Générateur homopolaire - Homopolar generator

Disque de Faraday, le premier générateur homopolaire

Un générateur homopolaire est un générateur électrique à courant continu comprenant un disque ou un cylindre électriquement conducteur tournant dans un plan perpendiculaire à un champ magnétique statique uniforme. Une différence de potentiel se crée entre le centre du disque et la jante (ou les extrémités du cylindre) avec une polarité électrique qui dépend du sens de rotation et de l'orientation du champ. Il est également connu comme un générateur monopolaire , générateur acyclique , dynamo disque ou disque Faraday . La tension est généralement faible, de l'ordre de quelques volts dans le cas de petits modèles de démonstration, mais les grands générateurs de recherche peuvent produire des centaines de volts, et certains systèmes ont plusieurs générateurs en série pour produire une tension encore plus élevée. Ils sont inhabituels en ce qu'ils peuvent générer un courant électrique énorme, certains dépassant un million d' ampères , car le générateur homopolaire peut être conçu pour avoir une très faible résistance interne . De plus, le générateur homopolaire est unique en ce qu'aucune autre machine électrique rotative ne peut produire du courant continu sans utiliser de redresseurs ou de commutateurs.

Le disque de Faraday

Disque de Faraday

Le premier générateur homopolaire a été développé par Michael Faraday lors de ses expériences en 1831. Il est fréquemment appelé disque de Faraday ou roue de Faraday en son honneur. C'était le début des dynamos modernes , c'est-à-dire des générateurs électriques fonctionnant à l'aide d'un champ magnétique . Il était très inefficace et n'a pas été utilisé comme source d'énergie pratique, mais il a montré la possibilité de produire de l' énergie électrique en utilisant le magnétisme, et a ouvert la voie pour commutées courant continu dynamos puis courant alternatif Alternateurs.

Le disque de Faraday était principalement inefficace en raison des contre-courants. Alors que le flux de courant était induit directement sous l'aimant, le courant circulait vers l'arrière dans des régions en dehors de l'influence du champ magnétique. Ce contre-courant limite la puissance de sortie des fils de captage et induit un échauffement résiduel du disque de cuivre. Les générateurs homopolaires ultérieurs résoudraient ce problème en utilisant un réseau d'aimants disposés autour du périmètre du disque pour maintenir un champ stable autour de la circonférence et éliminer les zones où un contre-courant pourrait se produire.

Développement de générateur homopolaire

Les restes du générateur ANU 500 MJ

Longtemps après que le disque de Faraday original ait été abandonné en tant que générateur pratique, une version modifiée combinant l'aimant et le disque en une seule pièce rotative (le rotor ) a été développée. Parfois le nom de générateur homopolaire est réservé à cette configuration. L'un des premiers brevets sur le type général de générateurs homopolaires a été obtenu par AF Delafield, le brevet américain 278 516 . D'autres premiers brevets pour les générateurs homopolaires ont été attribués séparément à SZ De Ferranti et C. Batchelor . Nikola Tesla s'est intéressé au disque de Faraday et a mené des travaux avec des générateurs homopolaires, et a finalement breveté une version améliorée de l'appareil dans le brevet américain 406 968 . Le brevet "Dynamo Electric Machine" de Tesla décrit un arrangement de deux disques parallèles avec des arbres parallèles séparés, reliés comme des poulies par une courroie métallique. Chaque disque avait un champ qui était à l'opposé de l'autre, de sorte que le flux de courant allait d'un arbre au bord du disque, à travers la courroie jusqu'à l'autre bord du disque et vers le deuxième arbre. Cela aurait considérablement réduit les pertes par frottement causées par les contacts glissants en permettant aux deux capteurs électriques de s'interfacer avec les arbres des deux disques plutôt qu'au niveau de l'arbre et d'une jante à grande vitesse. Plus tard, des brevets ont été accordés à CP Steinmetz et E. Thomson pour leur travail avec des générateurs homopolaires. La dynamo Forbes , développée par l'ingénieur électricien écossais George Forbes , était largement utilisée au début du 20e siècle. Une grande partie du développement fait dans les générateurs homopolaires a été brevetée par JE Noeggerath et R. Eickemeyer .

