Un generador homopolar es un generador eléctrico de CC 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 extremos del cilindro) con una polaridad eléctrica que depende del sentido de rotación y de la orientación del campo. También se le 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 modelos de demostración pequeños, 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 porque pueden generar una tremenda corriente eléctrica, algunas de más de un millón de amperios , porque se puede hacer que el generador homopolar tenga una resistencia interna muy baja . Además, el generador homopolar es único en el sentido de 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. Con frecuencia se le 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 para las dinamos de corriente continua conmutada y luego los alternadores de corriente alterna .
El disco de Faraday era principalmente ineficiente debido a los contraflujos de corriente. Si bien el flujo de corriente se inducía directamente debajo del imán, la corriente circularía hacia atrás en regiones fuera de la influencia del campo magnético. Este contraflujo limita la salida de energía a los cables captadores 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 estable alrededor de la circunferencia y eliminar áreas donde podría ocurrir contraflujo.
Mucho después de que se abandonara el disco de Faraday original como generador práctico, se desarrolló una versión modificada que combina el imán y el disco en una sola parte giratoria (el rotor ). A veces el nombre generador homopolar está reservado para esta configuración. Una de las primeras patentes sobre el tipo general de generadores homopolares la obtuvo AF Delafield, patente estadounidense 278.516 . Otras patentes tempranas para generadores homopolares fueron concedidas por separado a SZ De Ferranti y C. Batchelor . Nikola Tesla estaba interesado en el disco de Faraday y trabajó 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 paralelos separados, unidos como poleas por una correa metálica. Cada disco tenía un campo 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 interactúen con los ejes de los dos discos en lugar de con el eje y una llanta de alta velocidad. Posteriormente se concedieron patentes a CP Steinmetz y E. Thomson por su trabajo con generadores homopolares. La dinamo Forbes , desarrollada por el ingeniero eléctrico escocés George Forbes , tuvo un uso generalizado 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 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 de Australia . Almacenaba hasta 500 megajulios de energía [4] y se utilizó como fuente de corriente extremadamente alta para experimentos con sincrotrones desde 1962 hasta su desmontaje 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 diseña y construye dispositivos similares de tamaño aún mayor. Han producido dispositivos para una variedad de funciones, desde alimentar 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 consta de 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 bajos voltajes en aplicaciones como soldadura , electrólisis e investigación con pistolas de riel . En aplicaciones de energía pulsada, el momento angular del rotor se utiliza para acumular energía durante un largo período y luego liberarla en poco tiempo.
A diferencia de otros tipos de generadores, la tensión 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 generalmente se realizan a través de una " escobilla " o anillo colector , lo que resulta en grandes pérdidas ante los bajos voltajes generados. Algunas de estas pérdidas pueden reducirse 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 suministrado por una serpentina de neón de resistencia negativa que toca el borde del disco o tambor, utilizando carbono 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 del metal líquido. [ cita necesaria ]
Si el campo magnético lo proporciona un imán permanente , el generador funciona independientemente de si el imán está fijado al estator o gira 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 hecho girar 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 rodamientos de bolas conductoras en la parte superior e inferior del tambor para recoger la corriente generada.
Los inductores unipolares ocurren en astrofísica donde 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 Cosmical Electrodynamics , Hannes Alfvén y Carl-Gunne Fälthammar escriben:
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] las 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 se puede analizar utilizando la propia ley de inducción electromagnética de Faraday . Esta ley, en su forma moderna, establece que la derivada permanente 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 se puede reescribir 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 se puede reducir a un anillo conductor a lo largo de la circunferencia del disco con un solo radio metálico que conecta el anillo al eje. [25]
La ley de fuerzas 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 cruzado de su velocidad y el vector de flujo magnético . En términos geométricos, esto significa que la fuerza está en ángulo recto tanto con la velocidad (azimutal) como con el flujo magnético (axial), que por lo tanto es 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 se completa el circuito se producirá una corriente eléctrica. [26]
