Magnet yang berputar

Hampir setiap stesen jana kuasa besar, tanpa mengira bahan apinya, melakukan satu tugas pada penghujung rantaian: ia memutarkan penjana. Stim memutarkan turbin di loji arang batu, gas atau nuklear. Air yang jatuh memutarkan turbin di loji hidro. Angin memutarkan rotor pada turbin angin. Penjana menukarkan putaran itu kepada arus elektrik.

Satu-satunya pengecualian besar di pulau ini ialah panel solar. Panel itu menghasilkan elektrik secara terus daripada cahaya, tanpa sebarang bahagian yang berputar. Dunia 3 menerangkan caranya.

Prinsipnya ialah aruhan elektromagnet, yang ditemui oleh Michael Faraday pada tahun 1831. Apabila fluks magnet melalui satu gelung wayar berubah, EMF (iaitu voltan) terhasil dalam gelung itu. hukum Faraday:

ε = −N × dΦ / dt

Di sini, N ialah nombor lilitan wayar, dan dΦ/dt ialah kadar perubahan fluks. Tanda tolak menunjukkan bahawa arus teraruh menentang perubahan itu (hukum Lenz), sebab itulah mesin terasa berat untuk diputar: tenaga datang daripada apa sahaja yang memutarkannya. Field Lab, dalam dunia Inductionnya, menerangkan fluks dengan lebih mendalam, manakala dunia Motors & generatorsnya membuka penjana untuk melihat bahagian dalamnya.

Putarkan magnet berhampiran gegelung. Apabila magnet berputar, fluks melalui gegelung itu naik, turun, berbalik dan naik semula. EMF mengikut perubahan itu sebagai gelombang yang lancar, iaitu gelombang sinus, yang merupakan arus ulang-alik (AC).

Bagi gegelung dengan N lilitan dan luas A yang berputar pada laju sudut ω dalam medan seragam B, EMF puncak ialah ε_peak = N × B × A × ω. Contoh pengiraan (gegelung yang diandaikan): N = 100 lilitan, B = 0.5 T, A = 0.01 m², berputar pada 50 revolutions per second, jadi ω = 2π × 50 ≈ 314 rad/s.

ε_peak = 100 × 0.5 × 0.01 × 314 ≈ 157 V. Nilai biasa untuk isi rumah ialah nilai RMS, iaitu nilai puncak dibahagikan dengan √2: kira-kira 111 V. Putarkan dengan lebih laju, tambah lilitan atau gunakan magnet yang lebih kuat, dan voltan akan meningkat.

Mengapa 50 atau 60 Hz? Frekuensi keluaran bergantung pada laju putaran dan bilangan kutub magnet:

f = p × n / 60

di mana f dalam hertz, n ialah laju putaran dalam putaran seminit (rpm), dan p ialah bilangan pasangan kutub (mesin 2 kutub mempunyai p = 1, mesin 4 kutub mempunyai p = 2).

• 50 Hz dengan 2 kutub (p = 1): n = 50 × 60 / 1 = 3,000 rpm.
• 50 Hz dengan 4 kutub (p = 2): n = 50 × 60 / 2 = 1,500 rpm.
• 60 Hz dengan 2 kutub: 3,600 rpm. Dengan 4 kutub: 1,800 rpm.

Bahagian dunia yang berbeza memilih 50 Hz (kebanyakan Eropah, Afrika dan Asia) atau 60 Hz (Amerika Utara dan beberapa negara lain). Kedua-dua sistem ini tidak boleh disambungkan terus dengan wayar.