Les générateurs homopolaires ont connu une renaissance dans les années 1950 en tant que source de stockage d'énergie pulsée. Ces appareils utilisaient des disques lourds comme forme de volant d' inertie pour stocker de l'énergie mécanique qui pouvait être rapidement déversée dans un appareil expérimental. Un premier exemple de ce type de dispositif a été construit par Sir Mark Oliphant à l' École de recherche en sciences physiques et en génie , Université nationale australienne . Il stockait jusqu'à 500 mégajoules d'énergie et était utilisé comme source de courant extrêmement élevé pour l' expérimentation synchrotron de 1962 jusqu'à son démontage en 1986. La construction d'Oliphant était capable de fournir des courants allant jusqu'à 2 mégaampères (MA).

Des dispositifs similaires de taille encore plus grande sont conçus et construits par Parker Kinetic Designs (anciennement OIME Research & Development) d'Austin. Ils ont produit des dispositifs pour une variété de rôles, de l'alimentation de canons à rails aux moteurs linéaires (pour les lancements spatiaux) à une variété de conceptions d'armes. Des dessins industriels de 10 MJ ont été introduits pour une variété de rôles, y compris le soudage électrique.

Descriptif et fonctionnement

Générateur de type disque

Générateur de disque Faraday de base

Ce dispositif est constitué d'un volant conducteur tournant dans un champ magnétique avec un contact électrique proche de l'axe et l'autre proche de la périphérie. Il a été utilisé pour générer des courants très élevés à basse tension dans des applications telles que le soudage , l' électrolyse et la recherche sur railgun . Dans les applications d'énergie pulsée, le moment cinétique du rotor est utilisé pour accumuler de l'énergie sur une longue période, puis la libérer en peu de temps.

Contrairement à d'autres types de générateurs, la tension de sortie ne change jamais de polarité. La séparation des charges résulte de la force de Lorentz sur les charges libres dans le disque. Le mouvement est azimutal et le champ est axial, donc la force électromotrice est radiale. Les contacts électriques se font généralement par l'intermédiaire d'un « balai » ou d'une bague collectrice , ce qui entraîne des pertes importantes aux basses tensions générées. Certaines de ces pertes peuvent être réduites en utilisant du mercure ou un autre métal ou alliage facilement liquéfié ( gallium , NaK ) comme « balai », pour fournir un contact électrique essentiellement ininterrompu.

Une modification récente suggérée consiste à utiliser un contact plasma alimenté par une flûte de néon à résistance négative touchant le bord du disque ou du tambour, en utilisant du carbone spécialisé à faible travail d'extraction en bandes verticales. Cela aurait l'avantage d'une très faible résistance dans une plage de courant pouvant aller jusqu'à des milliers d'ampères sans le contact de métal liquide.

Si le champ magnétique est fourni par un aimant permanent , le générateur fonctionne indépendamment du fait que l'aimant soit fixé au stator ou tourne avec le disque. Avant la découverte de l' électron et de la loi de la force de Lorentz , le phénomène était inexplicable et était connu sous le nom de paradoxe de Faraday .

Générateur de type tambour

Un générateur homopolaire de type tambour a un champ magnétique (B) qui rayonne radialement depuis le centre du tambour et induit une tension (V) le long du tambour. Un tambour conducteur tourné par le haut dans le champ d'un aimant de type "haut-parleur" qui a un pôle au centre du tambour et l'autre pôle entourant le tambour pourrait utiliser des roulements à billes conducteurs en haut et en bas du tambour pour ramasser le courant généré.

