Πώς να μετατρέψετε τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια

Μια μπαταρία μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, και μια ηλιακή κυψέλη παράγει ηλεκτρική ενέργεια από το ηλιακή ενέργεια, αλλά αν θέλετε να παράγετε ηλεκτρική ενέργεια από μηχανική ενέργεια, χρειάζεστε επαγωγή γεννήτρια. Αυτές οι γεννήτριες μπορεί να είναι αρκετά μικρές για να τροφοδοτούν έναν φακό στρόφαλου ή αρκετά μεγάλο για να ενεργοποιούν ολόκληρες πόλεις, αλλά όλες εργάζονται για την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, που ανακαλύφθηκε από τον Michael Faraday, τον Άγγλο φυσικό του 19ου αιώνα και εφευρέτης. Σήμερα, οι γεννήτριες επαγωγής που χρησιμοποιούν μια ποικιλία καυσίμων τροφοδοτούν ηλεκτρισμό για το μεγαλύτερο μέρος του παγκόσμιου πληθυσμού.

Το επαγωγικό πείραμα του Faraday είναι πιθανώς ένα από τα πιο σημαντικά στη φυσική και ήταν σχετικά απλό. Έστρεψε ένα μήκος αγώγιμου σύρματος γύρω από έναν κυκλικό πυρήνα και συνέδεσε το καλώδιο με έναν μετρητή. Βρήκε ότι η κίνηση ενός μαγνήτη μέσω του κέντρου του κύκλου προκάλεσε τη ροή ρεύματος στο σύρμα. Το ρεύμα σταμάτησε όταν σταμάτησε να κινεί τον μαγνήτη και ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση όταν αντιστρέφει την κατεύθυνση του μαγνήτη. Αργότερα διατύπωσε τον νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, γνωστός τώρα ως Faraday's Law, ο οποίος αφορούσε το δύναμη του ρεύματος στο μέγεθος της αλλαγής του μαγνητικού πεδίου, επίσης γνωστό ως μαγνητικό ροή. Η ισχύς του μαγνήτη, ο αριθμός των πηνίων γύρω από τον πυρήνα και τα χαρακτηριστικά του αγώγιμου σύρματος επηρεάζουν όλους τους υπολογισμούς για τις πραγματικές γεννήτριες.

Είτε βρίσκονται εντός μιας γεννήτριας οικιακής χρήσης, του αυτοκινήτου σας είτε ενός πυρηνικού σταθμού, οι γεννήτριες γενικά ενσωματώνουν τα ίδια χαρακτηριστικά. Περιλαμβάνουν έναν ρότορα με κοίλο πυρήνα που περιστρέφεται γύρω από έναν στάτορα. Ο στάτορας είναι συνήθως ένας ισχυρός μαγνήτης, ενώ τα πηνία που μεταφέρουν ηλεκτρισμό τυλίγονται γύρω από το ρότορα. Σε ορισμένες γεννήτριες, τα πηνία τυλίγονται γύρω από τον στάτορα και ο ρότορας μαγνητίζεται. Δεν πειράζει. Σε κάθε περίπτωση, η ηλεκτρική ενέργεια θα ρέει.

Ο ρότορας πρέπει να περιστρέφεται για να ρέει ηλεκτρική ενέργεια και εκεί εισέρχεται η είσοδος της μηχανικής ενέργειας. Οι γεννήτριες μεγάλης κλίμακας αξιοποιούν μια ποικιλία καυσίμων και φυσικών διεργασιών για αυτήν την ενέργεια. Με κάθε περιστροφή του ρότορα, η τρέχουσα ροή σταματά, αντιστρέφει, σταματά ξανά και επιστρέφει προς τα εμπρός. Αυτός ο τύπος ηλεκτρικής ενέργειας ονομάζεται εναλλασσόμενο ρεύμα και ο αριθμός των φορών που αλλάζει κατεύθυνση σε ένα δευτερόλεπτο είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό.

Ο ρότορας στις περισσότερες γεννήτριες συνδέεται με μια τουρμπίνα, και σε πολλές εγκαταστάσεις παραγωγής, ο στρόβιλος κινείται με ατμό. Απαιτείται ενέργεια για τη θέρμανση του νερού για την παραγωγή αυτού του ατμού και ότι η ενέργεια μπορεί να τροφοδοτείται από ορυκτά καύσιμα, όπως άνθρακας και φυσικό αέριο, βιομάζα ή πυρηνική σχάση. Το καύσιμο μπορεί επίσης να προέρχεται από φυσικές πηγές, όπως η γεωθερμική ενέργεια - φυσική θερμότητα που προέρχεται από βαθιά στο έδαφος. Οι υδροηλεκτρικές γεννήτριες τροφοδοτούνται από την ενέργεια ενός καταρράκτη. Η πρώτη υδροηλεκτρική γεννήτρια στον κόσμο, που σχεδιάστηκε από τη Nikola Tesla και κατασκευάστηκε από τον George Westinghouse, βρίσκεται στους καταρράκτες του Νιαγάρα. Παράγει περίπου 4,9 εκατομμύρια κιλοβάτ ισχύος, αρκετά για 3,8 εκατομμύρια σπίτια.

Είναι πολύ εύκολο να φτιάξετε μια γεννήτρια. Πολλά σχέδια είναι δυνατά, αλλά ένα από τα ευκολότερα αποτελείται από ένα σταθερό πηνίο και έναν περιστρεφόμενο μαγνήτη. Τα σύρματα τυλίγονται γύρω από ένα καρφί επικαλυμμένο με προσβλητική ταινία και ο μαγνήτης μπορεί να είναι απλός σε σχήμα πέταλου. Όταν τρυπάτε μια τρύπα μέσω της βάσης του μαγνήτη, εισάγετε έναν άξονα σφιχτής τοποθέτησης και συνδέστε τον άξονα σε ένα τρυπάνι, Μπορείτε να παράγετε αρκετή ηλεκτρική ενέργεια για να ανάψετε έναν λαμπτήρα μόνο με το τρυπάνι για να κάνετε τον μαγνήτη να περιστρέφεται γύρω από το σπείρα.