同極発電機

ホモポーラ発電機は、均一な静磁場に垂直な平面で回転する導電性のディスクまたはシリンダーで構成される直流 発電機です。ディスクの中心と縁（またはシリンダーの端）の間に電位差が生じ、電気の極性は回転方向と磁場の方向に依存します。ユニポーラ発電機、非サイクリック発電機、ディスクダイナモ、ファラデーディスクとも呼ばれます。電圧は通常低く、小型のデモモデルの場合は数ボルト程度ですが、大型の研究用発電機は数百ボルトを生成でき、システムによっては複数の発電機を直列に接続してさらに大きな電圧を生成するものもあります。^[1]ホモポーラ発電機は内部抵抗を非常に低くできるため、100万アンペアを超えるものもある膨大な電流を供給できるという点で珍しいものです。また、ホモポーラ発電機は、整流器や整流子を使用せずに直流を生成できる回転電気機械は他にないという点でも独特です。^[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。彼に敬意を表して、ファラデー ディスクまたはファラデー ホイールと呼ばれることもあります。これが現代のダイナモ、つまり磁場を使用して動作する電気発電機の始まりでした。非常に効率が悪く、実用的な電源としては使用されませんでしたが、磁気を使用して電力を生成する可能性を示し、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 ディスクは、主に電流の逆流が原因で非効率でした。電流は磁石の真下で誘導されますが、磁場の影響のない領域では電流が逆方向に循環します。この逆流により、ピックアップ ワイヤへの電力出力が制限され、銅ディスクの無駄な加熱が誘発されます。後のホモポーラ ジェネレータでは、ディスクの周囲に磁石の配列を配置して円周の周囲に安定した磁場を維持し、逆流が発生する可能性のある領域を排除することで、この問題を解決しました。

オリジナルのファラデーディスクが実用的な発電機として放棄されてからかなり経ってから、磁石とディスクを単一の回転部品 (ローター) に組み合わせた改良版が開発された。この構成は、ホモポーラ発電機という名前で呼ばれることもある。一般的なホモポーラ発電機に関する最も初期の特許の 1 つは、AF デラフィールド (米国特許 278,516)が取得した。ホモポーラ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. バチェラーに別々に与えられた。ニコラ テスラはファラデーディスクに興味を持ち、ホモポーラ発電機の研究を行い、^{[3]最終的に}米国特許 406,968でこの装置の改良版の特許を取得した。テスラの「ダイナモ電気機械」の特許では、2 枚の平行ディスクと別々の平行シャフトが金属ベルトで滑車のように結合された配置について説明されている。各ディスクには、他方のディスクと反対の磁場がかかっていたため、電流は一方のシャフトからディスクの端へ、ベルトを通ってもう一方のディスクの端へ、そして第 2 のシャフトへと流れていた。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インターフェースできるようになり、滑り接触によって生じる摩擦損失が大幅に削減されたはずである。後に、CP シュタインメッツとE. トムソンは、ホモポーラ発電機に関する研究で特許を取得しました。スコットランドの電気技師ジョージ フォーブスが開発したフォーブス ダイナモは、20 世紀初頭に広く使用されました。ホモポーラ発電機の開発の多くは、JE ノエゲラートとR. アイケマイヤーによって特許取得されました。

ホモポーラ発電機は、1950年代にパルス電力貯蔵源として復活を遂げました。これらの装置は、重いディスクをフライホイールの形として使用し、実験装置にすばやく放出できる機械的エネルギーを貯蔵しました。この種の装置の初期の例は、オーストラリア国立大学物理科学工学研究学校のマーク・オリファント卿によって構築されました。最大500メガジュールのエネルギーを貯蔵し^{[4] 、1962年から1986年に解体されるまで、}シンクロトロン実験用の超高電流源として使用されました。オリファントの構造は、最大2メガアンペア（MA）の電流を供給できました。

さらに大きなサイズの同様の装置は、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。同社は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、さまざまな用途の装置を製造してきた。10MJの工業設計は、電気溶接などさまざまな用途に導入された。^{[5] [6]}

この装置は、軸の近くに 1 つの電気接点、周囲の近くにもう 1 つの電気接点を持つ磁場内で回転する導電性 フライホイールで構成されています。溶接、電気分解、レールガン研究などの用途で、低電圧で非常に高い電流を生成するために使用されています。パルス エネルギー アプリケーションでは、ローターの角運動量を使用して長期間にわたってエネルギーを蓄積し、短時間で放出します。

他のタイプの発電機とは対照的に、出力電圧の極性は変わりません。電荷分離は、ディスク内の自由電荷に対する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、起電力は放射状です。電気接点は通常、「ブラシ」またはスリップ リングを介して行われますが、生成される低電圧では大きな損失が発生します。これらの損失の一部は、水銀または他の容易に液化する金属または合金 (ガリウム、NaK ) を「ブラシ」として使用して、基本的に中断のない電気接点を提供することで軽減できます。

