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2025-05-28T07:38:33Z

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Eine '''Unipolarmaschine''' (auch als '''Unipolargenerator''', '''Homopolarmaschine''' oder '''Faraday-Generator''' bezeichnet) ist eine [[elektrische Maschine]] in spezieller Ausführung zur Erzeugung eines hohen [[Gleichstrom]]s mit niedriger [[Elektrische Spannung|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 [[Kommutator (Elektrotechnik)|Kommutatoren]] (mechanischer Gleichrichter) einen (pulsierenden) Gleichstrom.

[[Datei:Faraday disk generator.jpg|mini|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 [[Batterie (Elektrotechnik)|Batterie]]n oder [[Akkumulator]]en.

== Aufbau ==
[[Datei:Faraday disc.jpg|mini|Schematischer Aufbau einer Unipolarmaschine]]
[[Bild:Homopolar generator principle.png|mini|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 [[Gleitkontakt|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 [[Dauermagnet]]en in [[Hufeisenform]]. Sie funktioniert damit wie ein [[Barlow-Rad|Barlowsches Rad]] im „Umkehrbetrieb“. Bei klassischer Betrachtungsweise scheint die Induktion widersprüchlich zu sein; dieser Umstand wird in [[Faradaysches Paradoxon|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 [[spezielle Relativitätstheorie|Relativitätstheorie]] und deren Anwendung auf die korrekte Transformation der [[Elektrodynamik|elektro-magnetischen Felder]] lösen diesen Widerspruch auf.

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

:<math>U_i=\int_{R_i}^{R_a} \omega r B \, \mathrm dr = \frac{1}{2} \omega B (R_a^2-R_i^2)</math>

mit ''R''i, ''R''a als dem Außen- und Innenradius der Scheibe, ''ω'' der [[Kreisfrequenz]] der Scheibe und ''B'' der [[magnetische Flussdichte|magnetischen Flussdichte]].

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

== Anwendungen ==
[[Datei:Gleichstrom-Unipolar-Maschine.jpg|thumb|right|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 [[Drehzahl]]messer.

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 [[elektrischer Strom|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 [[Joule|MJ]] speichern und Impulsströme von bis zu 2 [[Ampere (Einheit)|MA]] abgeben, welche von 1962 bis 1986 bei Experimenten mit [[Synchrotron|Synchrotron-Teilchenbeschleunigern]] verwendet wurden.<ref>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.</ref>

== 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.<ref>{{Internetquelle | url = http://depalma.pair.com/index.html | titel = THE HOME OF PRIMORDIAL ENERGY - Webseite zur N-Maschine (engl.) | zugriff = 2017-09-11 | offline = ja | archiv-url = https://web.archive.org/web/20170308171423/http://www.depalma.pair.com/index.html | archiv-datum = 2017-03-08 | archiv-bot = 2019-05-20 09:28:53 InternetArchiveBot }}</ref> Scheinbar widerspricht diese Beobachtung also dem [[Induktionsgesetz]], was im [[Faradaysches Paradoxon|Faradayschen Paradoxon]] Ausdruck findet und aufgelöst wird. Die induzierte Spannung lässt sich durch die [[Bewegung (Physik)#Relativität der Bewegung|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<ref>[http://www.borderlands.de/projects.n-machine.php3 Die N-Maschine und der Homopolargenerator]</ref>. Folglich wird die [[Energieerhaltung]] nicht verletzt und es handelt sich dabei nur um ein [[Perpetuum mobile#Schein-Perpetuum-mobile|scheinbares Perpetuum mobile.]]

== Weblinks ==
* [http://www.supermagnete.de/docs/elektromotor.pdf Der einfachste Elektromotor der Welt] (PDF-Datei; 289 kB)
* {{Webarchiv | url=http://www.physics.umd.edu/lecdem/outreach/QOTW/arch11/a218.htm | wayback=20060511103521 | text=Answer #218}}
* {{Webarchiv | url=http://www.sax.de/~stalker/borderland/energy.n-machine.html | wayback=19990921225918 | text=N-Maschinen und Homopolargeneratoren}}
* {{Webarchiv | url=http://www.omninet.co.jp/workshop/essay/DEPALMA.HTM | wayback=20011230104723 | text=dePalma's N machine}}
* {{Literatur | Autor=T. Schneider | Titel=Die Unipolarmaschine zweiter Art | Datum=2015-02-09| URN=nbn:de:101:1-2015020917870 | Ort=Deutsche Nationalbibliothek | Sprache=de}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektrische Maschine]]

Unipolarmaschine - Versionsgeschichte

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