Generador homopolar

Un generador homopolar es un generador eléctrico de corriente continua (CC) que consta de un disco o cilindro 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 suele ser bajo, del orden de unos pocos voltios en el caso de pequeños modelos de demostración, pero los generadores de investigación de gran tamaño pueden producir cientos de voltios, y algunos sistemas cuentan con varios generadores en serie para producir un voltaje aún mayor. ^{[ 1 ]} Son inusuales porque pueden suministrar una corriente eléctrica tremenda, algunas superiores a un millón de amperios , debido a que el generador homopolar puede fabricarse con una resistencia interna muy baja . Además, el generador homopolar es único, ya que ninguna otra máquina eléctrica rotativa puede producir CC sin utilizar rectificadores o conmutadores. ^{[ 2 ]}

El primer generador homopolar fue desarrollado por Michael Faraday durante sus experimentos en 1831. En su honor, se le conoce frecuentemente como disco o rueda de Faraday . Fue el origen de las dinamos modernas , es decir, generadores eléctricos que funcionan mediante un campo magnético . Si bien era muy ineficiente y no se utilizó como fuente de energía práctica, demostró la posibilidad de generar energía eléctrica mediante magnetismo y allanó el camino para las dinamos de corriente continua conmutada y, posteriormente, para los alternadores de corriente alterna .

El disco de Faraday era ineficiente principalmente debido a la circulación inversa de la corriente. Si bien se inducía un flujo de corriente directamente debajo del imán, esta circulaba en sentido contrario en las regiones fuera de la influencia del campo magnético. Esta circulación inversa limitaba la potencia de salida a los cables de captación e inducía un calentamiento innecesario del disco de cobre. Los generadores homopolares posteriores solucionaron este problema mediante el uso de una matriz de imanes dispuestos alrededor del perímetro del disco para mantener un campo constante en toda la circunferencia y eliminar las zonas donde podía producirse la circulación inversa.

Mucho después de que el disco de Faraday original fuera abandonado como generador práctico, se desarrolló una versión modificada que combinaba el imán y el disco en una sola pieza 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 por separado a SZ De Ferranti y C. Batchelor . 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 de Tesla "Máquina eléctrica de dinamo" describe una disposición de dos discos paralelos con ejes paralelos separados, unidos como poleas por una correa metálica. Cada disco tenía un campo opuesto al del otro, de modo que el flujo de corriente iba desde un eje al borde del disco, a través de la correa hasta el otro borde del disco y al segundo eje. Esto habría reducido considerablemente 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 un borde de alta velocidad. Posteriormente, se otorgaron patentes a CP Steinmetz y E. Thomson por su trabajo con generadores homopolares. La dinamo Forbes , desarrollada 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 ​​a modo de volante para almacenar energía mecánica que podía descargarse 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 Australiana (ANU). Almacenaba hasta 500 megajulios de energía ^{[ 4 ]} y se utilizó como fuente de corriente extremadamente alta para la experimentación con sincrotrón desde 1962 hasta su desmantelamiento en 1986. La construcción de Oliphant era capaz de suministrar corrientes de hasta 2 megaamperios (MA).

Parker Kinetic Designs (anteriormente OIME Research & Development), con sede en Austin, diseña y fabrica dispositivos similares de tamaño aún mayor. Han producido dispositivos para diversas funciones, desde alimentar cañones electromagnéticos hasta motores lineales (para lanzamientos espaciales) y diversos diseños de armas. Se introdujeron diseños industriales de 10 MJ para diversas aplicaciones, incluida la soldadura eléctrica. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Los inductores unipolares aparecen 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:

"Dado que 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 gracias a 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 Io , ^{[ 15 ] [ 16 ]} la Luna , ^{[ 17 ] [ 18 ]} el viento solar, ^{[ 19 ]} manchas solares , ^{[ 20 ] [ 21 ]} y en la cola magnética de Venus . ^{[ 22 ]}

Como todas las dinamos , el disco de Faraday convierte la energía cinética en energía eléctrica . Esta máquina puede analizarse utilizando la ley de inducción electromagnética de Faraday . Esta ley, en su forma moderna, establece que la derivada temporal del flujo magnético a través de un circuito cerrado induce una fuerza electromotriz en el circuito, que a su vez genera 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 mueve, la derivada temporal es distinta de 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 su circunferencia con un único radio metálico que conecta el anillo al eje. ^{[ 25 ]}

La ley de la fuerza de Lorentz se utiliza más fácilmente para explicar el comportamiento de la máquina. 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 y el vector de flujo magnético . En términos geométricos, esto significa que la fuerza es perpendicular tanto a la velocidad (azimutal) como al flujo magnético (axial), es decir, en dirección radial. El movimiento radial de los electrones en el disco produce una separación de carga entre el centro del disco y su borde, y si el circuito se completa, se generará una corriente eléctrica. ^{[ 26 ]}

• La rueda de Barlow
• Generador eléctrico
• Motor eléctrico
• Motor homopolar
• paradoja de Faraday
• Ley de inducción de Faraday
• Máquina de Wimshurst

• Popular Science Monthly, Construcción de dinamos unipolares , abril de 1916, págs.  624-626 , artículo escaneado disponible a través de 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, 16 de febrero de 2006.
• Generador homopolar 5K10.80 ; demostraciones en clase. physics.brown.edu
• William J. Beaty, " Experimentos no probados con generadores homopolares ". 1996.