Dysk Faradaya

Zanim powstała znana nam współcześnie prądnica, wczesne konstrukcje znacząco odbiegały od tego, co dzisiaj rozumiemy pod tym pojęciem. I choć współcześnie rozróżniamy wiele typów prądnic, chociażby ze względu na rodzaj prądu – stałego i zmiennego, to ówcześnie nie było to tak proste. Głównym źródłem energii były ogniwa chemiczne oraz maszyny elektrostatyczne. Jednakże w 1831 roku, sam odkrywca indukcji elektromagnetycznej, skonstruował swój własny prototyp urządzenia, które moglibyśmy określić mianem prądnicy. Dysk Faradaya, nazywany także tarczą Faradaya jest prostym generatorem biegunowym. W tym artykule przyjrzymy się tej historycznej konstrukcji.

Dysk Faradaya - konstrukcja i działanie

Tarcza Faradaya składała się z dysku wykonanego za pomocą przewodnika prądu elektrycznego, który był umieszczony w prostopadłym i stałym do płaszczyzny dysku polu magnetycznym. Było ono wytwarzane przez magnesy. W trakcie obrotu dysku, między jego środkiem i zewnętrzną częścią dysku powstaje siła elektromotoryczna. Dzięki powstaniu tego napięcia płynie prąd, który jest odbierany przez szczotki. Jedne szczotki są podłączone do obwodu dysku, a drugie do jego powierzchni. Konstrukcja ta była pierwszą prądnicą prądu stałego, która na dodatek dawała możliwość odwracalności pracy – czyli mogła pracować jako silnik elektryczny prądu stałego. Siła elektromagnetyczna w dysku może być tłumaczona przez szereg zjawisk związanych z fizyką i elektrycznością. Są to siła Lorentza, zjawisko i siła indukcji elektromagnetycznej, a nawet szczególna teoria względności.

Co ciekawe sam Nikola Tesla usiłował przebudować jednobiegunową prądnicę Faradaya na urządzenie, które mogłoby produkować energię elektryczną bez napędu. Sądził on, że wystarczy zmniejszyć opory i zmienić kierunek momentu hamującego podczas przepływu prądu, aby urządzenie raz wprawione w ruch mogło pracować bez zasilania. Jego badania doprowadziły do nadania mu patentu na maszynę dynamoelektryczną, którą skonstruował, opierając się na pomyśle Faradaya. Udoskonalił on ją pod względem wydajności poprzez zmniejszenie oporu i odwrócenie momentu napędowego. Niestety jego prace obarczone były błędami. Czas, w którym powstała jego konstrukcja – rok 1889 to wczesny rozwój elektrotechniki i jak na ówczesne możliwości wszystko się zgadzało. Dzisiaj wiemy, że metoda indukcji elektromagnetycznej nie pozwala na uzyskanie energii elektrycznej bez dostarczenia innego jej rodzaju.

dysk Faradaya - wpływ na konstrukcję prądnic

Tesla nie był jedynym naśladowcą Faradaya, a na bazie jego konstrukcji powstało wiele kolejnych, udoskonalonych prądnic, które doprowadziły do wyodrębnienia się ich współczesnej formy. Sama konstrukcja Faradaya była jednak mało efektywna. W rejonach poza strumieniem magnetycznym od magnesu stałego powstają prądy, które płynął w kierunku przeciwnym do porządnego. Ograniczają one moc wyjściową, jaka może być pobrana z dysku. Są również przyczyną podwyższania się temperatury. W późniejszych generatorach homopolarnych udało się rozwiązać ten problem poprzez użycie macierzy magnesów stałych, które były rozmieszczone wokół obwodu w taki sposób, aby ustabilizować kierunek przepływu prądu.