एक यूनिपोलर जनरेटर एक प्रत्यक्ष वर्तमान विद्युत तंत्र है जिसमें एक विद्युत प्रवाहकीय डिस्क या एक विमान में घूमने वाला सिलेंडर होता है। इसमें विद्युत ध्रुवता के साथ डिस्क के केंद्र और रिम (या सिलेंडर के सिरों) के बीच अलग-अलग शक्ति की क्षमता होती है, जो रोटेशन की दिशा और क्षेत्र के उन्मुखीकरण पर निर्भर करती है।
इसे एकध्रुवीय फैराडे दोलक के रूप में भी जाना जाता है। छोटे प्रदर्शन मॉडल के मामले में कुछ वोल्ट के क्रम में वोल्टेज आमतौर पर कम होता है, लेकिन बड़ी शोध मशीनें सैकड़ों वोल्ट उत्पन्न कर सकती हैं, और कुछ प्रणालियों में उच्च वोल्टेज के लिए कई श्रृंखला ऑसीलेटर होते हैं। वे असामान्य हैं कि वे एक विद्युत प्रवाह उत्पन्न कर सकते हैं जो एक मिलियन एम्पीयर से अधिक करने में सक्षम है, क्योंकि एक यूनिपोलर जनरेटर में उच्च आंतरिक प्रतिरोध होना जरूरी नहीं है।
आविष्कार की कहानी
पहला समध्रुवीय तंत्र माइकल फैराडे ने 1831 में अपने प्रयोगों के दौरान विकसित किया था। इसे अक्सर उसके बाद फैराडे डिस्क या व्हील के रूप में जाना जाता है। यह थी आधुनिक गतिशीलता की शुरुआतमशीनें, यानी चुंबकीय क्षेत्र पर काम करने वाले विद्युत जनरेटर। यह बहुत अक्षम था और व्यावहारिक शक्ति स्रोत के रूप में उपयोग नहीं किया गया था, लेकिन चुंबकत्व का उपयोग करके बिजली पैदा करने की संभावना को दिखाया और स्विच किए गए डीसी डायनेमो और फिर अल्टरनेटर के लिए मार्ग प्रशस्त किया।
पहले जनरेटर के नुकसान
फैराडे की डिस्क मुख्य रूप से आने वाली धारा प्रवाह के कारण अक्षम थी। एकध्रुवीय जनरेटर के संचालन के सिद्धांत को इसके उदाहरण द्वारा ही वर्णित किया जाएगा। जबकि वर्तमान प्रवाह सीधे चुंबक के नीचे प्रेरित था, वर्तमान विपरीत दिशा में परिचालित किया गया था। बैकफ्लो प्राप्त करने वाले तारों के लिए आउटपुट पावर को सीमित करता है और कॉपर डिस्क के अनावश्यक हीटिंग का कारण बनता है। बाद में होमोपोलर जनरेटर इस समस्या को डिस्क की परिधि के चारों ओर रखे मैग्नेट के एक सेट के साथ हल कर सकते हैं ताकि परिधि के चारों ओर एक स्थिर क्षेत्र बनाए रखा जा सके और उन क्षेत्रों को खत्म किया जा सके जहां बैकफ्लो हो सकता है।
आगे के घटनाक्रम
मूल फैराडे डिस्क को एक व्यावहारिक जनरेटर के रूप में बदनाम करने के तुरंत बाद, एक घूर्णन भाग (रोटर) में चुंबक और डिस्क को मिलाकर एक संशोधित संस्करण विकसित किया गया था, लेकिन एक प्रभाव एकध्रुवीय जनरेटर का विचार इसके लिए आरक्षित था विन्यास। जेनेरिक एकध्रुवीय तंत्र के लिए सबसे शुरुआती पेटेंटों में से एक ए.एफ. डेलाफिल्ड, यू.एस. पेटेंट 278,516 द्वारा प्राप्त किया गया था।
उत्कृष्ट दिमागों का शोध
एकध्रुवीय पेटेंट के अन्य प्रारंभिक प्रभावजेनरेटर को अलग से S. Z. De Ferranti और S. Batchelor से सम्मानित किया गया। निकोला टेस्ला को फैराडे डिस्क में दिलचस्पी थी और उन्होंने होमोपोलर तंत्र के साथ काम किया, और अंततः यूएस पेटेंट 406,968 में डिवाइस के एक बेहतर संस्करण का पेटेंट कराया।
