Gerador homopolar - Homopolar generator

Disco de Faraday, o primeiro gerador homopolar

Um gerador homopolar é um gerador elétrico DC que compreende um disco ou cilindro eletricamente condutor girando em um plano perpendicular a um campo magnético estático uniforme. Uma diferença de potencial é criada entre o centro do disco e a borda (ou extremidades do cilindro) com uma polaridade elétrica que depende da direção de rotação e da orientação do campo. É também conhecido como gerador unipolar , gerador acíclico , dínamo de disco ou disco de Faraday . A tensão é normalmente baixa, da ordem de alguns volts no caso de pequenos modelos de demonstração, mas grandes geradores de pesquisa podem produzir centenas de volts e alguns sistemas têm vários geradores em série para produzir uma tensão ainda maior. Eles são incomuns porque podem fornecer uma tremenda corrente elétrica, algumas com mais de um milhão de amperes , porque o gerador homopolar pode ser feito para ter uma resistência interna muito baixa . Além disso, o gerador homopolar é o único que nenhuma outra máquina elétrica rotativa pode produzir CC sem o uso de retificadores ou comutadores.

O disco de Faraday

Disco de faraday

O primeiro gerador homopolar foi desenvolvido por Michael Faraday durante seus experimentos em 1831. É freqüentemente chamado de disco de Faraday ou roda de Faraday em sua homenagem. Foi o início dos dínamos modernos - ou seja, geradores elétricos que operam usando um campo magnético . Era muito ineficiente e não era usado como fonte de energia prática, mas mostrava a possibilidade de geração de energia elétrica por magnetismo e abriu caminho para dínamos de corrente contínua comutados e, em seguida, alternadores de corrente alternada.

O disco de Faraday era basicamente ineficiente devido aos contrafluxos da corrente. Enquanto o fluxo de corrente foi induzido diretamente sob o ímã, a corrente circularia para trás em regiões fora da influência do campo magnético. Este contrafluxo limita a saída de potência para os fios de captação e induz aquecimento residual do disco de cobre. Mais tarde, os geradores homopolares resolveriam esse problema usando uma série de ímãs dispostos ao redor do perímetro do disco para manter um campo estável ao redor da circunferência e eliminar áreas onde o contrafluxo poderia ocorrer.

Desenvolvimento de gerador homopolar

Restos do gerador ANU 500 MJ

Muito depois de o disco de Faraday original ter sido abandonado como gerador prático, foi desenvolvida uma versão modificada combinando o ímã e o disco em uma única peça giratória (o rotor ). Às vezes, o nome gerador homopolar é reservado para esta configuração. Uma das primeiras patentes sobre o tipo geral de geradores homopolares foi obtida por AF Delafield, Patente US 278.516 . Outras patentes anteriores para geradores homopolares foram concedidas a SZ De Ferranti e C. Batchelor separadamente. Nikola Tesla estava interessado no disco de Faraday e conduziu um trabalho com geradores homopolares e, eventualmente, patenteou uma versão melhorada do dispositivo na patente US 406.968 . A patente da "Máquina Elétrica Dínamo" de Tesla descreve um arranjo de dois discos paralelos com eixos separados e paralelos, unidos como polias por uma correia metálica. Cada disco tinha um campo que era o oposto do outro, de modo que o fluxo de corrente era de um eixo para a borda do disco, através da correia para a outra borda do disco e para o segundo eixo. Isso teria reduzido muito as perdas por atrito causadas por contatos deslizantes, permitindo que ambos os captadores elétricos interajam com os eixos dos dois discos, em vez de no eixo e em um aro de alta velocidade. Mais tarde, as patentes foram concedidas a CP Steinmetz e E. Thomson por seu trabalho com geradores homopolares. O dínamo Forbes , desenvolvido pelo engenheiro elétrico escocês George Forbes , foi amplamente utilizado durante o início do século XX. Muito do desenvolvimento feito em geradores homopolares foi patenteado por JE Noeggerath e R. Eickemeyer .

Os geradores homopolares passaram por um renascimento na década de 1950 como uma 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 em um aparato experimental. Um dos primeiros exemplos desse tipo de dispositivo foi construído por Sir Mark Oliphant na Escola de Pesquisa de Ciências Físicas e Engenharia , Universidade Nacional Australiana . Ele armazenava até 500 megajoules de energia e era usado como uma fonte de corrente extremamente alta para experimentos com síncrotron de 1962 até sua desmontagem em 1986. A construção de Oliphant era capaz de fornecer correntes de até 2 megaamperes (MA).

Dispositivos semelhantes de tamanho ainda maior são projetados e construídos pela Parker Kinetic Designs (anteriormente OIME Research & Development) de Austin. Eles produziram dispositivos para uma variedade de funções, desde alimentar canhões a motores lineares (para lançamentos espaciais) a uma variedade de designs de armas. Projetos industriais de 10 MJ foram introduzidos para uma variedade de funções, incluindo soldagem elétrica.

Descrição e operação

Gerador tipo disco

Gerador de disco Faraday básico

Este dispositivo consiste em um volante condutor girando em um campo magnético com um contato elétrico próximo ao eixo e o outro próximo à periferia. Ele tem sido usado para gerar correntes muito altas em baixas tensões em aplicações como soldagem , eletrólise e pesquisa de canhão elétrico . Em aplicações de energia pulsada, o momento angular do rotor é usado para acumular energia por um longo período e depois liberá-la em um curto período.

