Um gerador unipolar é um mecanismo elétrico de corrente contínua contendo um disco ou cilindro eletricamente condutor girando em um plano. Possui potenciais de diferentes potências entre o centro do disco e o aro (ou extremidades do cilindro) com polaridade elétrica, que depende do sentido de rotação e da orientação do campo.
Também é conhecido como oscilador de Faraday unipolar. A tensão é geralmente baixa, da ordem de alguns volts no caso de pequenos modelos de demonstração, mas grandes máquinas de pesquisa podem gerar centenas de volts, e alguns sistemas possuem osciladores em série múltipla para tensões ainda mais altas. Eles são incomuns, pois podem gerar uma corrente elétrica capaz de ultrapassar um milhão de amperes, pois um gerador unipolar não necessariamente possui uma resistência interna alta.
História da Invenção
O primeiro mecanismo homopolar foi desenvolvido por Michael Faraday durante seus experimentos em 1831. É muitas vezes referido como um disco ou roda de Faraday depois dele. Este foi o início dos dínamos modernosmáquinas, ou seja, geradores elétricos operando em um campo magnético. Era muito ineficiente e não era usado como uma fonte de energia prática, mas mostrou a possibilidade de gerar eletricidade usando magnetismo e abriu caminho para dínamos DC comutados e depois alternadores.
Desvantagens do primeiro gerador
O disco de Faraday era principalmente ineficiente devido aos fluxos de corrente que se aproximavam. O princípio de funcionamento de um gerador unipolar será descrito apenas pelo seu exemplo. Enquanto o fluxo de corrente era induzido diretamente sob o ímã, a corrente circulava na direção oposta. O refluxo limita a potência de saída para os fios receptores e causa aquecimento desnecessário do disco de cobre. Geradores homopolares posteriores poderiam resolver este problema com um conjunto de ímãs colocados ao redor do perímetro do disco para manter um campo constante ao redor da circunferência e eliminar áreas onde poderia ocorrer refluxo.
Outros desenvolvimentos
Pouco tempo após o disco Faraday original ter sido desacreditado como gerador prático, foi desenvolvida uma versão modificada combinando ímã e disco em uma parte rotativa (rotor), mas a própria ideia de um gerador unipolar de impacto foi reservada para isso configuração. Uma das primeiras patentes para mecanismos unipolares genéricos foi obtida por A. F. Delafield, Patente U. S. 278.516.
Pesquisa de mentes extraordinárias
Outras patentes unipolares de impacto inicialos geradores foram adjudicados separadamente a S. Z. De Ferranti e S. Batchelor. Nikola Tesla estava interessado no disco de Faraday e trabalhou com mecanismos homopolares, e eventualmente patenteou uma versão melhorada do dispositivo na Patente dos EUA 406.968.
A patente "Dynamo Electric Machine" da Tesla (gerador unipolar da Tesla) descreve um arranjo de dois discos paralelos com eixos paralelos separados conectados, como polias, por uma correia de metal. Cada disco tinha um campo oposto ao outro, de modo que o fluxo de corrente passava de um eixo para a borda do disco, através da correia para a outra borda e para o segundo eixo. Isso reduziria bastante as perdas por atrito causadas pelos contatos deslizantes, permitindo que ambos os sensores elétricos interagissem com os eixos dos dois discos em vez do eixo e do aro de alta velocidade.
Patentes posteriores foram concedidas a S. P. Steinmetz e E. Thomson por seu trabalho em geradores unipolares de alta tensão. O Forbes Dynamo, projetado pelo engenheiro elétrico escocês George Forbes, foi amplamente utilizado no início do século XX. A maioria dos desenvolvimentos feitos em mecanismos homopolares foram patenteados por J. E. Noeggerath e R. Eickemeyer.
50s
Os geradores homopolares experimentaram um renascimento na década de 1950 como fonte de armazenamento de energia pulsada. Esses dispositivos usavam discos pesados como uma forma de volante para armazenar energia mecânica que poderia ser rapidamente despejada no aparato experimental.
Um dos primeiros exemplos desse tipo de dispositivo foi criado por Sir Mark Oliphant na Research SchoolCiências Físicas e Engenharia da Universidade Nacional Australiana. Armazenou até 500 megajoules de energia e foi usado como fonte de corrente ultra- alta para experimentos síncrotron de 1962 até ser desmontado em 1986. O projeto de Oliphant era capaz de fornecer correntes de até 2 megaamperes (MA).