टेस्ला की "डायनेमो इलेक्ट्रिक मशीन" पेटेंट (टेस्ला का एकध्रुवीय जनरेटर) दो समानांतर डिस्क की व्यवस्था का वर्णन करता है जिसमें अलग-अलग समानांतर शाफ्ट जुड़े होते हैं, जैसे पुली, एक धातु बेल्ट द्वारा। प्रत्येक डिस्क में दूसरे के विपरीत एक क्षेत्र था, जिससे कि वर्तमान प्रवाह एक शाफ्ट से डिस्क के किनारे तक, बेल्ट के माध्यम से दूसरे किनारे तक और दूसरे शाफ्ट तक जाता था। यह स्लाइडिंग संपर्कों के कारण होने वाले घर्षण नुकसान को बहुत कम कर देगा, जिससे दोनों विद्युत सेंसर शाफ्ट और उच्च गति रिम के बजाय दो डिस्क के शाफ्ट के साथ बातचीत कर सकेंगे।
बाद में पेटेंट एस. पी. स्टीनमेट्ज़ और ई. थॉमसन को उच्च वोल्टेज एकध्रुवीय जनरेटर पर उनके काम के लिए प्रदान किए गए। स्कॉटिश इलेक्ट्रिकल इंजीनियर जॉर्ज फोर्ब्स द्वारा डिजाइन किए गए फोर्ब्स डायनेमो का व्यापक रूप से 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में उपयोग किया गया था। होमोपोलर तंत्र में किए गए अधिकांश विकासों का पेटेंट जे.ई. नोएगेरथ और आर. एकेमेयर।
50s
1950 के दशक में स्पंदित ऊर्जा भंडारण के स्रोत के रूप में होमोपोलर जनरेटर ने पुनर्जागरण का अनुभव किया। इन उपकरणों में यांत्रिक ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए चक्का के रूप में भारी डिस्क का उपयोग किया जाता था जिसे जल्दी से प्रयोगात्मक उपकरण में डाला जा सकता था।
इस तरह के उपकरण का एक प्रारंभिक उदाहरण सर मार्क ओलिफंत द्वारा रिसर्च स्कूल में बनाया गया थाऑस्ट्रेलियन नेशनल यूनिवर्सिटी से भौतिक विज्ञान और इंजीनियरिंग। यह 500 मेगाजूल तक ऊर्जा संग्रहीत करता था और इसे 1962 से सिंक्रोट्रॉन प्रयोगों के लिए एक अति-उच्च वर्तमान स्रोत के रूप में इस्तेमाल किया गया था जब तक कि इसे 1986 में नष्ट नहीं किया गया था। ओलिफंत का डिजाइन 2 मेगाएम्पियर (एमए) तक की धाराएं देने में सक्षम था।
पार्कर काइनेटिक डिजाइन द्वारा विकसित
इस तरह के बड़े डिवाइस भी ऑस्टिन के पार्कर काइनेटिक डिज़ाइन्स (पूर्व में ओआईएमई रिसर्च एंड डेवलपमेंट) द्वारा डिज़ाइन और निर्मित किए गए हैं। उन्होंने विभिन्न उद्देश्यों के लिए उपकरणों का उत्पादन किया, जिसमें रेल पिस्तौल से लेकर लीनियर मोटर्स (अंतरिक्ष प्रक्षेपण के लिए) और विभिन्न हथियार डिजाइन शामिल थे। इलेक्ट्रिक वेल्डिंग सहित विभिन्न भूमिकाओं के लिए 10 एमजे औद्योगिक डिजाइन पेश किए गए हैं।
इन उपकरणों में एक प्रवाहकीय चक्का होता है, जिनमें से एक चुंबकीय क्षेत्र में घूमता है जिसमें एक विद्युत संपर्क अक्ष के पास और दूसरा परिधि के पास होता है। उनका उपयोग वेल्डिंग, इलेक्ट्रोलिसिस और रेलगन अनुसंधान जैसे क्षेत्रों में कम वोल्टेज पर बहुत अधिक धाराएं उत्पन्न करने के लिए किया गया है। स्पंदित ऊर्जा अनुप्रयोगों में, रोटर के कोणीय संवेग का उपयोग ऊर्जा को लंबे समय तक संग्रहीत करने के लिए किया जाता है और फिर इसे थोड़े समय में छोड़ दिया जाता है।
