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単極発電機は、均一な静磁場に垂直な平面内で回転する導電性の円盤または円筒で構成される直流発電機です。円盤の中心とリム（または円筒の両端）の間に電位差が生じ、その極性は回転方向と磁場の向きに依存します。単極発電機、非周期発電機、ディスクダイナモ、またはファラデーディスクとも呼ばれます。電圧は通常低く、小型のデモンストレーションモデルでは数ボルト程度ですが、大型の研究用発電機では数百ボルトを生成でき、さらに大きな電圧を生成するために複数の発電機を直列に接続したシステムもあります。[ 1 ]単極発電機は内部抵抗を非常に低くすることができるため、100万アンペアを超えるものも含め、膨大な電流を供給できるという点で特異です。また、整流器や整流子を使用せずに直流を生成できる回転式電気機械は他にないという点でも、単極発電機は独特です。[ 2 ]
最初の単極発電機は、マイケル・ファラデーが1831年の実験中に開発しました。彼の功績を称え、ファラデー円盤またはファラデーホイールと呼ばれることがよくあります。これは、磁場を利用して動作する電気発電機である現代のダイナモの始まりでした。効率は非常に悪く、実用的な電源としては使用されませんでしたが、磁気を利用して発電できる可能性を示し、整流式直流ダイナモ、そして交流発電機への道を開きました。
ファラデー円盤の効率が悪かった主な原因は、電流の逆流でした。磁石の真下では電流が流れますが、磁場の影響を受けない領域では電流が逆方向に循環してしまうのです。この逆流によって集電線への電力出力が制限され、銅円盤の無駄な発熱も発生していました。後の単極発電機では、円盤の周囲に磁石のアレイを配置することで、円周全体に安定した磁場を維持し、逆流が発生する領域を排除することで、この問題を解決しました。
ファラデー円盤が実用的な発電機として放棄されてからずっと後、磁石と円盤を単一の回転部分（ローター）に組み合わせた改良版が開発されました。この構成には、同極発電機という名称が付けられることがあります。同極発電機の一般的なタイプに関する初期の特許の 1 つは、AF デラフィールドによって取得された米国特許第 278,516 号です。同極発電機に関するその他の初期の特許は、SZ デ・フェランティとC. バチェラーにそれぞれ付与されました。ニコラ・テスラはファラデー円盤に興味を持ち、同極発電機の研究を行い、[ 3 ]最終的に改良版の装置を米国特許第 406,968 号で特許しました。テスラの「ダイナモ電気機械」特許は、2 つの平行な円盤と、プーリーのように金属ベルトで接続された別々の平行なシャフトの配置について説明しています。各ディスクには互いに逆の磁場があり、電流の流れは一方のシャフトからディスクの端へ、ベルトを横切ってもう一方のディスクの端へ、そして2番目のシャフトへと流れた。これにより、両方の電気ピックアップがシャフトと高速リムではなく、2つのディスクのシャフトと接触するようになり、摺動接触による摩擦損失が大幅に減少した。後に、CP SteinmetzとE. Thomsonは、同極発電機に関する研究で特許を取得した。スコットランドの電気技師George Forbesによって開発されたForbesダイナモは、20世紀初頭に広く使用された。同極発電機の開発の多くは、JE NoeggerathとR. Eickemeyerによって特許取得された。
単極発電機は、パルス電力貯蔵源として 1950 年代に復活を遂げた。これらの装置は、フライホイールの一種として重いディスクを使用して、実験装置に素早く供給できる機械エネルギーを蓄積した。この種の装置の初期の例は、オーストラリア国立大学(ANU)物理科学工学研究科のサー・マーク・オリファントによって作られた。これは最大 500メガジュールのエネルギーを蓄積し[ 4 ] 、1962 年にシンクロトロン実験用の超高電流源として使用され、1986 年に解体された。オリファントの構造は、最大 2メガアンペア(MA) の電流を供給することができた。