Desenvolvido por Parker Kinetic Designs
Dispositivos ainda maiores como este são projetados e construídos pela Parker Kinetic Designs (anteriormente OIME Research & Development) de Austin. Eles produziram dispositivos para uma variedade de propósitos, desde pistolas ferroviárias até motores lineares (para lançamentos espaciais) e vários designs de armas. Projetos industriais de 10 MJ foram introduzidos para várias funções, incluindo soldagem elétrica.
Esses dispositivos consistiam em um volante condutor, um dos quais girava em um campo magnético com um contato elétrico próximo ao eixo e outro próximo à periferia. Eles têm sido usados para gerar correntes muito altas em baixas tensões em áreas como soldagem, eletrólise e pesquisa de canhão ferroviário. Em aplicações de energia pulsada, o momento angular do rotor é usado para armazenar energia por um longo período e depois liberá-la em pouco tempo.
Ao contrário de outros tipos de geradores unipolares comutados, a tensão de saída nunca inverte a polaridade. A separação das cargas é o resultado da ação da força de Lorentz sobre as cargas livres do disco. O movimento é azimutal e o campo é axial, entãoa força eletromotriz é radial.
Os contatos elétricos geralmente são feitos através de uma "escova" ou anel deslizante, resultando em altas perdas nas baixas tensões geradas. Algumas dessas perdas podem ser reduzidas usando mercúrio ou outro metal ou liga facilmente liquefeito (gálio, NaK) como um "escova" para fornecer contato elétrico quase contínuo.
Modificação
Uma modificação proposta recentemente foi usar um contato de plasma equipado com uma serpentina de néon de resistência negativa tocando a borda do disco ou tambor usando carbono especializado de baixa função de trabalho em listras verticais. Isso teria a vantagem de resistência muito baixa na faixa de corrente, possivelmente até milhares de amperes, sem contato com metal líquido.
Se o campo magnético é criado por um ímã permanente, o gerador funciona independentemente de o ímã estar preso ao estator ou girar com o disco. Antes da descoberta do elétron e da lei da força de Lorentz, esse fenômeno era inexplicável e era conhecido como paradoxo de Faraday.
Tipo de bateria
Um gerador homopolar do tipo tambor possui um campo magnético (V) que irradia radialmente do centro do tambor e induz uma tensão (V) ao longo de todo o seu comprimento. Um tambor condutor girando de cima para baixo na região de um imã do tipo " alto-falante" com um polo no centro e outro ao seu redor, pode utilizar rolamentos de esferas condutivos em sua parte superior epartes inferiores para capturar a corrente gerada.
Na natureza
Indutores unipolares são encontrados na astrofísica, onde o condutor gira através de um campo magnético, por exemplo, quando um plasma altamente condutor na ionosfera de um corpo espacial se move através de seu campo magnético.
Indutores unipolares têm sido associados com a aurora de Urano, estrelas binárias, buracos negros, galáxias, a lua de Júpiter Io, a Lua, o vento solar, manchas solares e a cauda magnética venusiana.
Recursos do mecanismo
Como todos os objetos espaciais mencionados acima, o disco de Faraday converte energia cinética em energia elétrica. Esta máquina pode ser analisada usando a própria lei de indução eletromagnética de Faraday.
Esta lei em sua forma moderna afirma que a derivada constante do fluxo magnético através de um circuito fechado induz uma força eletromotriz nele, que por sua vez excita uma corrente elétrica.
A integral de superfície que define o fluxo magnético pode ser reescrita como linear ao redor do circuito. Embora o integrando da integral de linha não dependa do tempo, uma vez que o disco de Faraday que faz parte da fronteira da integral de linha se move, a derivada do tempo total não é zero e retorna o valor correto para o cálculo da força eletromotriz. Alternativamente, o disco pode ser reduzido a um anel condutor em torno de sua circunferência com um único raio de metal conectando o anel ao eixo.
Lei da força de Lorentz mais leveser usado para explicar o comportamento da máquina. Esta lei, formulada trinta anos após a morte de Faraday, afirma que a força sobre um elétron é proporcional ao produto vetorial de sua velocidade e o vetor de fluxo magnético.