अन्य प्रकार के कम्यूटेटेड एकध्रुवीय जनरेटर के विपरीत, आउटपुट वोल्टेज कभी भी ध्रुवीयता को उलट नहीं करता है। आवेशों का पृथक्करण डिस्क में मुक्त आवेशों पर लोरेंत्ज़ बल की क्रिया का परिणाम है। गति अज़ीमुथल है और क्षेत्र अक्षीय है, इसलिएइलेक्ट्रोमोटिव बल रेडियल है।
विद्युत संपर्क आमतौर पर "ब्रश" या स्लिप रिंग के माध्यम से बनाए जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उत्पन्न कम वोल्टेज पर उच्च नुकसान होता है। लगभग निरंतर विद्युत संपर्क प्रदान करने के लिए पारा या किसी अन्य आसानी से तरलीकृत धातु या मिश्र धातु (गैलियम, NaK) को "ब्रश" के रूप में उपयोग करके इनमें से कुछ नुकसान को कम किया जा सकता है।
संशोधन
एक हाल ही में प्रस्तावित संशोधन एक नकारात्मक प्रतिरोध नियॉन स्ट्रीमर के साथ लगाए गए प्लाज्मा संपर्क का उपयोग करने के लिए किया गया है जो ऊर्ध्वाधर पट्टियों में विशेष कम कार्य फ़ंक्शन कार्बन का उपयोग करके डिस्क या ड्रम के किनारे को छूता है। यह तरल धातु के संपर्क के बिना, वर्तमान सीमा में संभवतः हजारों एएमपीएस तक बहुत कम प्रतिरोध का लाभ होगा।
यदि चुंबकीय क्षेत्र एक स्थायी चुंबक द्वारा बनाया गया है, जनरेटर काम करता है चाहे चुंबक स्टेटर से जुड़ा हो या डिस्क के साथ घूमता हो। इलेक्ट्रॉन और लोरेंत्ज़ के बल के नियम की खोज से पहले, यह घटना अकथनीय थी और इसे फैराडे के विरोधाभास के रूप में जाना जाता था।
ड्रम टाइप
एक ड्रम-प्रकार के होमोपोलर जनरेटर में एक चुंबकीय क्षेत्र (V) होता है जो ड्रम के केंद्र से रेडियल रूप से विकिरण करता है और इसकी पूरी लंबाई के साथ एक वोल्टेज (V) को प्रेरित करता है। एक "लाउडस्पीकर" प्रकार के चुंबक के क्षेत्र में ऊपर से घूमने वाला एक प्रवाहकीय ड्रम, जिसके केंद्र में एक ध्रुव होता है और दूसरा उसके आसपास होता है, इसके शीर्ष में प्रवाहकीय बॉल बेयरिंग का उपयोग कर सकता है औरउत्पन्न धारा को पकड़ने के लिए निचले हिस्से।
प्रकृति में
एकध्रुवीय प्रेरक खगोलभौतिकी में पाए जाते हैं, जहां कंडक्टर चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से घूमता है, उदाहरण के लिए, जब एक अंतरिक्ष पिंड के आयनमंडल में एक अत्यधिक प्रवाहकीय प्लाज्मा अपने चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से चलता है।
एकध्रुवीय प्रेरक यूरेनियन अरोरा, बाइनरी स्टार, ब्लैक होल, आकाशगंगा, बृहस्पति के चंद्रमा आयो, चंद्रमा, सौर हवा, सनस्पॉट और वीनसियन चुंबकीय पूंछ से जुड़े हुए हैं।
तंत्र विशेषताएं
उपरोक्त सभी अंतरिक्ष पिंडों की तरह, फैराडे डिस्क गतिज ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती है। फैराडे के विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के अपने नियम का उपयोग करके इस मशीन का विश्लेषण किया जा सकता है।
यह नियम अपने आधुनिक रूप में बताता है कि एक बंद सर्किट के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह का निरंतर व्युत्पन्न इसमें एक इलेक्ट्रोमोटिव बल उत्पन्न करता है, जो बदले में विद्युत प्रवाह को उत्तेजित करता है।
