Generador homopolar

Un generador homopolar es un generador eléctrico de corriente continua que comprende un disco o cilindro eléctricamente conductor que gira en un plano perpendicular a un campo magnético estático uniforme . Se crea una diferencia de potencial entre el centro del disco y el borde (o los extremos del cilindro) con una polaridad eléctrica que depende de la dirección de rotación y la orientación del campo. También se conoce como generador unipolar , generador acíclico , dinamo de disco o disco de Faraday . El voltaje es típicamente bajo, del orden de unos pocos voltios en el caso de pequeños modelos de demostración, pero los grandes generadores de investigación pueden producir cientos de voltios, y algunos sistemas tienen múltiples generadores en serie para producir un voltaje aún mayor. ^[1] Son inusuales en el sentido de que pueden generar una corriente eléctrica tremenda, algunos más de un millón de amperios , porque el generador homopolar puede hacerse para que tenga una resistencia interna muy baja . Además, el generador homopolar es único en el sentido de que ninguna otra máquina eléctrica rotatoria puede producir CC sin usar rectificadores o conmutadores. ^[2]

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El primer generador homopolar fue desarrollado por Michael Faraday durante sus experimentos en 1831. Con frecuencia se lo llama disco de Faraday o rueda de Faraday en su honor. Fue el comienzo de las dinamos modernas , es decir, generadores eléctricos que funcionan mediante un campo magnético . Era muy ineficiente y no se utilizaba como fuente de energía práctica, pero mostró la posibilidad de generar energía eléctrica mediante magnetismo y abrió el camino a las dinamos de corriente continua conmutada y, posteriormente, a los alternadores de corriente alterna .

El disco de Faraday era ineficiente debido principalmente a contraflujos de corriente. Mientras que el flujo de corriente se inducía directamente debajo del imán, la corriente circulaba en sentido inverso en regiones fuera de la influencia del campo magnético. Este contraflujo limita la salida de potencia a los cables de captación e induce un calentamiento residual del disco de cobre. Los generadores homopolares posteriores resolverían este problema utilizando una serie de imanes dispuestos alrededor del perímetro del disco para mantener un campo constante alrededor de la circunferencia y eliminar las áreas donde podría producirse contraflujo.

Mucho después de que el disco de Faraday original hubiera sido abandonado como generador práctico, se desarrolló una versión modificada que combinaba el imán y el disco en una única parte giratoria (el rotor ). A veces, el nombre de generador homopolar se reserva para esta configuración. Una de las primeras patentes sobre el tipo general de generadores homopolares fue obtenida por AF Delafield, patente estadounidense 278.516 . Otras patentes tempranas para generadores homopolares fueron otorgadas a SZ De Ferranti y C. Batchelor por separado. Nikola Tesla estaba interesado en el disco de Faraday y realizó trabajos con generadores homopolares, ^[3] y finalmente patentó una versión mejorada del dispositivo en la patente estadounidense 406.968 . La patente "Dynamo Electric Machine" de Tesla describe una disposición de dos discos paralelos con ejes separados y paralelos, unidos como poleas por una correa metálica. Cada disco tenía un campo que era opuesto al otro, de modo que el flujo de corriente iba desde un eje hasta el borde del disco, a través de la correa hasta el otro borde del disco y hasta el segundo eje. Esto habría reducido en gran medida las pérdidas por fricción causadas por los contactos deslizantes al permitir que ambos captadores eléctricos interactuaran con los ejes de los dos discos en lugar de en el eje y una llanta de alta velocidad. Más tarde, se otorgaron patentes a CP Steinmetz y E. Thomson por su trabajo con generadores homopolares. El dinamo Forbes , desarrollado por el ingeniero eléctrico escocés George Forbes , se utilizó ampliamente a principios del siglo XX. Gran parte del desarrollo realizado en generadores homopolares fue patentado por JE Noeggerath y R. Eickemeyer .

Los generadores homopolares experimentaron un renacimiento en la década de 1950 como fuente de almacenamiento de energía pulsada. Estos dispositivos utilizaban discos pesados ​​como una especie de volante de inercia para almacenar energía mecánica que podía volcarse rápidamente en un aparato experimental. Un ejemplo temprano de este tipo de dispositivo fue construido por Sir Mark Oliphant en la Escuela de Investigación de Ciencias Físicas e Ingeniería de la Universidad Nacional de Australia . Almacenaba hasta 500 megajulios de energía ^[4] y se utilizó como fuente de corriente extremadamente alta para la experimentación con sincrotrón desde 1962 hasta que se desmontó en 1986. La construcción de Oliphant era capaz de suministrar corrientes de hasta 2 megaamperios (MA).