Em termos geométricos, isso significa que a força é direcionada em ângulos retos tanto para a velocidade (azimute) quanto para o fluxo magnético (axial), que é, portanto, na direção radial. O movimento radial dos elétrons no disco provoca uma separação de cargas entre seu centro e a borda, e se o circuito for completado, uma corrente elétrica é gerada.
Motor elétrico
Um motor unipolar é um dispositivo DC com dois polos magnéticos, cujos condutores sempre cruzam linhas de fluxo magnético unidirecional, girando o condutor em torno de um eixo fixo de modo que ele fique perpendicular ao campo magnético estático. A EMF resultante (força eletromotriz), que é contínua em uma direção, para um motor homopolar não requer um comutador, mas ainda requer anéis coletores. O nome "homopolar" indica que a polaridade elétrica do condutor e os pólos do campo magnético não mudam (ou seja, que não requer comutação).
O motor unipolar foi o primeiro motor elétrico a ser construído. Sua ação foi demonstrada por Michael Faraday em 1821 na Royal Institution em Londres.
Invenção
Em 1821, logo após o físico e químico dinamarquês Hans Christian Oersted descobrirfenômeno do eletromagnetismo, Humphry Davy e o cientista britânico William Hyde Wollaston tentaram, mas falharam, desenvolver um motor elétrico. Faraday, contestado como uma brincadeira por Humphrey, passou a criar dois dispositivos para criar o que chamou de "rotação eletromagnética". Um deles, agora conhecido como impulso homopolar, criou um movimento circular contínuo. Foi causado por uma força magnética circular em torno de um fio colocado em uma piscina de mercúrio na qual o ímã foi colocado. O fio giraria em torno do ímã se fosse alimentado por uma bateria química.
Esses experimentos e invenções formaram a base das modernas tecnologias eletromagnéticas. Logo Faraday publicou os resultados. Isso prejudicou as relações com Davy devido ao ciúme das realizações de Faraday e fez com que este se voltasse para outras coisas, o que o impediu de participar de pesquisas eletromagnéticas por vários anos.
B. G. Lamm descreveu em 1912 uma máquina homopolar com potência de 2000 kW, 260 V, 7700 A e 1200 rpm com 16 anéis coletores operando a uma velocidade periférica de 67 m/s. Um gerador unipolar de 1125kW, 7,5V, 150.000A, 514rpm construído em 1934 foi instalado em uma siderúrgica americana para soldagem de tubos.
A mesma lei de Lorentz
O funcionamento deste motor é semelhante ao de um gerador unipolar de choque. O motor unipolar é acionado pela força de Lorentz. Um condutor com uma corrente fluindo através dele, quando colocado em um campo magnético e perpendicular a ele, sente uma força emdireção perpendicular ao campo magnético e à corrente. Esta força fornece um momento de giro em torno do eixo de rotação.
Como este último é paralelo ao campo magnético, e campos magnéticos opostos não mudam de polaridade, a comutação não é necessária para continuar girando o condutor. Essa simplicidade é mais facilmente alcançada com projetos de uma volta, tornando os motores homopolares inadequados para a maioria das aplicações práticas.
Como a maioria das máquinas eletromecânicas (como o gerador unipolar de Neggerath), o motor homopolar é reversível: se o condutor for girado mecanicamente, ele funcionará como um gerador homopolar, criando uma tensão CC entre os dois terminais do condutor.
A corrente constante é consequência da natureza homopolar do projeto. Os geradores homopolares (HPGs) foram amplamente explorados no final do século 20 como fontes de baixa tensão, mas de corrente contínua de corrente muito alta, e alcançaram algum sucesso na alimentação de armas ferroviárias experimentais.
Construção
Fazer um gerador unipolar com suas próprias mãos é bem simples. O motor unipolar também é muito fácil de montar. O ímã permanente é usado para criar um campo magnético externo no qual o condutor irá girar, e a bateria faz com que a corrente flua ao longo do fio condutor.
Não é necessário que o imã se mova ou mesmo entre em contato com o restante do motor; seu único propósito é criar um campo magnético queinteragem com um campo similar induzido pela corrente no fio. É possível conectar um ímã a uma bateria e permitir que o condutor gire livremente à medida que o circuito elétrico é concluído, tocando tanto a parte superior da bateria quanto o ímã preso à parte inferior da bateria. O fio e a bateria podem aquecer durante o uso contínuo.
