Wie funktioniert ein Generator?

Etwas zu erzeugen heißt, es aus anderen Zutaten zu erschaffen. Sie können eine Kurzgeschichte erstellen, indem Sie Ausschnitte von Ideen über die Welt um Sie herum verwenden. Menschen erstellen Pläne für ihr Leben auf der Grundlage von Informationen, die sie aus einer Vielzahl von Quellen zusammentragen.

Ein Generator ist in der Alltagssprache eine Einheit, die in der Lage ist, Energie, normalerweise Elektrizität, für menschliche Zwecke zu erzeugen. Da Strom und Energie leider nicht aus dem Nichts erzeugt werden können, müssen die Generatoren selbst von einer externen Quelle gespeist werden, die dann in nutzbaren Strom umgewandelt wird. Wenn Sie schon einmal in einer Hütte gezeltet haben, die gut vorbereiteten Leuten gehört, kennen Sie vielleicht das Konzept eines gasbetriebenen Generators. Heutzutage gibt es eine Vielzahl von Generatortypen, die jedoch alle auf den gleichen grundlegenden physikalischen Generatorfunktionsprinzipien beruhen.

Im Jahr 1831 entdeckte der Physiker Michael Faraday, dass, wenn ein Magnet in einer Drahtspule bewegt wird, Elektronen im Draht "fließen", wobei diese Bewegung als elektrischer Strom bezeichnet wird. Ein Generator ist jede Maschine, die Energie in elektrischen Strom umwandelt, aber unabhängig von der Quelle dieser Energie – sei es Kohle-, Wasser- oder Windkraft – der ultimative Grund für die Stromerzeugung ist die Bewegung in einem magnetischen Feld.

Wahrscheinlich haben Sie schon einmal Magnete in Aktion gesehen – vielleicht die kleinen, rechteckigen Magnete, die in Wohn- und Büroumgebungen verwendet werden, um interessante Gegenstände an Kühlschränken zu befestigen. Ein spezieller zylinderförmiger Magnet, Elektromagnet genannt, wird um eine Reihe isolierter Spulen aus leitfähigem Draht (wie einem Kupferdraht) gelegt, die um eine zentrale Welle gewickelt sind. Jede dieser vielen Spulen ist also wie ein Ring, der die Welle umgibt und im rechten Winkel zur Achse der Welle ausgerichtet ist, ähnlich wie die Beziehung der Reifen zu der sie haltenden Achse. Wenn sich die mit den Drähten verbundene Welle dreht, wird ein Strom erzeugt, da der zylindrische Elektromagnet außerhalb der Drähte dreht sich nicht mit, wodurch eine Relativbewegung zwischen einem Magnetfeld und Ladungen im Inneren des Leiters entsteht Draht.

Das gleiche würde passieren, wenn sich die Quelle eines Magnetfelds in der Nähe eines oder mehrerer feststehender Drähte bewegt. Es spielt keine Rolle, was sich bewegt, der Magnet oder der Draht (oder beides), solange eine relative, fortlaufende Bewegung zwischen ihnen stattfindet.

Warum ist die laufende Stromerzeugung immer ein Problem? Warum wissen Sie, dass Ihr Leben unterbrochen und wahrscheinlich gestört wird, wenn für mehr als einen Tag oder so "der Strom ausfällt"? Die einfache Antwort lautet: Während der Mensch enorme Mengen fossiler Brennstoffe wie Erdgas und Öl für den Notfall speichern kann, gibt es keine gute Möglichkeit, große Mengen an Strom zu speichern. Sie haben wahrscheinlich eine Version des besten Versuchs der Menschheit, Strom in Reichweite zu speichern, nämlich eine Batterie. Aber während Batterien, wie alles andere in der Welt der Technologie, im Laufe der Zeit leistungsfähiger und langlebiger geworden sind, sind sie es extrem begrenzt in Bezug auf ihre Kapazität, die Art von massiven Spannungsausgaben aufrechtzuerhalten, die erforderlich sind, um ganze Städte und moderne Städte mit Strom zu versorgen Volkswirtschaften.

Da es in der modernen Welt keine zuverlässige Speichermöglichkeit für Strom gibt, muss es immer auch Möglichkeiten geben, ihn aus Rohstoffen zu gewinnen. Aus diesem Grund verfügen die meisten Unternehmen je nach Art über Backup-Generatoren für den Fall, dass die Umgebungsversorgung der Stadt unterbrochen wird. Während ein Baseball-Kartenladen, der eine Stunde lang Strom verliert, keine Katastrophe sein mag, bedenken Sie die Auswirkungen auf einer Krankenhausintensivstation Einheit, in der elektrisch betriebene Maschinen Menschen buchstäblich am Leben erhalten, indem sie für sie und andere lebenswichtige Dinge atmen Funktionen.