Inducteurs unipolaires astrophysiques

Les inducteurs unipolaires se produisent en astrophysique où un conducteur tourne à travers un champ magnétique, par exemple, le mouvement du plasma hautement conducteur dans l' ionosphère d' un corps cosmique à travers son champ magnétique . Dans leur livre Cosmical Electrodynamics , Hannes Alfvén et Carl-Gunne Fälthammar écrivent :

"Comme les nuages ​​cosmiques de gaz ionisé sont généralement magnétisés, leur mouvement produit des champs électriques induits [..] Par exemple le mouvement du plasma interplanétaire magnétisé produit des champs électriques qui sont essentiels à la production des aurores et des orages magnétiques" [..]
".. la rotation d'un conducteur dans un champ magnétique produit un champ électrique dans le système au repos. Ce phénomène est bien connu des expériences de laboratoire et est généralement appelé induction 'homopolaire' ou 'unipolaire'.

Des inducteurs unipolaires ont été associés aux aurores sur Uranus , aux étoiles binaires , aux trous noirs , aux galaxies , au système Jupiter Io , à la Lune , au vent solaire, aux taches solaires et à la queue magnétique vénusienne .

La physique

Principe de fonctionnement d'un générateur homopolaire : en raison de la force de Lorentz F L les charges négatives sont entraînées vers le centre du disque en rotation, de sorte qu'une tension apparaît entre son centre et son bord, avec le pôle négatif au centre.

Comme tous les dynamos , le disque Faraday convertit l' énergie cinétique à l' énergie électrique . Cette machine peut être analysée en utilisant la loi d' induction électromagnétique de Faraday . Cette loi, dans sa forme moderne, stipule que la dérivée à temps plein du flux magnétique à travers un circuit fermé induit une force électromotrice dans le circuit, qui à son tour entraîne un courant électrique. L' intégrale de surface qui définit le flux magnétique peut être réécrite comme une ligne intégrale autour du circuit. Bien que l'intégrande de l'intégrale de ligne soit indépendante du temps, car le disque de Faraday qui fait partie de la limite de l'intégrale de ligne se déplace, la dérivée à temps plein est non nulle et renvoie la valeur correcte pour le calcul de la force électromotrice. Alternativement, le disque peut être réduit à un anneau conducteur le long de la circonférence du disque avec un seul rayon métallique reliant l'anneau à l'axe.

La loi de force de Lorentz est plus facilement utilisée pour expliquer le comportement de la machine. Cette loi, formulée trente ans après la mort de Faraday, stipule que la force exercée sur un électron est proportionnelle au produit croisé de sa vitesse et du vecteur de flux magnétique . En termes géométriques, cela signifie que la force est perpendiculaire à la fois à la vitesse (azimutale) et au flux magnétique (axial), qui est donc dans une direction radiale. Le mouvement radial des électrons dans le disque produit une séparation de charge entre le centre du disque et son bord, et si le circuit est terminé, un courant électrique sera produit.

Voir également

Les références

Références générales

  • Don Lancaster, " Briser les mythes homopolaires ". Tech Musings, octobre 1997. (PDF)
  • Don Lancaster, " Comprendre le disque de Faraday ". Tech Musings, octobre 1997. (PDF)
  • John David Jackson, Électrodynamique classique , Wiley, 3e éd. 1998, ISBN  0-471-30932-X
  • Arthur I. Miller , " Induction unipolaire : Une étude de cas de l'interaction entre la science et la technologie ", 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 et John Jenkin, (1996) Feu dans le ventre  : les 50 premières années de l'école pionnière à l'ANU Canberra : Research School of Physical Sciences and Engineering, Australian National University. ISBN  0-85800-048-2 . (PDF)
  • Thomas Valone, The Homopolar Handbook : A Definitive Guide to Faraday Disk and N-Machine Technologies . Washington, DC, États-Unis : Integrity Research Institute, 2001. ISBN  0-964107-0-1-5

Lectures complémentaires

  • Richard A. Marshall et William F. Weldon, " Parameter Selection for Homopolar Generators Used as Pulsed Energy Stores ", Center for Electromechanics, University of Texas, Austin, juillet 1980. (également publié dans : Electrical Machines and Electromechanics, 6:109 –127, 1981.)

Liens externes