مولد متجانس الأقطاب

المولد أحادي القطب هو مولد كهربائي يعمل بالتيار المستمر، ويتكون من قرص أو أسطوانة موصلة كهربائيًا تدور في مستوى عمودي على مجال مغناطيسي ثابت منتظم . يتولد فرق جهد بين مركز القرص وحافته (أو طرفي الأسطوانة) بقطبية كهربائية تعتمد على اتجاه الدوران واتجاه المجال. يُعرف أيضًا باسم المولد أحادي القطب ، أو المولد غير الدوري ، أو دينامو القرص ، أو قرص فاراداي . يكون الجهد عادةً منخفضًا، في حدود بضعة فولتات في نماذج العرض الصغيرة، لكن مولدات الأبحاث الكبيرة قادرة على إنتاج مئات الفولتات، وتحتوي بعض الأنظمة على عدة مولدات موصولة على التوالي لإنتاج جهد أكبر. ^{[ 1 ]} ما يميز هذه المولدات هو قدرتها على توليد تيار كهربائي هائل، يصل في بعض الأحيان إلى أكثر من مليون أمبير ، وذلك لأن المولد أحادي القطب يتميز بمقاومة داخلية منخفضة للغاية . كما أن المولد أحادي القطب فريد من نوعه، إذ لا توجد آلة كهربائية دوارة أخرى قادرة على إنتاج تيار مستمر دون استخدام مقومات أو مبدلات. ^{[ 2 ]}

طُوِّر أول مولد أحادي القطب على يد مايكل فاراداي خلال تجاربه عام 1831. ويُطلق عليه غالبًا اسم قرص فاراداي أو عجلة فاراداي تكريمًا له. كان هذا المولد بدايةً للمولدات الكهربائية الحديثة ، أي المولدات التي تعمل باستخدام المجال المغناطيسي . ورغم أنه كان غير فعال للغاية ولم يُستخدم كمصدر طاقة عملي، إلا أنه أظهر إمكانية توليد الطاقة الكهربائية باستخدام المغناطيسية، ومهّد الطريق لمولدات التيار المستمر ذات التبديل ، ثم لمولدات التيار المتردد .

كان قرص فاراداي غير فعال بشكل أساسي بسبب التدفقات المعاكسة للتيار. فبينما كان التيار يتدفق مباشرة أسفل المغناطيس، كان التيار يدور عكسيًا في المناطق الواقعة خارج نطاق تأثير المجال المغناطيسي. هذا التدفق المعاكس يحد من الطاقة الخارجة إلى أسلاك الاستقبال، ويؤدي إلى تسخين زائد للقرص النحاسي. لاحقًا، حلت المولدات أحادية القطب هذه المشكلة باستخدام مجموعة من المغناطيسات موزعة حول محيط القرص للحفاظ على مجال مغناطيسي ثابت حول المحيط، والقضاء على المناطق التي قد يحدث فيها التدفق المعاكس.