永久磁石によって磁場が提供される場合、磁石がステータに固定されているか、ディスクとともに回転しているかに関係なく、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前は、この現象は説明できず、ファラデーのパラドックスとして知られていました。

ドラム型ホモポーラ発電機には、ドラムの中心から放射状に広がる磁場 (B) があり、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 1 つの極があり、ドラムを取り囲むもう 1 つの極がある「スピーカー」タイプの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ある導電性ボール ベアリングを使用して、生成された電流を拾うことができます。

単極インダクタは、導体が磁場内を回転する天体物理学で使用されます。たとえば、宇宙体の電離層にある高伝導性プラズマが磁場内を移動するときなどです。Hannes AlfvénとCarl-Gunne Fälthammarは著書「Cosmical Electrodynamics」で次のように書いています。

「電離ガスの宇宙雲は一般に磁化されているため、その運動によって誘導電場が発生します。[...] たとえば、磁化された惑星間プラズマの運動によって、オーロラや磁気嵐の発生に不可欠な電場が発生します。」[...]

「磁場内での導体の回転は、静止している系に電場を発生させます。この現象は実験室実験でよく知られており、通常は「同極」または「単極」誘導と呼ばれます。」^[7]

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] 太陽黒点、^{[20] [21]}金星の磁気尾^[22]と関連付けられています。

他のダイナモと同様に、ファラデーディスク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使用して分析できます。この法則は、現代の形では、閉回路を通る磁束の全時間微分が回路に起電力を誘導し、それが今度は電流を駆動することを述べています。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ディスクは動いているため、全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、ディスクをディスクの円周に沿った導電性リングに縮小し、リングを車軸に接続する単一の金属スポークを使用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もっと簡単に使えます。ファラデーの死後30年を経て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しています。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、したがって放射状であることを意味します。ディスク内の電子の放射状運動により、ディスクの中心と縁の間に電荷分離が生じ、回路が完成すると電流が発生します。^[26]

• バーロウの車輪
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• ホモポーラモーター
• ファラデーのパラドックス
• ファラデーの電磁誘導の法則
• ウィムズハーストマシン

• ドン・ランカスター、「同極神話を打ち砕く」。Tech Musings、1997 年 10 月。(PDF)
• Don Lancaster、「ファラデーのディスクを理解する」。Tech Musings、1997 年 10 月。(PDF)
• ジョン・デイビッド・ジャクソン著『古典電気力学』、Wiley、第3版、1998年、ISBN 0-471-30932-X 
• Arthur I. Miller、「単極誘導：科学と技術の相互作用に関するケーススタディ」、Annals of Science、第38巻、pp. 155-189（1981年）。
• オリヴィエ・ダリゴル『アンペールからアインシュタインまでの電気力学』オックスフォード大学出版局、2000年、ISBN 0-19-850594-9 
• Trevor Ophel および John Jenkin、(1996) Fire in the belly : the first 50 years of the pastoral school at the ANU Canberra : Research School of Physical Sciences and Engineering、オーストラリア国立大学。ISBN 0-85800-048-2 。 ( PDF) 
• トーマス・ヴァローン著『ホモポーラハンドブック：ファラデーディスクとNマシン技術の決定版ガイド』ワシントンDC、米国：インテグリティリサーチインスティテュート、2001年。ISBN 0-964107-0-1-5 

• Richard A. Marshall および William F. Weldon、「パルスエネルギー貯蔵庫として使用されるホモポーラ発電機のパラメータ選択」、テキサス大学電気機械センター、オースティン、1980 年 7 月。(Electrical Machines and Electromechanics、6:109–127、1981 年にも掲載。)

• Popular Science Monthly、単極ダイナモの構築、1916 年 4 月、pp. 624–626、スキャンされた記事は Google ブックスから入手できます: https://books.google.com/books?id=hCYDAAAAMBAJ&pg=PA624
• Robert Hebner、「ホモポーラ ジェネレータ」。ホモポーラ溶接、UT-CEM。
• 「K2-64: ユニポーラ発電機」。physics.umd.edu。
• Richard E. Berg および Carroll O. Alley、「ユニポーラ発電機: 特殊相対性理論の実証」、メリーランド大学物理学部、2005 年。(PDF)
• Richard Fitzpatrick、「磁気流体力学理論」、ホモポーラ発電機。farside.ph.utexas.edu、2006-02-16。
• 「5K10.80 ホモポーラ発電機; 講義デモンストレーション」。physics.brown.edu
• William J. Beaty、「未試行のホモポーラ発電機実験」。1996 年。