Unipolarmaschine

Eine Unipolarmaschine (auch als Unipolargenerator, Homopolarmaschine oder Faraday-Generator bezeichnet) ist eine elektrische Maschine in spezieller Ausführung zur Erzeugung eines hohen Gleichstroms mit niedriger Spannung. Die Besonderheit der Unipolarmaschine besteht darin, dass sie mit Hilfe von Unipolarinduktion direkt Gleichstrom generiert. Dagegen erzeugen Gleichstromgeneratoren in der Regel erst mit Hilfe von Kommutatoren (mechanischer Gleichrichter) einen (pulsierenden) Gleichstrom.

Historischer Unipolargenerator, so genannte Faradaysche Scheibe

Die Unipolargeneratoren haben heute nur noch eine geringe praktische Bedeutung, da leistungsfähige Gleichrichter verfügbar sind und der Wirkungsgrad von Wechselspannung liefernden Generatoren wie dem Synchrongenerator oder Asynchrongenerator deutlich höher ist. Unipolargeneratoren waren in der Anfangszeit der Elektrotechnik, vor allem in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts, eine einfache Möglichkeit, geringe, pulsfreie Gleichspannungen bei geringem Generatorinnenwiderstand zu gewinnen. Damals bestand die einzige technische Alternative zur Erzeugung von pulsfreier Gleichspannung in der Verwendung von Batterien oder Akkumulatoren.

Aufbau

Schematischer Aufbau einer Unipolarmaschine
Funktionsprinzip eines Unipolar- oder Homopolar-Generators: aufgrund der Lorentzkraft FL werden die negativen Ladungsträger in Richtung Scheibenmitte gedrängt, so dass sich zwischen ihr und der Peripherie eine elektrische Spannung mit dem Minuspol an der Scheibenmitte aufbaut.

Hauptbestandteil der Unipolarmaschine ist eine drehbar gelagerte Achse, auf der sich eine Scheibe befindet, vorzugsweise aus einem gut elektrisch leitfähigen Material wie Kupfer. Zwei Schleifkontakte, jeweils einer am Rand der Scheibe und einer an der Drehachse, führen die elektrischen Anschlüsse nach außen. Die Anordnung befindet sich in einem konstanten Magnetfeld, welches die Scheibe senkrecht zu ihrer Oberfläche durchsetzt, z. B. von einem Dauermagneten in Hufeisenform. Sie funktioniert damit wie ein Barlowsches Rad im „Umkehrbetrieb“. Bei klassischer Betrachtungsweise scheint die Induktion widersprüchlich zu sein; dieser Umstand wird in Faradays Paradoxon ausgedrückt und führt wie an dem Beispiel der N-Maschine auch heutzutage noch zu Dissens über den genauen Mechanismus. Erst die Zuhilfenahme der Relativitätstheorie und deren Anwendung auf die korrekte Transformation der elektro-magnetischen Felder lösen diesen Widerspruch auf.

Die erzeugte Spannung lässt sich gemäß den Prinzipien der Unipolarinduktion wie folgt berechnen:

mit Ri, Ra als dem Außen- und Innenradius der Scheibe, ω der Kreisfrequenz der Scheibe und B der magnetischen Flussdichte.

Erstmals wurde ein solches Gerät von Michael Faraday im Jahre 1832 gebaut und beschrieben, der „Unipolar Inductor“.

Anwendungen

(c) Deutsches Museum / Klaus Mosch, CC BY-SA 4.0
Unipolarmaschine von Siemens & Halske

Die Anwendung der Unipolarmaschine erstreckt sich heute nur noch auf Spezialgebiete der Technik, da die entnehmbare Spannung (bis ca. 500 V) gering und die Handhabung der hohen Ströme (bis ca. 300 kA) schwierig ist. Anwendungsbeispiele sind vollrunde Rohrverschweißung, militärische Anwendungen wie bei der Railgun und Drehzahlmesser.