بعد فترة طويلة من التخلي عن قرص فاراداي الأصلي كمولد عملي، تم تطوير نسخة معدلة تجمع بين المغناطيس والقرص في جزء دوار واحد ( الدوار ). يُطلق أحيانًا على هذا التصميم اسم المولد أحادي القطب . حصل أ. ف. ديلافيلد على إحدى براءات الاختراع الأولى لهذا النوع من المولدات أحادية القطب، وهي براءة الاختراع الأمريكية رقم 278,516 . كما مُنحت براءات اختراع مبكرة أخرى للمولدات أحادية القطب لكل من س. ز. دي فيرانتي وس . باتشيلور بشكل منفصل. كان نيكولا تيسلا مهتمًا بقرص فاراداي، وأجرى أبحاثًا على المولدات أحادية القطب، ^{[ 3 ]} وحصل في النهاية على براءة اختراع لنسخة محسّنة من الجهاز، وهي براءة الاختراع الأمريكية رقم 406,968 . تصف براءة اختراع تيسلا "الآلة الكهربائية الديناميكية" ترتيبًا لقرصين متوازيين مع عمودين متوازيين منفصلين، متصلين مثل البكرات بواسطة حزام معدني. لكل قرص مجال معاكس للآخر، بحيث يكون تدفق التيار من أحد العمودين إلى حافة القرص، عبر الحزام إلى حافة القرص الآخر، ثم إلى العمود الثاني. كان من شأن ذلك أن يقلل بشكل كبير من فقدان الطاقة الناتج عن الاحتكاك بسبب التلامس الانزلاقي، وذلك بالسماح لكلا اللاقطين الكهربائيين بالتفاعل مع محاور القرصين بدلاً من التفاعل مع المحور وحافة عالية السرعة. لاحقًا، مُنحت براءات اختراع لكل من سي بي شتاينميتز وإي . طومسون لعملهما في مجال المولدات أحادية القطب. وكان دينامو فوربس ، الذي طوره المهندس الكهربائي الاسكتلندي جورج فوربس ، واسع الانتشار في مطلع القرن العشرين. وقد حصل جيه إي نوغيراث وآر . إيكماير على براءات اختراع لجزء كبير من التطوير الذي أُجري في مجال المولدات أحادية القطب.

شهدت مولدات الطاقة أحادية القطب نهضةً في خمسينيات القرن العشرين كمصدر لتخزين الطاقة النبضية. استخدمت هذه الأجهزة أقراصًا ثقيلة كنوع من دولاب الموازنة لتخزين الطاقة الميكانيكية التي يمكن تفريغها بسرعة في جهاز تجريبي. أحد الأمثلة المبكرة لهذا النوع من الأجهزة بناه السير مارك أوليفانت في كلية البحوث للعلوم الفيزيائية والهندسية بالجامعة الوطنية الأسترالية . خزّن هذا الجهاز ما يصل إلى 500 ميغا جول من الطاقة ^{[ 4 ]} ، واستُخدم كمصدر تيار عالي للغاية لتجارب السنكروترون من عام 1962 حتى تفكيكه عام 1986. كان تصميم أوليفانت قادرًا على توفير تيارات تصل إلى 2 ميغا أمبير.

تقوم شركة باركر كينيتك ديزاينز (المعروفة سابقًا باسم أويم للأبحاث والتطوير) في أوستن بتصميم وبناء أجهزة مماثلة ذات أحجام أكبر. وقد أنتجت الشركة أجهزةً لأغراض متنوعة، بدءًا من تشغيل المدافع الكهرومغناطيسية وصولًا إلى المحركات الخطية (لإطلاق المركبات الفضائية) ووصولًا إلى تصميمات أسلحة مختلفة. كما طُرحت تصاميم صناعية بقدرة 10 ميغا جول لأغراض متعددة، بما في ذلك اللحام الكهربائي. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

تظهر المحاثات أحادية القطب في الفيزياء الفلكية عندما يدور موصل عبر مجال مغناطيسي، على سبيل المثال، حركة البلازما عالية التوصيل في الغلاف الأيوني لجسم كوني عبر مجاله المغناطيسي . في كتابهما " الديناميكا الكهربائية الكونية" ، كتب هانز ألفين وكارل - غون فالتهامر :

"بما أن السحب الكونية من الغاز المتأين ممغنطة بشكل عام، فإن حركتها تنتج مجالات كهربائية مستحثة [...] على سبيل المثال، تنتج حركة البلازما بين الكواكب الممغنطة مجالات كهربائية ضرورية لتكوين الشفق القطبي والعواصف المغناطيسية" [...]

