'un plasma hautement conducteur dans l'ionosphère d'un corps spatial se déplace dans son champ magnétique.
Les inducteurs unipolaires ont été associés aux aurores uraniennes, aux étoiles binaires, aux trous noirs, aux galaxies, à la lune Io de Jupiter, à la Lune, au vent solaire, aux taches solaires et à la queue magnétique vénusienne.
Caractéristiques du mécanisme
Comme tous les objets spatiaux mentionnés ci-dessus, le disque de Faraday convertit l'énergie cinétique en énergie électrique. Cette machine peut être analysée à l'aide de la loi d'induction électromagnétique de Faraday.
Cette loi dans sa forme moderne stipule que la dérivée constante du flux magnétique à travers un circuit fermé y induit une force électromotrice, qui à son tour excite un courant électrique.
L'intégrale de surface qui définit le flux magnétique peut être réécrite comme linéaire autour du circuit. Bien que l'intégrande de l'intégrale de ligne ne dépende pas du temps, puisque le disque de Faraday qui fait partie de la limite de l'intégrale de ligne se déplace, la dérivée du temps total n'est pas nulle et renvoie la valeur correcte pour le calcul de la force électromotrice. Alternativement, le disque peut être réduit à un anneau conducteur autour de sa circonférence avec un seul rayon métallique reliant l'anneau à l'essieu.
Lorentz Force Law Briquetêtre utilisé pour expliquer le comportement de la machine. Cette loi, formulée trente ans après la mort de Faraday, stipule que la force exercée sur un électron est proportionnelle au produit croisé de sa vitesse et du vecteur de flux magnétique.
En termes géométriques, cela signifie que la force est dirigée perpendiculairement à la fois à la vitesse (azimut) et au flux magnétique (axial), qui est donc dans la direction radiale. Le mouvement radial des électrons dans le disque provoque une séparation des charges entre son centre et son bord, et si le circuit est terminé, un courant électrique est généré.
Moteur électrique
Un moteur unipolaire est un dispositif à courant continu à deux pôles magnétiques, dont les conducteurs croisent toujours des lignes de flux magnétique unidirectionnelles, faisant tourner le conducteur autour d'un axe fixe de sorte qu'il soit perpendiculaire au champ magnétique statique. La FEM (force électromotrice) résultante, qui est continue dans une direction, vers un moteur homopolaire ne nécessite pas de commutateur, mais nécessite toujours des bagues collectrices. Le nom "homopolaire" indique que la polarité électrique du conducteur et les pôles du champ magnétique ne changent pas (c'est-à-dire qu'il ne nécessite pas de commutation).
Le moteur unipolaire a été le premier moteur électrique à être construit. Son action a été démontrée par Michael Faraday en 1821 à la Royal Institution de Londres.
Invention
En 1821, peu après la découverte par le physicien et chimiste danois Hans Christian Oerstedphénomène de l'électromagnétisme, Humphry Davy et le scientifique britannique William Hyde Wollaston ont essayé, mais sans succès, de développer un moteur électrique. Faraday, contesté comme une blague par Humphrey, a ensuite créé deux appareils pour créer ce qu'il a appelé "la rotation électromagnétique". L'un d'eux, maintenant connu sous le nom de pulsion homopolaire, a créé un mouvement circulaire continu. Elle a été causée par une force magnétique circulaire autour d'un fil placé dans une piscine de mercure dans laquelle l'aimant a été placé. Le fil tournerait autour de l'aimant s'il était alimenté par une pile chimique.
Ces expériences et inventions ont formé la base des technologies électromagnétiques modernes. Bientôt Faraday a publié les résultats. Cela a tendu les relations avec Davy en raison de sa jalousie des réalisations de Faraday et a poussé ce dernier à se tourner vers d'autres choses, ce qui l'a empêché de participer à la recherche électromagnétique pendant plusieurs années.
B. G. Lamm décrit en 1912 une machine homopolaire d'une puissance de 2000 kW, 260 V, 7700 A et 1200 tr/min à 16 bagues collectrices fonctionnant à une vitesse périphérique de 67 m/s. Un générateur unipolaire de 1 125 kW, 7,5 V, 150 000 A et 514 tr/min construit en 1934 a été installé dans une aciérie américaine pour le soudage de tuyaux.
La même loi de Lorentz
Le fonctionnement de ce moteur est similaire à celui d'un générateur de choc unipolaire. Le moteur unipolaire est entraîné par la force de Lorentz. Un conducteur traversé par un courant, lorsqu'il est placé dans un champ magnétique et perpendiculaire à celui-ci, ressent une force dansdirection perpendiculaire à la fois au champ magnétique et au courant. Cette force fournit un moment de rotation autour de l'axe de rotation.
Étant donné que ce dernier est parallèle au champ magnétique et que les champs magnétiques opposés ne changent pas de polarité, la commutation n'est pas nécessaire pour continuer à faire tourner le conducteur. Cette simplicité est plus facilement obtenue avec des conceptions monotour, ce qui rend les moteurs homopolaires inadaptés à la plupart des applications pratiques.
Comme la plupart des machines électromécaniques (comme le générateur unipolaire de Neggerath), le moteur homopolaire est réversible: si le conducteur est tourné mécaniquement, il fonctionnera comme un générateur homopolaire, créant une tension continue entre les deux bornes du conducteur.
Le courant constant est une conséquence de la nature homopolaire de la conception. Les générateurs homopolaires (HPG) ont été largement explorés à la fin du 20e siècle en tant que sources de courant continu à basse tension mais à très haut courant, et ont obtenu un certain succès dans l'alimentation de railguns expérimentaux.
Bâtiment
Fabriquer un générateur unipolaire de vos propres mains est assez simple. Le moteur unipolaire est également très facile à assembler. L'aimant permanent est utilisé pour créer un champ magnétique externe dans lequel le conducteur tourne et la batterie fait circuler le courant le long du fil conducteur.
Il n'est pas nécessaire que l'aimant bouge ou même entre en contact avec le reste du moteur; son seul but est de créer un champ magnétique quiinteragir avec un champ similaire induit par le courant dans le fil. Il est possible de fixer un aimant à une batterie et de permettre au conducteur de tourner librement lorsque le circuit électrique est terminé, touchant à la fois le haut de la batterie et l'aimant fixé au bas de la batterie. Le fil et la batterie peuvent devenir chauds lors d'une utilisation continue.
