Wirujący magnes

Prawie każda duża elektrownia, niezależnie od rodzaju paliwa, wykonuje na końcu swojego łańcucha jedno zadanie: obraca generator. Para wodna obraca turbinę w elektrowni węglowej, gazowej lub jądrowej. Spadająca woda obraca turbinę w elektrowni wodnej. Wiatr obraca wirnik turbiny wiatrowej. Generator zamienia tę rotację na prąd elektryczny.

Jedynym dużym wyjątkiem na wyspie jest panel słoneczny. Wytwarza energię elektryczną bezpośrednio ze światła — nic się w nim nie obraca. Świat 3 wyjaśnia, jak to działa.

Zasadą jest indukcja elektromagnetyczna, odkryta przez Michaela Faradaya w 1831 roku. Gdy strumień magnetyczny przez pętlę z drutu się zmienia, w pętli pojawia się siła elektromotoryczna (EMF, czyli napięcie). Prawo Faradaya:

ε = −N × dΦ / dt

Tutaj N oznacza liczbę zwojów drutu, a dΦ/dt — szybkość zmian strumienia. Znak minus oznacza, że indukowany prąd przeciwdziała tej zmianie (prawo Lenza), dlatego maszyna stawia opór przy obracaniu: energia pochodzi od tego, co ją obraca. Laboratorium terenowe, w swoim świecie Indukcja, dokładniej wyjaśnia strumień, a jego świat Silniki i generatory pokazuje generator rozłożony na części.

Obracaj magnesem w pobliżu cewki. Gdy magnes się obraca, strumień przez cewkę rośnie, maleje, zmienia kierunek i znów rośnie. Siła elektromotoryczna podąża za nim jako gładka fala — fala sinusoidalna, czyli prąd przemienny (AC).

Dla cewki o N zwojach i polu powierzchni A, obracającej się z prędkością kątową ω w jednorodnym polu B, wartość szczytowa siły elektromotorycznej wynosi ε_peak = N × B × A × ω. Przykład (dla przyjętej cewki): N = 100 zwojów, B = 0,5 T, A = 0,01 m², obracającej się 50 razy na sekundę, więc ω = 2π × 50 ≈ 314 rad/s.

ε_peak = 100 × 0,5 × 0,01 × 314 ≈ 157 V. Zwykle podawana wartość napięcia w gospodarstwach domowych to wartość skuteczna RMS, czyli wartość szczytowa podzielona przez √2: około 111 V. Obracaj szybciej, dodaj więcej zwojów albo użyj silniejszego magnesu, a napięcie wzrośnie.

Dlaczego 50 lub 60 Hz? Częstotliwość napięcia wyjściowego zależy od prędkości obrotowej i liczby biegunów magnetycznych:

f = p × n / 60

gdzie f jest wyrażone w hercach, n to prędkość obrotowa w obrotach na minutę (rpm), a p to liczba par biegunów (maszyna 2-biegunowa ma p = 1, a maszyna 4-biegunowa ma p = 2).

• 50 Hz przy 2 biegunach (p = 1): n = 50 × 60 / 1 = 3 000 rpm.
• 50 Hz przy 4 biegunach (p = 2): n = 50 × 60 / 2 = 1 500 rpm.
• 60 Hz przy 2 biegunach: 3 600 rpm. Przy 4 biegunach: 1 800 rpm.

Różne części świata wybrały 50 Hz (większość Europy, Afryki i Azji) albo 60 Hz (Ameryka Północna i niektóre inne kraje). Tych dwóch systemów nie można bezpośrednio połączyć przewodami.