แม่เหล็กที่กำลังหมุน

โรงไฟฟ้าขนาดใหญ่เกือบทุกแห่ง ไม่ว่าจะใช้เชื้อเพลิงอะไร เมื่อถึงขั้นตอนสุดท้ายจะทำสิ่งเดียวกัน นั่นคือ หมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ไอน้ำจะหมุนกังหันในโรงไฟฟ้าถ่านหิน แก๊ส หรือนิวเคลียร์ น้ำที่ตกลงมาจะหมุนกังหันในโรงไฟฟ้าพลังน้ำ ลมจะหมุนใบพัดของกังหันลม เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเปลี่ยน การหมุน นั้นให้เป็น กระแสไฟฟ้า

ข้อยกเว้นสำคัญเพียงอย่างเดียวบนเกาะคือแผงโซลาร์เซลล์ แผงนี้ผลิตไฟฟ้าโดยตรงจากแสง โดยไม่มีอะไรหมุนเลย โลกที่ 3 จะอธิบายเรื่องนี้

หลักการคือการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งค้นพบโดย Michael Faraday ในปี 1831 เมื่อ ฟลักซ์แม่เหล็ก ที่ผ่านขดลวดเปลี่ยนแปลง จะเกิด EMF (แรงดันไฟฟ้า) ขึ้นในขดลวด กฎของฟาราเดย์:

ε = −N × dΦ / dt

ในที่นี้ N คือจำนวนรอบของลวด และ dΦ/dt คืออัตราเร็วที่ฟลักซ์เปลี่ยนแปลง เครื่องหมายลบบอกว่ากระแสเหนี่ยวนำจะต้านการเปลี่ยนแปลง (กฎของเลนซ์) นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมเครื่องจึงรู้สึกหนักเมื่อหมุน เพราะพลังงานมาจากสิ่งที่ทำให้มันหมุน Field Lab ในโลกการเหนี่ยวนำจะอธิบายเรื่องฟลักซ์ให้ลึกยิ่งขึ้น ส่วนโลกมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะพาแยกชิ้นส่วนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

หมุนแม่เหล็กใกล้ขดลวด เมื่อแม่เหล็กหมุน ฟลักซ์ที่ผ่านขดลวดจะเพิ่มขึ้น ลดลง กลับทิศ แล้วเพิ่มขึ้นอีกครั้ง EMF จะเปลี่ยนตามไปเป็นคลื่นที่ราบรื่น เรียกว่า คลื่นไซน์ ซึ่งก็คือกระแสสลับ (AC)

สำหรับขดลวดที่มี N รอบและมีพื้นที่ A หมุนด้วยอัตราเร็วเชิงมุม ω ในสนามสม่ำเสมอ B ค่า EMF ที่ยอดคลื่นคือ ε_peak = N × B × A × ω ตัวอย่างการคำนวณ (ขดลวดสมมติ): N = 100 รอบ, B = 0.5 T, A = 0.01 m², หมุนด้วยความถี่ 50 รอบต่อวินาที ดังนั้น ω = 2π × 50 ≈ 314 rad/s

ε_peak = 100 × 0.5 × 0.01 × 314 ≈ 157 V ค่าที่ใช้กันทั่วไปในบ้านคือค่า RMS ซึ่งเท่ากับค่ายอดคลื่นหารด้วย √2 หรือประมาณ 111 V หมุนให้เร็วขึ้น เพิ่มจำนวนรอบ หรือใช้แม่เหล็กที่แรงขึ้น แล้วแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น

Why 50 or 60 Hz? The frequency of the output depends on the rotation speed and the number of magnetic poles:

f = p × n / 60

where f is in hertz, n is the rotation speed in revolutions per minute (rpm), and p is the number of pole pairs (a 2-pole machine has p = 1, a 4-pole machine has p = 2).

• 50 Hz with 2 poles (p = 1): n = 50 × 60 / 1 = 3,000 rpm.
• 50 Hz with 4 poles (p = 2): n = 50 × 60 / 2 = 1,500 rpm.
• 60 Hz with 2 poles: 3,600 rpm. With 4 poles: 1,800 rpm.

Different parts of the world chose 50 Hz (most of Europe, Africa and Asia) or 60 Hz (North America and some other countries). The two systems cannot be wired together directly.