Parker Kinetic Designs (anteriormente OIME Research & Development) de Austin ha diseñado y construido dispositivos similares de mayor tamaño. Ha producido dispositivos para una variedad de funciones, desde propulsar cañones de riel hasta motores lineales (para lanzamientos espaciales) y una variedad de diseños de armas. Se introdujeron diseños industriales de 10 MJ para una variedad de funciones, incluida la soldadura eléctrica. ^{[5] [6]}

Este dispositivo consiste en un volante conductor que gira en un campo magnético con un contacto eléctrico cerca del eje y el otro cerca de la periferia. Se ha utilizado para generar corrientes muy altas a voltajes bajos en aplicaciones como la soldadura , la electrólisis y la investigación de cañones de riel . En aplicaciones de energía pulsada, el momento angular del rotor se utiliza para acumular energía durante un período prolongado y luego liberarla en un tiempo breve.

A diferencia de otros tipos de generadores, el voltaje de salida nunca cambia de polaridad. La separación de cargas resulta de la fuerza de Lorentz sobre las cargas libres en el disco. El movimiento es azimutal y el campo es axial, por lo que la fuerza electromotriz es radial. Los contactos eléctricos se realizan normalmente a través de un " cepillo " o anillo colector , lo que da lugar a grandes pérdidas a los bajos voltajes generados. Algunas de estas pérdidas se pueden reducir utilizando mercurio u otro metal o aleación fácilmente licuable ( galio , NaK ) como "cepillo", para proporcionar un contacto eléctrico esencialmente ininterrumpido.

Una modificación sugerida recientemente es utilizar un contacto de plasma alimentado por una serpentina de neón de resistencia negativa que toca el borde del disco o tambor, utilizando carbón especializado de baja función de trabajo en tiras verticales. Esto tendría la ventaja de una resistencia muy baja dentro de un rango de corriente posiblemente de hasta miles de amperios sin el contacto de metal líquido. ^{[ cita requerida ]}

Si el campo magnético lo proporciona un imán permanente , el generador funciona independientemente de que el imán esté fijado al estator o gire con el disco. Antes del descubrimiento del electrón y de la ley de fuerza de Lorentz , el fenómeno era inexplicable y se conocía como la paradoja de Faraday .

Un generador homopolar de tipo tambor tiene un campo magnético (B) que irradia radialmente desde el centro del tambor e induce voltaje (V) a lo largo del tambor. Un tambor conductor que gira desde arriba en el campo de un imán tipo "altavoz" que tiene un polo en el centro del tambor y el otro polo rodeando el tambor podría usar cojinetes de bolas conductores en la parte superior e inferior del tambor para captar la corriente generada.

Los inductores unipolares se utilizan en astrofísica cuando un conductor gira a través de un campo magnético; por ejemplo, el movimiento del plasma altamente conductor en la ionosfera de un cuerpo cósmico a través de su campo magnético . En su libro Electrodinámica cósmica , Hannes Alfvén y Carl-Gunne Fälthammar escriben:

"Como las nubes cósmicas de gas ionizado están generalmente magnetizadas, su movimiento produce campos eléctricos inducidos [..] Por ejemplo, el movimiento del plasma interplanetario magnetizado produce campos eléctricos que son esenciales para la producción de auroras y tormentas magnéticas" [..]

