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Tesla, da un articolo scritto per l'assistente tecnico elettrotecnico nel 1891,nota denominata
" La dinamo unipolare."
Qui Tesla presenta un'analisi approfondita del generatore a disco di Faraday, spiega perchè era un generatore inefficiente, descrive le sue varianti migliorative sulla macchina di Faraday e, in calce alla terza pagina dell'articolo, dichiara che ha inventato un ageneratore in cui "la corrente, una volta iniziata, può allora essere sufficiente da mantenersi da sola perfino all' aumentare della resistenza". Allora, alla fine dell'articolo, dichiara che "parecchie macchine... sono state costruite dal produttore e che vanno da due anni". Due anni prima della scrittura di quell'articolo era 1889. Tutti i punti evidenziano la prova di una dinamo unipolare sul modello di turbina essendo di Tesla, in primo luogo, il progetto di una macchina che può continuare a produrre elettricità dopo il distacco da una fonte esterna di alimentazione.
CORRENTE SELF-SUSTAINING
Prima di entrare nei particolari di questa invenzione sarebbe interessante avere un'idea di come tutto il generatore, anche nella teoria, potrebbe essere capace di produrre una corrente self-sustaining. Ciò è stato spiegato chiaramente da Walter M. Elsasser in un articolo sullo scientific-american (maggio 1958) denominato "la terra come dinamo."
Elsasser modella la terra-dinamo, convenientemente per questa spiegazione, sul generatore di Faraday, come un disco di metallo che ruota sopra una barra magnetica disposta sul bordo del disco. Nota anche, che la barra magnetica potrebbe essere sostituita da un elettromagnete in grado di ottenere la relativa alimentazione dal disco rotante, collegando un filo dell'elettromagnete alla parte esterna del disco e l'altro filo all'asse metallico che attraversa il centro del disco.
Elsasser allora precisa che un generatore ordinario a disco "non potrebbe mantenere una corrente molto a lungo perché la corrente indotta nel disco è così debole che presto sarebbe dissipata dalla resistenza del conduttore [il disco]". Questa disposizione convenzionale non spiegherebbe "come le correnti potrebbero essere sviluppate e perpetuate per effettuare il campo magnetico della terra" benchè proponga tre opzioni del modello della dinamo che spiegherebbero la persistenza del magnetismo terrestre.
Se avessimo un materiale che potesse condurre l'elettricità mille volte migliore del rame, il sistema effettivamente renderebbe una corrente self-sustaining. Potremmo anche rendere fattibile questo
lavoro rotando il disco molto veloce... un terza possibilità per rendere una tal dinamo self-sustaining sarebbe aumentare il formato del sistema: la teoria dice che più grande facciamo una tal dinamo, meglio funzionerà. Se potessimo costruire un'apparecchiatura rotante a disco di questo genere in scala di molte miglia, non avremmo difficoltà rendere le correnti self-sustaining.
Tesla non ha avuto un materiale mille volte più conduttivo del rame, nè era in grado di rotare un disco a velocità ultraelevate necessarie per produrre una tal corrente, nè progettò di usare un disco metallico rotante parecchie miglia di diametro. Tesla sapeva che doveva usare l'energia solitamente sprecata in un generatore per trasformarla in una fonte di alimentazione.
DINAMO UNIPOLARE
Il disegno di Tesla varia da quello di Faraday in due forme importanti. In primo luogo, ha utilizzato un magnete che era più grande del diametro del disco in modo che il magnete coprisse completamente il disco. In secondo luogo, ha diviso il disco in sezioni con curve a spirale che si irradiano dal centro verso il bordo esterno.
Nel generatore unipolare di Faraday, nota Tesla, la corrente non potrà mai arrivare interamente al circuito esterno... e... la parte di gran lunga più grande della corrente generata non comparirà esternamente... non avendo la completa copertura magnetica del disco.
Tesla ha usato la superficie del disco intera nella generazione di corrente anziché soltanto una piccola sezione direttamente adiacente alla barra magnetica, come accaduto nel dispositivo del Faraday. Ciò aumenta non soltanto la quantità di corrente generata, ma sarà tutta trasferita dal centro al bordo esterno del disco rendendola disponibile al circuito esterno.