Unipolarmaschinen erlebten in den 1950er Jahren eine gewisse Renaissance als Quelle für hohe Impulsleistungen. Diese Maschinen nutzen eine massive Metallplatte, welche als Schwungrad zur Speicherung von Rotationsenergie dient, um aufgrund der sehr niederohmigen Leiteranordnung mit nur geringem Innenwiderstand kurzfristig sehr hohe elektrische Stromimpulse abgeben zu können. Eine solche Anlage wurde von Mark Oliphant an der Australian National University gebaut. Die Scheibe konnte eine Rotationsenergie von 500 MJ speichern und Impulsströme von bis zu 2 MA abgeben, welche von 1962 bis 1986 bei Experimenten mit Synchrotron-Teilchenbeschleunigern verwendet wurden.[1]

N-Maschine

Eine Form der Unipolarmaschine ist die von Bruce de Palma konzipierte und mit N-Maschine bezeichnete Anordnung von zwei axial polarisierten, zylindrischen Permanentmagneten, zwischen denen sich eine Scheibe aus Metall mit möglichst niedrigem spezifischem Widerstand befindet. Bei der Rotation der Anordnung lässt sich eine Gleichspannung zwischen der Achse und der Scheibe zwischen den beiden Magneten nachweisen. Da diese mitrotieren, werden die Feldlinien nach klassischer Vorstellung nicht „geschnitten“, weswegen der Maschine von einigen Rückwirkungsfreiheit unterstellt wurde, sodass angeblich keine mechanische Energie aufgenommen werde.[2] Scheinbar widerspricht diese Beobachtung also dem Induktionsgesetz, was im Faradayschen Paradoxon Ausdruck findet und aufgelöst wird. Die induzierte Spannung lässt sich durch die Relativbewegung der sich drehenden Leiterscheibe und damit des B-Felds zum ruhenden Abnehmerkontakt begründen. Befestigt man nämlich die Messanordnung an der Leiterscheibe und lässt diese mitrotieren, kann keine Spannung mehr nachgewiesen werden[3]. Folglich wird die Energieerhaltung nicht verletzt und es handelt sich dabei nur um ein scheinbares Perpetuum mobile.

Einzelnachweise

  1. J.W. Blamey, P.O. Carden, L.U. Hibbard, E.K. Inall, R.A. Marshall und Mark Oliphant: The large homopolar generator at Canberra: Initial Tests, Nature 195, 1962, S. 113–114.
  2. THE HOME OF PRIMORDIAL ENERGY - Webseite zur N-Maschine (engl.). Archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 8. März 2017; abgerufen am 11. September 2017.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/depalma.pair.com
  3. Die N-Maschine und der Homopolargenerator

Auf dieser Seite verwendete Medien

Homopolar generator principle.png
Autor/Urheber: Qniemiec, Lizenz: CC BY-SA 4.0
Funktionsprinzip von Homopolar-Generatoren
Faraday disk generator.jpg
Drawing of Faraday disk, the first electromagnetic generator, invented by British scientist Michael Faraday in 1831. The copper disk (D) rotated between the poles of a horseshoe shaped magnet (A), creating a potential difference between the axis and rim due to Faraday's law of induction. If an electrical circuit such as a galvanometer was connected between the binding posts (B) and (B') the motion induced a radial flow of current in the disk, from the axle toward the edge. The current flows into the spring contact (m) sliding along the edge of the disk, out of binding post (B') through the external circuit to binding post (B) , and back into the disk through the axle. Turning it in the opposite direction reverses the direction of current. The caption also says that passing a current from a Bunsen cell (battery) through it would cause the disk to turn, making it function as an electric motor. The labeled parts are given in the caption as:
  • (A) inducing magnet
  • (D) induced disk
  • (B) binding-screw for current entering or exiting axis of disk
  • (B') binding-screw for current entering or exiting circumference of disk
  • (m) rubber (sliding spring contact) for edge of disk.

The caption describes it as 'Foucault's and Le Roux's apparatus' so this picture was not drawn from Faraday's original machine, but one owned by Faraday's contemporary French physicist Léon Foucault. The Faraday disk was an inefficient generator because counter-currents flowed back through regions of the disk outside the magnetic field. It was the first homopolar generator

Alterations to image: cropped out caption and list of parts.
Gleichstrom-Unipolar-Maschine.jpg
(c) Deutsches Museum / Klaus Mosch, CC BY-SA 4.0
Gleichstrom-Unipolar-Maschine, Siemens & Halske
  • Inventarnummer: 3579
  • Hersteller: Siemens & Halske
  • Objektmaß (H x B x L/T): 380 x 365 x 410 mm
  • Masse: 116 kg
Faraday disc.jpg
Autor/Urheber: Die Autorenschaft wurde nicht in einer maschinell lesbaren Form angegeben. Es wird Heron2 als Autor angenommen (basierend auf den Rechteinhaber-Angaben)., Lizenz: CC BY-SA 3.0
Cartoonish rendering of a Faraday disc. Drawn using Blender. --Heron2 15:18, 19 August 2006 (UTC)