चुंबकीय फ्लक्स को परिभाषित करने वाले सतह इंटीग्रल को सर्किट के चारों ओर एक रैखिक के रूप में फिर से लिखा जा सकता है। हालांकि लाइन इंटीग्रल का इंटीग्रैंड समय पर निर्भर नहीं करता है, क्योंकि फैराडे डिस्क जो लाइन इंटीग्रल मूव्स की सीमा का हिस्सा है, कुल समय का व्युत्पन्न शून्य नहीं है और इलेक्ट्रोमोटिव बल की गणना के लिए सही मान लौटाता है। वैकल्पिक रूप से, डिस्क को उसकी परिधि के चारों ओर एक प्रवाहकीय रिंग में कम किया जा सकता है, जिसमें सिंगल मेटल स्पोक रिंग को एक्सल से जोड़ता है।
लोरेंत्ज़ फ़ोर्स लॉ लाइटरमशीन के व्यवहार की व्याख्या करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। फैराडे की मृत्यु के तीस साल बाद तैयार किया गया यह कानून कहता है कि एक इलेक्ट्रॉन पर बल उसके वेग के क्रॉस उत्पाद और चुंबकीय प्रवाह वेक्टर के समानुपाती होता है।
ज्यामितीय शब्दों में, इसका मतलब है कि बल को वेग (अज़ीमुथ) और चुंबकीय प्रवाह (अक्षीय) दोनों के लिए समकोण पर निर्देशित किया जाता है, जो इसलिए रेडियल दिशा में है। डिस्क में इलेक्ट्रॉनों की रेडियल गति इसके केंद्र और रिम के बीच आवेशों को अलग करती है, और यदि सर्किट पूरा हो जाता है, तो एक विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है।
इलेक्ट्रिक मोटर
एक यूनिपोलर मोटर दो चुंबकीय ध्रुवों वाला एक डीसी उपकरण है, जिसके कंडक्टर हमेशा एक दिशा में चुंबकीय प्रवाह रेखाओं को पार करते हैं, कंडक्टर को एक निश्चित अक्ष के चारों ओर घुमाते हैं ताकि यह स्थिर चुंबकीय क्षेत्र के समकोण पर हो। परिणामी ईएमएफ (इलेक्ट्रोमोटिव बल), जो एक दिशा में निरंतर है, एक होमोपोलर मोटर के लिए कम्यूटेटर की आवश्यकता नहीं होती है, लेकिन फिर भी पर्ची के छल्ले की आवश्यकता होती है। "होमोपोलर" नाम इंगित करता है कि कंडक्टर की विद्युत ध्रुवता और चुंबकीय क्षेत्र के ध्रुव नहीं बदलते हैं (अर्थात, इसे स्विचिंग की आवश्यकता नहीं है)।
यूनिपोलर मोटर बनने वाली पहली इलेक्ट्रिक मोटर थी। माइकल फैराडे द्वारा 1821 में लंदन में रॉयल इंस्टीट्यूशन में इसकी कार्रवाई का प्रदर्शन किया गया था।
आविष्कार
1821 में, डेनिश भौतिक विज्ञानी और रसायनज्ञ हैंस क्रिश्चियन ओर्स्टेड की खोज के तुरंत बादविद्युत चुंबकत्व की घटना, हम्फ्री डेवी और ब्रिटिश वैज्ञानिक विलियम हाइड वोलास्टन ने एक इलेक्ट्रिक मोटर विकसित करने की कोशिश की, लेकिन असफल रहे। फैराडे, हम्फ्री द्वारा एक मजाक के रूप में विवादित, दो उपकरणों का निर्माण करने के लिए चला गया, जिसे उन्होंने "विद्युत चुम्बकीय रोटेशन" कहा। उनमें से एक, जिसे अब होमोपोलर ड्राइव के रूप में जाना जाता है, ने एक निरंतर गोलाकार गति बनाई। यह पारा के एक पूल में रखे तार के चारों ओर एक गोलाकार चुंबकीय बल के कारण होता है जिसमें चुंबक रखा जाता है। यदि तार एक रासायनिक बैटरी द्वारा संचालित होता तो तार चुंबक के चारों ओर घूमता।
