Caracterización electromagnética de un dínamo de disco con contactos de metal líquido

Abstract

RESUMEN: Se presenta un estudio teórico y experimental de un prototipo de dínamo de disco homopolar con contactos eléctricos deslizantes de metal líquido, diseñado para generar un campo magnético auto-sostenible. El dispositivo está compuesto por una bobina de cobre estacionaria ranurada con espirales logarítmicas, un disco de cobre sólido que rota sobre su eje y contactos eléctricos deslizantes de metal líquido (Galinstan), que conectan el eje y borde del disco con la bobina. Estos contactos son diseñados para reducir las pérdidas por resistencia óhmica. Para una velocidad de rotación suficientemente alta, el voltaje inducido por el movimiento del disco en un campo magnético inicial, puede superar la caída de tensión debido a la resistencia eléctrica del sistema, produciendo el crecimiento exponencial de la corriente y por lo tanto la amplificación del campo magnético asociado. El estudio teórico contempla otras configuraciones de diseño del dínamo: contactos eléctricos deslizantes con mercurio, disco y/o bobina construidos de material ferromagnético y disco rotante ranurado en espirales logarítmicas. También se realizó el cálculo del torque y potencia eléctrica necesarios para lograr las rotaciones críticas del disco, utilizando correlaciones para el flujo de Taylor-Couette turbulento. Se realizó el control de las rotaciones del disco y se instrumentó el dispositivo para realizar las mediciones de campo magnético y diferencia de potencial inducidos en la bobina hasta velocidades sub-críticas de rotación. Los resultados muestran que para este régimen de rotación el dispositivo se comporta como un dínamo de disco de Faraday. ABSTRACT: This dissertation presents the theoretical and experimental study of a homopolar disc dynamo with sliding electrical contacts of liquid metal (Galinstan) designed to generate a self-sustained magnetic field. The setup consists of a stationary coil made of a copper disc sectioned by spiral slits and a fast-spinning copper disc placed beneath it, which is electrically connected to the former by the sliding contacts. The electrical contact occurs when the liquid metal is vertically held between the rims of the disc and the coil by the centrifugal force. For a sufficiently high rotation rate, the voltage induced by the rotation of the disc in the magnetic field generated by an initial current perturbation, can exceed the voltage drop due to the ohmic resistance. At this point the initial perturbation starts to grow exponentially, leading to the self-excitation of the current and its associated magnetic field. In the theoretical study, other configurations of the dynamo are proposed: sliding electrical contacts of mercury, disc and/or coil made of ferromagnetic material and disc slotted with logarithmic spirals. The viscous power losses associated with the turbulent drag acting on the outer sliding contact were estimated by using correlations for turbulent Taylor-Couette flow. The experiment was instrumented for measuring the induced magnetic field and the electric potential difference in the coil, and the control of the disc rotation was performed by using a variable frequency drive (VFD). In this project the measurements were performed only at sub-critical rotation rates, showing that for this rotation regime the device works like a Faraday disc dynamo.