Stellen Sie sich zwei große, würfelförmige Magnete vor, die einen Meter voneinander entfernt platziert sind, wobei einer mit seinem Südpol dem Nordpol des anderen zugewandt ist und dadurch ein starkes, additives Magnetfeld zwischen ihnen erzeugt. Dieses Feld zeigt zum Nordpol und, und wenn die Enden der Magnete perfekt vertikal sind in In Bezug auf den Boden ist die Magnetfeldrichtung parallel zum Boden, wie ein Stapel unsichtbarer Teppiche. Wird ein aufrecht stehender Leiterdraht durch den Raum zwischen den Magneten bewegt und bleibt genau 0,5 Meter von jedem entfernt ist die Bewegung des Drahtes senkrecht zum Magnetfeld und Strom wird entlang des. erzeugt Draht. Magnetfeld, Drahtbewegung und Stromrichtung (und die des Drahtes) stehen somit senkrecht aufeinander.

Die wichtige Erkenntnis daraus ist, dass diese Magnet-Draht-Anordnung perfekt darauf ausgelegt ist, eine konstante Stromversorgung zu erzeugen, solange die Zentralwelle weiterläuft drehen und die im zylindrischen Magneten gewickelten Drähte so bewegen, dass ein stetiger Stromfluss durch die Drähte und zu einer externen Maschine, Haus oder ganzem Strom gewährleistet ist Gitter. Der Trick besteht hier natürlich darin, die Kraft zum Drehen der Welle bereitzustellen. Ingenieure haben eine Vielzahl von verschiedenen Arten von Generatoren hergestellt, die unterschiedliche Stromquellen nutzen.

Elektrische Generatoren können unterteilt werden in thermische Generatoren, die Wärme zur Stromerzeugung nutzen, und kinetische Generatoren, die die Energie der Bewegung zur Stromerzeugung nutzen. (Beachten Sie, dass Wärme, Arbeit und Energie alle die gleichen Einheiten haben – normalerweise Joule oder ein Vielfaches davon, manchmal aber auch Kalorien, Erg oder britische thermische Einheiten [BTU]. Leistung ist Energie pro Zeiteinheit und wird normalerweise in Watt oder PS angegeben.)

Thermische Generatoren: Generatoren für fossile Brennstoffe sind der Industriestandard und werden durch die Verbrennung von Kohle, Erdöl (Öl) oder Erdgas angetrieben. Diese Brennstoffe sind reichlich vorhanden, aber endlich, und sie verursachen eine Vielzahl von Umwelt- und Gesundheitsproblemen, die die Menschheit dazu veranlasst haben, Alternativen zu entwickeln. Kraft-Wärme-Kopplung besteht darin, den Abdampf aus solchen Anlagen zu Kunden zu leiten, die den Dampf für ihre eigenen kleineren Generatoren verwenden. Atomkraft ist die Nutzung der bei der Kernspaltung freigesetzten Energie, ein "sauberer", aber umstrittener Prozess. Erdgas Generatoren erzeugen Strom ohne Dampf zu erzeugen und können mit Dampferzeugung kombiniert werden. Biomasse Pflanzen, in denen nicht-traditionelle Gegenstände als Brennstoff verwendet werden (wie Holz oder Pflanzenmaterial), haben zu Beginn des 21. Jahrhunderts an Bedeutung gewonnen.

KinetikGeneratoren: Die zwei wichtigsten Arten von kinetischen Stromerzeugern sind Wasserkraftwerke und Windkraft (oder Windturbinen). Wasserkraftwerke verlassen sich auf den Wasserfluss, um die Wellen in den Generatoren zu drehen. Da das ganze Jahr über nur wenige Flüsse mit konstanter Geschwindigkeit fließen, handelt es sich bei den meisten dieser Einrichtungen um künstliche Seen, die durch Dämme geschaffen wurden (z Mead in Süd-Nevada und Nord-Arizona, gebildet durch den Hoover-Staudamm), damit die Strömung über die Turbinen entsprechend der Fläche künstlich manipuliert werden kann braucht. Windkraft hat den Vorteil, dass das lokale Land und die Tierwelt nicht wie künstliche Seen gestört werden, aber Luft ist viel weniger effizient als Wasser bei der Stromerzeugung, und es bringt auch das Problem unterschiedlicher Pegel und Geschwindigkeiten mit sich Wind. Während "Windmühlenparks" eine Reihe von Turbinen umfassen können, die miteinander verbunden sind, um ein bestimmtes Maß an Strom, Windkraft, die ausreicht, um größere Gemeinden mit Strom zu versorgen, war noch nicht machbar 2018.