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 F_L 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:

$U_{i}=\int _{R_{i}}^{R_{a}}\omega rB\,\mathrm {d} r={\frac {1}{2}}\omega B(R_{a}^{2}-R_{i}^{2})$

mit R_i, R_a 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

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.

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. 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. Folglich wird die Energieerhaltung nicht verletzt und es handelt sich dabei nur um ein scheinbares Perpetuum mobile.

Weblinks

• Der einfachste Elektromotor der Welt (PDF-Datei; 289 kB)
• Answer #218 (Memento vom 11. Mai 2006 im Internet Archive)
• N-Maschinen und Homopolargeneratoren (Memento vom 21. September 1999 im Internet Archive)
• dePalma's N machine (Memento vom 30. Dezember 2001 im Internet Archive)
• T. Schneider: Die Unipolarmaschine zweiter Art. Deutsche Nationalbibliothek 9. Februar 2015, urn:nbn:de:101:1-2015020917870.