La più importante tra le modifiche fatte da Tesla al disegno di Faraday è quella che ha eliminato uno dei problemi più grandi nel mondo della fisica [ la reazione ad ogni azione]. È questa reazione che lavora per annullare la forza generata dall'azione originale. In un sistema elettrico se ci sono due girate di filo avvolte di seguito e una corrente è trasmessa attraverso il filo, il passaggio di corrente attraverso il primo loop installerà un campo magnetico che lavorerà contro il passaggio di corrente che attraversa il secondo loop.
Le divisioni in sezioni a spirale nel disco inducono la corrente ad attraversare il raggio completo del disco o, come nella sua versione alternativa del generatore, la corrente è costretta a fare un giro completo intorno al bordo esterno del disco. Poiché la corrente sta entrando in un grande cerchio sul bordo del disco, il campo magnetico generato dalla corrente non funziona contro il magnete di campo sopra la piastra circolare, come nei generatori convenzionali, ma realmente rinforza il magnete. Il disco taglia le linee magnetiche per produrre una corrente, la corrente che si stacca dal disco rinforza il magnete, permettendo una produzione maggiore di corrente.
Come i generatori convenzionali di corrente continua, la dinamo unipolare inoltre funziona come motore se la corrente è collegata al disco e questo sembra essere l'ultimo elemento che potrebbe rendere il dispositivo self-sustaining, cioè, capace di generare corrente dopo il distacco da una fonte esterna di alimentazione.
La rotazione è iniziata per esempio da un motore alimentato da corrente di linea. Sia un disco generatore che un disco motore sono montati nella recinzione magnetica. Poichè i dischi guadagnano velocità, la corrente prodotta rinforza i magneti, ciò causa la generazione di più corrente. La corrente probabilmente è in primo luogo diretta verso il disco motore che aumenta la velocità del sistema. A un certo punto la velocità dei due dischi è abbastanza grande che il campo magnetico generato dalla corrente bilancia la resistenza del dynamotore che va da sè.
Si possono fare delle ipotesi su quale sia il processo che potrebbe mantenere la dinamo unipolare funzionante dopo lo start-up di alimentazione, comunque due caratteristiche del generatore sono significative. In primo luogo, quando un carico resistivo, come una lampadina è aggiunto al circuito, si abbassa la tensione al centro del disco. Questa tensione più bassa al centro, significa che c'è una differenza più grande nella tensione fra il centro ed il bordo esterno del disco rispetto a prima che la lampadina fosse stata aggiunta. Mentre la differenza fra il centro e la parte esterna aumenta, la dinamo incrementa e rende più corrente. In secondo luogo, tuttavia, la cosa più importante è che la dinamo perde pochissimo, o nessun'energia va di conserva perché la corrente che si stacca dal generatore sta facendo un doppio lavoro. La corrente fa emettere luce alla lampadina, ma sulla relativa direzione dal generatore al filamento nella lampadina, attraversa un percorso che aggiunge una quantità di moto alla dinamo e, pertanto, il consumo di energia è ad un tasso molto basso.
Il processo continua, esso sembrerebbe, fino a che le perdite di calore nel filamento non siano uguali all'energia di rotazione del volano del generatore. In termini di test di verifica di Elsasser per un generatore self-sustaining, la dinamo unipolar di Tesla si avvicina a soddisfare la condizione di un conduttore elettrico migliore. Non si tratta di usare nuovi materiali, ma di una nuova geometria applicata in modo che la corrente non generi le relative proprie forze avversarie. Ciò è simile, ma non equivalente, ad avere un conduttore migliore.
Che sia o no una dinamo "fuelless" questo generatore in effetti sembra essere un'abile invenzione di ingegneria che prende uno dei principi di base della natura, una uguale ed opposta reazione per ogni azione e la gira, tramite l'uso di una nuova geometria del circuito, in una reazione che è cumulativa all'azione originale. Anziché la reazione opposta che rallenta il sistema che l' ha generata, le reazioni aggiungono energia al sistema.
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