"...la rotación de un conductor en un campo magnético produce un campo eléctrico en el sistema en reposo. Este fenómeno es bien conocido a partir de experimentos de laboratorio y se suele denominar inducción "homopolar" o "unipolar". ^[7]

Los inductores unipolares se han asociado con las auroras en Urano , ^[8] estrellas binarias , ^{[9] [10]} agujeros negros , ^{[11] [12] [13]} galaxias , ^[14] el sistema Júpiter-Ío , ^{[15] [16]} la Luna , ^{[17] [18]} el viento solar, ^[19] las manchas solares , ^{[20] [21]} y en la cola magnética de Venus . ^[22]

Como todos los dinamos , el disco de Faraday convierte la energía cinética en energía eléctrica . Esta máquina puede analizarse utilizando la propia ley de inducción electromagnética de Faraday . Esta ley, en su forma moderna, establece que la derivada de tiempo completo del flujo magnético a través de un circuito cerrado induce una fuerza electromotriz en el circuito, que a su vez impulsa una corriente eléctrica. La integral de superficie que define el flujo magnético puede reescribirse como una integral de línea alrededor del circuito. Aunque el integrando de la integral de línea es independiente del tiempo, debido a que el disco de Faraday que forma parte del límite de la integral de línea se está moviendo, la derivada de tiempo completo no es cero y devuelve el valor correcto para calcular la fuerza electromotriz. ^{[23] [24]} Alternativamente, el disco puede reducirse a un anillo conductor a lo largo de la circunferencia del disco con un solo radio de metal que conecta el anillo al eje. ^[25]

Para explicar el comportamiento de la máquina resulta más fácil utilizar la ley de fuerza de Lorentz . Esta ley, formulada treinta años después de la muerte de Faraday, establece que la fuerza sobre un electrón es proporcional al producto vectorial de su velocidad por el vector de flujo magnético . En términos geométricos, esto significa que la fuerza forma un ángulo recto con la velocidad (azimutal) y el flujo magnético (axial), que, por tanto, tiene una dirección radial. El movimiento radial de los electrones en el disco produce una separación de cargas entre el centro del disco y su borde, y si se completa el circuito se producirá una corriente eléctrica. ^[26]

• Rueda de Barlow
• Generador eléctrico
• Motor eléctrico
• Motor homopolar
• Paradoja de Faraday
• Ley de inducción de Faraday
• Máquina de Wimshurst

• Don Lancaster, " Rompiendo los mitos homopolares ". Tech Musings, octubre de 1997. (PDF)
• Don Lancaster, " Entendiendo el disco de Faraday ". Tech Musings, octubre de 1997. (PDF)
• John David Jackson, Electrodinámica clásica , Wiley, 3.ª ed., 1998, ISBN 0-471-30932-X 
• Arthur I. Miller , "Inducción unipolar: un estudio de caso de la interacción entre ciencia y tecnología", Annals of Science, volumen 38, págs. 155-189 (1981).
• Olivier Darrigol, Electrodinámica de Ampere a Einstein , Oxford University Press, 2000, ISBN 0-19-850594-9 
• Trevor Ophel y John Jenkin, (1996) Fuego en el vientre: los primeros 50 años de la escuela pionera en la ANU Canberra: Escuela de Investigación de Ciencias Físicas e Ingeniería, Universidad Nacional Australiana. ISBN 0-85800-048-2 . (PDF) 
• Thomas Valone, The Homopolar Handbook: A Definitive Guide to Faraday Disk and N-Machine Technologies [El manual homopolar: una guía definitiva para las tecnologías de discos de Faraday y máquinas N] . Washington, DC, EE. UU.: Integrity Research Institute, 2001. ISBN 0-964107-0-1-5 

• Richard A. Marshall y William F. Weldon, " Selección de parámetros para generadores homopolares utilizados como almacenes de energía pulsada ", Centro de Electromecánica, Universidad de Texas, Austin, julio de 1980. (también publicado en: Electrical Machines and Electromechanics, 6:109–127, 1981.)

• Popular Science Monthly, Construcción de dinamos unipolares , abril de 1916, págs. 624-626. Artículo escaneado disponible en Google Books: https://books.google.com/books?id=hCYDAAAAMBAJ&pg=PA624
• Robert Hebner, " Generador homopolar ". Soldadura homopolar, UT-CEM.
• " K2-64: Generador unipolar ". physics.umd.edu.
• Richard E. Berg y Carroll O. Alley, " El generador unipolar: una demostración de la relatividad especial ", Departamento de Física, Universidad de Maryland, 2005. (PDF)
• Richard Fitzpatrick, " Teoría magnetohidrodinámica ", El generador homopolar . farside.ph.utexas.edu, 2006-02-16.
• " 5K10.80 Generador homopolar; demostraciones en clase. ". physics.brown.edu
• William J. Beaty, " Experimentos no probados con generadores homopolares ". 1996.