"...يؤدي دوران موصل في مجال مغناطيسي إلى توليد مجال كهربائي في النظام الساكن. هذه الظاهرة معروفة جيدًا من التجارب المختبرية وتسمى عادةً بالحث "أحادي القطب" أو "أحادي القطب". ^{[ 7 ]}

تم ربط المحاثات أحادية القطب بالشفق القطبي على كوكب أورانوس ، ^{[ 8 ]} والنجوم الثنائية ، ^{[ 9 ] [ 10 ]} والثقوب السوداء ، ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} والمجرات ، ^{[ 14 ]} ونظام آيو لكوكب المشتري ، ^{[ 15 ] [ 16 ]} والقمر ، ^{[ 17 ] [ 18 ]} والرياح الشمسية، ^{[ 19 ]} والبقع الشمسية ، ^{[ 20 ] [ 21 ]} وفي الذيل المغناطيسي لكوكب الزهرة . ^{[ 22 ]}

كغيرها من الديناموهات ، يحوّل قرص فاراداي الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية . ويمكن تحليل هذه الآلة باستخدام قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي . ينص هذا القانون، بصيغته الحديثة، على أن المشتق الزمني الكامل للتدفق المغناطيسي عبر دائرة مغلقة يُولّد قوة دافعة كهربائية في الدائرة، والتي بدورها تُولّد تيارًا كهربائيًا. ويمكن إعادة كتابة التكامل السطحي الذي يُحدد التدفق المغناطيسي كتكامل خطي حول الدائرة. ورغم أن دالة التكامل الخطي مستقلة عن الزمن، إلا أن المشتق الزمني الكامل لا يساوي الصفر، ويعطي القيمة الصحيحة لحساب القوة الدافعة الكهربائية، وذلك لأن قرص فاراداي الذي يُشكّل جزءًا من حدود التكامل الخطي يتحرك. ^{[ 23 ] [ 24 ]} وبدلاً من ذلك، يمكن اختزال القرص إلى حلقة موصلة على محيطه، مع وجود شعاع معدني واحد يربط الحلقة بالمحور. ^{[ 25 ]}

يُستخدم قانون لورنتز لتفسير سلوك الجهاز بسهولة أكبر. ينص هذا القانون، الذي صيغ بعد ثلاثين عامًا من وفاة فاراداي، على أن القوة المؤثرة على الإلكترون تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب سرعته في متجه التدفق المغناطيسي . هندسيًا، يعني هذا أن القوة عمودية على كل من السرعة (اتجاه سمتي) والتدفق المغناطيسي (اتجاه محوري)، وبالتالي يكون اتجاهها شعاعيًا. تُنتج الحركة الشعاعية للإلكترونات في القرص فصلًا للشحنات بين مركز القرص وحافته، وإذا اكتملت الدائرة، سيتولد تيار كهربائي. ^{[ 26 ]}

• عجلة بارلو
• مولد كهربائي
• محرك كهربائي
• محرك أحادي القطب
• مفارقة فاراداي
• قانون فاراداي للاستقراء
• آلة ويمشورست

• مجلة العلوم الشعبية الشهرية، بناء مولدات أحادية القطب ، أبريل 1916، الصفحات  624-626 ، نسخة ممسوحة ضوئيًا من المقال متاحة عبر كتب جوجل: https://books.google.com/books?id=hCYDAAAAMBAJ&pg=PA624
• روبرت هيبنر، " المولد أحادي القطب ". اللحام أحادي القطب، UT-CEM.
• " K2-64: مولد أحادي القطب ". physics.umd.edu.
• ريتشارد إي. بيرج وكارول أو. آلي، " المولد أحادي القطب: عرض توضيحي للنسبية الخاصة "، قسم الفيزياء، جامعة ميريلاند، 2005. (PDF)
• ريتشارد فيتزباتريك، " نظرية المغناطيسية المائية "، مولد الأقطاب المتجانسة . farside.ph.utexas.edu، 16-02-2006.
• " مولد أحادي القطب 5K10.80 ؛ عروض توضيحية في المحاضرات. " physics.brown.edu
• ويليام ج. بيتي، " تجارب مولدات أحادية القطب غير مجربة ". 1996.