Em contraste com outros tipos de geradores, a tensão de saída nunca muda de polaridade. A separação de carga resulta da força de Lorentz nas cargas gratuitas no disco. O movimento é azimutal e o campo é axial, então a força eletromotriz é radial. Os contatos elétricos geralmente são feitos através de uma “ escova ” ou anel coletor , o que resulta em grandes perdas nas baixas tensões geradas. Algumas dessas perdas podem ser reduzidas usando mercúrio ou outro metal ou liga facilmente liquefeito ( gálio , NaK ) como "escova", para fornecer contato elétrico essencialmente ininterrupto.

Uma modificação sugerida recentemente é usar um contato de plasma fornecido por um streamer de néon de resistência negativa tocando a borda do disco ou tambor, usando carbono de baixa função de trabalho especializado em tiras verticais. Isso teria a vantagem de uma resistência muito baixa dentro de uma faixa de corrente possivelmente de até milhares de amperes sem o contato de metal líquido.

Se o campo magnético for fornecido por um ímã permanente , o gerador funciona independentemente de o ímã estar fixo no estator ou girar com o disco. Antes da descoberta do elétron e da lei de força de Lorentz , o fenômeno era inexplicável e era conhecido como o paradoxo de Faraday .

Gerador tipo tambor

Um gerador homopolar do tipo tambor tem um campo magnético (B) que irradia radialmente do centro do tambor e induz tensão (V) ao longo do comprimento do tambor. Um tambor condutor girado de cima no campo de um tipo de ímã "alto-falante" que tem um pólo no centro do tambor e o outro pólo ao redor do tambor poderia usar rolamentos de esferas condutores na parte superior e inferior do tambor para coletar a corrente gerada.

Indutores unipolares astrofísicos

Os indutores unipolares ocorrem na astrofísica, onde um condutor gira através de um campo magnético, por exemplo, o movimento do plasma altamente condutor na ionosfera de um corpo cósmico através de seu campo magnético . Em seu livro Cosmical Electrodynamics , Hannes Alfvén e Carl-Gunne Fälthammar escrevem:

"Uma vez que as nuvens cósmicas de gás ionizado são geralmente magnetizadas, seu movimento produz campos elétricos induzidos [..] Por exemplo, o movimento do plasma interplanetário magnetizado produz campos elétricos que são essenciais para a produção de aurora e tempestades magnéticas" [..]
".. a rotação de um condutor em um campo magnético produz um campo elétrico no sistema em repouso. Este fenômeno é bem conhecido por experimentos de laboratório e é normalmente chamado de indução 'homopolar' ou 'unipolar'.

Indutores unipolares foram associados às auroras em Urano , estrelas binárias , buracos negros , galáxias , o sistema Júpiter Io , a Lua , o Vento Solar, manchas solares e na cauda magnética venusiana .

Física

Princípio de funcionamento de um gerador homopolar: devido à força de Lorentz F L, as cargas negativas são direcionadas para o centro do disco giratório, de forma que uma tensão apareça entre seu centro e sua borda, com o pólo negativo no centro.

Como todos os dínamos , o disco Faraday converte energia cinética para energia elétrica . Esta máquina pode ser analisada usando a própria lei de indução eletromagnética de Faraday . Essa lei, em sua forma moderna, afirma que a derivada em tempo integral do fluxo magnético por meio de um circuito fechado induz uma força eletromotriz no circuito, que por sua vez aciona uma corrente elétrica. A integral de superfície que define o fluxo magnético pode ser reescrita como uma integral de linha ao redor do circuito. Embora o integrando da integral de linha seja independente do tempo, porque o disco de Faraday que faz parte do limite da integral de linha está se movendo, a derivada de tempo integral é diferente de zero e retorna o valor correto para o cálculo da força eletromotriz. Alternativamente, o disco pode ser reduzido a um anel condutor ao longo da circunferência do disco com um único raio de metal conectando o anel ao eixo.

A lei da força de Lorentz é mais facilmente usada para explicar o comportamento da máquina. Essa lei, formulada trinta anos após a morte de Faraday, afirma que a força em um elétron é proporcional ao produto vetorial de sua velocidade e do vetor de fluxo magnético . Em termos geométricos, isso significa que a força está em ângulo reto com a velocidade (azimutal) e o fluxo magnético (axial), que está, portanto, em uma direção radial. O movimento radial dos elétrons no disco produz uma separação de carga entre o centro do disco e sua borda e, se o circuito for concluído, uma corrente elétrica será produzida.

Veja também

Referências

Referências gerais

  • Don Lancaster, " Quebrando os mitos homopolar ". Tech Musings, outubro de 1997. (PDF)
  • Don Lancaster, " Understanding Faraday's Disk ". Tech Musings, outubro de 1997. (PDF)
  • John David Jackson, Classical Electrodynamics , Wiley, 3ª ed. 1998, ISBN  0-471-30932-X
  • Arthur I. Miller , "Unipolar Induction: A Case Study of the Interaction between Science and Technology," Annals of Science, Volume 38, pp. 155-189 (1981).
  • Olivier Darrigol, Electrodynamics from Ampere to Einstein , Oxford University Press, 2000, ISBN  0-19-850594-9
  • Trevor Ophel e John Jenkin, (1996) Fogo na barriga  : os primeiros 50 anos da escola pioneira na ANU Canberra: Escola de Pesquisa de Ciências Físicas e Engenharia, Universidade Nacional da Austrália. ISBN  0-85800-048-2 . (PDF)
  • Thomas Valone, The Homopolar Handbook: A Definitive Guide to Faraday Disk and N-Machine Technologies . Washington, DC, EUA: Integrity Research Institute, 2001. ISBN  0-964107-0-1-5

Leitura adicional

  • Richard A. Marshall e William F. Weldon, " Parameter Selection for Homopolar Generators Used as Pulsed Energy Stores ", Center for Electromechanics, University of Texas, Austin, julho de 1980. (também publicado em: Electrical Machines and Electromechanics, 6: 109 –127, 1981.)

links externos