इन प्रयोगों और आविष्कारों ने आधुनिक विद्युत चुम्बकीय प्रौद्योगिकियों का आधार बनाया। जल्द ही फैराडे ने परिणाम प्रकाशित किए। इसने फैराडे की उपलब्धियों के प्रति ईर्ष्या के कारण डेवी के साथ संबंधों को तनावपूर्ण बना दिया और बाद वाले को अन्य चीजों की ओर रुख करने का कारण बना, जिसके परिणामस्वरूप उन्हें कई वर्षों तक विद्युत चुम्बकीय अनुसंधान में भाग लेने से रोका गया।
बी. G. Lamm ने 1912 में 2000 kW, 260 V, 7700 A और 1200 rpm की शक्ति के साथ एक होमोपोलर मशीन का वर्णन किया, जिसमें 16 स्लिप रिंग्स 67 m/s की परिधीय गति से संचालित होती हैं। 1934 में निर्मित एक 1125kW, 7.5V, 150,000A, 514rpm एकध्रुवीय जनरेटर पाइप वेल्डिंग के लिए एक अमेरिकी स्टील मिल में स्थापित किया गया था।
वही लोरेंत्ज़ कानून
इस इंजन का संचालन शॉक यूनिपोलर जनरेटर के समान है। एकध्रुवीय मोटर लोरेंत्ज़ बल द्वारा संचालित होती है। एक चालक जिसके माध्यम से धारा प्रवाहित होती है, जब उसे चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है और इसके लंबवत होता है, तो एक बल महसूस होता हैचुंबकीय क्षेत्र और धारा दोनों के लंबवत दिशा। यह बल रोटेशन की धुरी के चारों ओर एक मोड़ प्रदान करता है।
चूंकि उत्तरार्द्ध चुंबकीय क्षेत्र के समानांतर है, और चुंबकीय क्षेत्र का विरोध करने से ध्रुवीयता नहीं बदलती है, कंडक्टर को घुमाने के लिए स्विचिंग की आवश्यकता नहीं होती है। यह सरलता सिंगल-टर्न डिज़ाइन के साथ सबसे आसानी से प्राप्त की जाती है, जिससे होमोपोलर मोटर्स अधिकांश व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए अनुपयुक्त हो जाती है।
अधिकांश इलेक्ट्रोमैकेनिकल मशीनों (जैसे नेगेरथ के यूनिपोलर जनरेटर) की तरह, होमोपोलर मोटर प्रतिवर्ती है: यदि कंडक्टर को यांत्रिक रूप से घुमाया जाता है, तो यह एक होमोपोलर जनरेटर के रूप में काम करेगा, जिससे कंडक्टर के दो टर्मिनलों के बीच एक डीसी वोल्टेज पैदा होगा।
निरंतर धारा डिजाइन की समध्रुवीय प्रकृति का परिणाम है। होमोपोलर जेनरेटर (एचपीजी) को 20वीं शताब्दी के अंत में कम वोल्टेज के स्रोतों के रूप में व्यापक रूप से खोजा गया था, लेकिन बहुत अधिक करंट डायरेक्ट करंट, और प्रायोगिक रेलगनों को शक्ति प्रदान करने में कुछ सफलता हासिल की।
भवन
अपने हाथों से एकध्रुवीय जनरेटर बनाना काफी सरल है। यूनिपोलर मोटर को असेंबल करना भी बहुत आसान है। स्थायी चुंबक का उपयोग बाहरी चुंबकीय क्षेत्र बनाने के लिए किया जाता है जिसमें कंडक्टर घूमेगा, और बैटरी प्रवाहकीय तार के साथ करंट प्रवाहित करती है।
चुंबक का हिलना या बाकी मोटर के संपर्क में आना भी आवश्यक नहीं है; इसका एकमात्र उद्देश्य एक चुंबकीय क्षेत्र बनाना है जोतार में करंट द्वारा प्रेरित एक समान क्षेत्र के साथ बातचीत करें। एक चुंबक को बैटरी से जोड़ना संभव है और विद्युत परिपथ पूरा होने पर कंडक्टर को स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति देता है, बैटरी के शीर्ष और बैटरी के नीचे से जुड़े चुंबक दोनों को छूता है। निरंतर उपयोग के दौरान तार और बैटरी गर्म हो सकती है।