さらに大型の同様のデバイスは、オースティンのパーカー・キネティック・デザインズ（旧OIMEリサーチ＆デベロップメント）によって設計・製造されている。レールガンの動力源からリニアモーター（宇宙打ち上げ用）、さまざまな兵器設計まで、さまざまな用途のデバイスを製造してきた。10 MJの工業用設計は、電気溶接を含むさまざまな用途向けに導入された。[ 5 ] [ 6 ]
この装置は、磁場中で回転する導電性フライホイールで構成されており、一方の電気接点は軸付近に、もう一方の電気接点は外周付近に配置されています。溶接、電気分解、レールガン研究などの用途において、低電圧で非常に大きな電流を生成するために使用されてきました。パルスエネルギー用途では、ローターの角運動量を利用して長期間にわたってエネルギーを蓄積し、それを短時間で放出します。
他のタイプの発電機とは異なり、出力電圧の極性は変化しません。電荷分離は、ディスク内の自由電荷に働くローレンツ力によって生じます。運動は方位角方向で、磁場は軸方向であるため、起電力は半径方向になります。電気接点は通常、「ブラシ」またはスリップリングを介して形成されますが、これにより低電圧発生時に大きな損失が生じます。これらの損失の一部は、 「ブラシ」として水銀やその他の容易に液化する金属または合金（ガリウム、NaKなど）を使用することで低減でき、実質的に途切れることのない電気接点を提供できます。
永久磁石によって磁場が生成される場合、磁石が固定子に固定されているか、ディスクと共に回転するかに関わらず、発電機は動作します。電子とローレンツ力の法則が発見される以前は、この現象は説明がつかず、ファラデーのパラドックスとして知られていました。
ドラム型単極発電機は、ドラムの中心から放射状に広がる磁場（B）を持ち、ドラムの長さに沿って電圧（V）を誘導します。ドラムの中心に一方の極があり、もう一方の極がドラムを囲む「スピーカー」型磁石の磁場内で上から回転する導電性ドラムは、ドラムの上部と下部に導電性ボールベアリングを使用して発生した電流を拾うことができます。
単極インダクタは、導体が磁場の中を回転する天体物理学の分野で発生する。例えば、宇宙天体の電離層にある高導電性プラズマがその磁場の中を移動する場合などである。ハンネス・アルヴェーンとカール＝グンネ・フェルタマーは著書『宇宙電気力学』の中で次のように述べている。
単極インダクタは、天王星のオーロラ[ 8 ] 、連星[ 9 ] [ 10 ] 、ブラックホール[ 11 ] [12 ] [ 13 ] 、銀河[ 14 ] 、木星イオ系[ 15 ] [ 16 ]、月[ 17 ] [ 18 ] 、太陽風[ 19 ]、黒点[ 20 ] [ 21 ] 、金星の磁気尾[ 22 ]などに関連付けられています。
すべてのダイナモと同様に、ファラデー円盤は運動エネルギーを電気エネルギーに変換します。この機械は、ファラデー自身の電磁誘導の法則を用いて解析できます。この法則は、現代の形では、閉回路を通過する磁束の完全な時間微分が回路に起電力を誘導し、それが電流を駆動すると述べています。磁束を定義する面積分は、回路の周りの線積分として書き直すことができます。線積分の被積分関数は時間に依存しませんが、線積分の境界の一部を形成するファラデー円盤が動いているため、完全な時間微分はゼロではなく、起電力を計算するための正しい値を返します。[ 23 ] [ 24 ]あるいは、円盤は、円盤の円周に沿って導電性のリングと、そのリングを車軸に接続する1本の金属スポークに縮小することもできます。[ 25 ]
ローレンツ力の法則は、この機械の挙動を説明するのに最も容易に使用できる。ファラデーの死後30年後に定式化されたこの法則は、電子に働く力は、その速度と磁束ベクトルの外積に比例すると述べている。幾何学的に言えば、これは力が速度（方位角）と磁束（軸方向）の両方に直角であり、したがって半径方向であることを意味する。ディスク内の電子の半径方向の動きは、ディスクの中心とその縁の間に電荷分離を生み出し、回路が完成すると電流が発生する。[ 26 ]