水車はどのように電気を作るのですか？

水を動かすことは重要なエネルギー源であり、人々は水車を作ることによってそのエネルギーを古くから利用してきました。

それらは中世を通してヨーロッパで一般的であり、とりわけ、岩を砕いたり、金属製油所のベローズを操作したり、亜麻の葉をハンマーで叩いて紙に変えたりするために使用されていました。 穀物を製粉する水車は水車小屋として知られており、この機能が広く普及しているため、2つの言葉は多かれ少なかれ同義語になりました。

マイケル・ファラデーによる電磁誘導の発見は、最終的に全世界に電力を供給するようになった誘導発電機の発明への道を開きました。 誘導発電機は機械的エネルギーを電気エネルギーに変換し、移動する水は安価で豊富な機械的エネルギー源です。 したがって、水車小屋を水力発電機に適応させるのは自然なことでした。

水車発電機がどのように機能するかを理解するには、電磁誘導の原理を理解するのに役立ちます。 一度やったら、小さな扇風機や他の電化製品のモーターを使って、あなた自身のミニ水車発電機を作ってみるかもしれません。

ファラデー（1791〜1867）は、導電線を円筒状のコアに複数回巻き付けてソレノイドを作ることにより、誘導を発見しました。 彼は、ワイヤーの端を、電流（およびマルチメーターの前身）を測定するデバイスである検流計に接続しました。 彼がソレノイド内で永久磁石を動かしたとき、彼はメーターが電流を記録したことを発見しました。

ファラデーは、磁石を動かす方向を変えるたびに電流の方向が変わることを指摘しました。電流の強さは、磁石を動かす速度に依存していました。

これらの観測結果は、後にファラデーの法則に定式化されました。ファラデーの法則は、導体の起電力（emf）であるEを、磁束の変化率に関連付けます。ϕ指揮者が経験した。 この関係は通常、次のように記述されます。

​Nは導体コイルの巻数です。 象徴∆（デルタ）は、それに続く量の変化を示します。 マイナス記号は、起電力の方向が磁束の方向と反対であることを示します。

ファラデーの法則は、電流を誘導するためにコイルまたは磁石のどちらを動かす必要があるかを指定していません。実際、それは問題ではありません。 ただし、導体を垂直に通過する磁場の一部である磁束が変化している必要があるため、そのうちの1つは移動している必要があります。 静磁場では電流は発生しません。

誘導発電機は通常、回転子と呼ばれる外部電源によって磁化された回転永久磁石または導電性コイルを備えています。 固定子と呼ばれるコイル内部の低摩擦軸（電機子）上で自由に回転し、回転すると固定子コイルに電圧を発生させます。

誘導電圧はローターの各スピンで周期的に方向を変えるので、結果として生じる電流も方向を変えます。 それは交流（AC）として知られています。

水車小屋では、ローターを回転させるエネルギーは水を動かすことで供給されますが、単純な水車小屋では、生成された電気を直接照明や電化製品に使用することができます。 ただし、多くの場合、発電機は電力網に接続され、電力を電力網に供給します。

このシナリオでは、ローターの永久磁石が電磁石に置き換えられることが多く、グリッドはそれを磁化するためにAC電流を供給します。 このシナリオで発電機から正味の出力を得るには、ローターは入力電力の周波数よりも高い周波数を回転させる必要があります。

水を利用して仕事をするとき、あなたは基本的に重力に頼っています。それはそもそも水を流すものです。 落下する水から得られるエネルギーの量は、落下する水の量と速度によって異なります。 滝からは、流れる小川よりも単位水あたりのエネルギーが多くなり、大きな小川や滝からは、小さな小川よりも明らかに多くのエネルギーが得られます。

一般に、水車を回す作業を行うために利用できるエネルギーは、次の式で与えられます。mghここで、「m」は水の質量、「h」は水が落ちる高さ、「g」は重力による加速度です。 利用可能なエネルギーを最大化するには、水車を斜面または滝の底に配置する必要があります。これにより、水が落下する距離が最大になります。

ストリームを流れる水の質量を測定する必要はありません。 あなたがしなければならないのは、ボリュームを見積もるだけです。 水の密度は既知の量であり、密度は質量を体積で割ったものに等しいため、変換は簡単です。

水車は、流れる小川や滝の位置エネルギーを変換します（mgh）水がホイールと接触するポイントでの接線運動エネルギーに。 これにより、次の式で与えられる回転運動エネルギーが生成されます。私はω ²/2、 どこωはホイールの角速度であり、私慣性モーメントです。 中心軸を中心に回転する点の慣性モーメントは、回転半径の2乗に比例します。r​: (​I = mr²）、 どこmポイントの質量です。

エネルギーの変換を最適化するには、角速度を最大化する必要があります。ω、しかしそれを行うには、最小化する必要があります私、これは回転半径を最小化することを意味し、r. 水車は、正味の電流を生成するのに十分な速さで回転するように、半径を小さくする必要があります。 それはオランダが有名な古い風車を除外します。 それらは機械的な仕事をするのに適していますが、発電には適していません。

最初の大規模な水車誘導発電機の1つであり、最もよく知られているものは、1895年にニューヨーク州ナイアガラフォールズでオンラインになりました。 ニコラテスラによって考案され、ジョージウェスティングハウスによって資金提供および設計されたエドワードディーンアダムス発電所は、米国の消費者に電力を供給するいくつかの発電所の最初のものでした。

実際の発電所はナイアガラフォールズの約1マイル上流に建設され、パイプシステムを介して水を供給します。 水は、大きな水車が取り付けられた円筒形のハウジングに流れ込みます。 水の力がホイールを回転させ、次に大きな発電機のローターを回転させて電気を生成します。

アダムス発電所の発電機は12個の大きな永久磁石を使用しており、それぞれが約0.1テスラの磁場を生成します。 それらは発電機のローターに取り付けられ、ワイヤーの大きなコイルの中で回転します。 発電機は約13,000ボルトを生成します。これを行うには、コイルに少なくとも300ターンが必要です。 発電機が稼働しているとき、約4,000アンペアのAC電気がコイルを通過します。

ナイアガラの滝ほどの大きさの滝は世界にほとんどありません。そのため、ナイアガラの滝は世界の自然の驚異の1つと見なされています。 多くの水力発電所はダムの上に建設されています。 今日、世界の電力の約16％がこのような水力発電所から供給されており、その最大のものは中国、ブラジル、カナダ、米国、ロシアにあります。 最大の発電所は中国にありますが、最も電力を生産しているのはブラジルです。

ダムが建設されると、発電に関連するコストはなくなります。 しかし、環境にはいくらかのコストがかかります。

• ダムの建設は自然の水路の流れを変え、これは自然の水流に依存していた植物、動物、人間の生活に影響を与えます。 中国での長江三峡の建設には、120万人の移転が伴いました。
• ダムは小川に生息する魚の自然なライフサイクルを変えます。 太平洋岸北西部では、ダムが鮭とニジマスの推定40％を自然生息地から奪っています。
• ダムからの水は溶存酸素のレベルが低下しており、これは水に依存する魚、植物、野生生物に影響を及ぼします。
• 水力発電は干ばつの影響を受けます。 水が少なくなると、水量を維持するために発電を停止する必要があることがよくあります。

科学者たちは、大規模な発電所の欠点を軽減する方法を模索しています。 1つの解決策は、環境への影響が少ない、より小さなシステムのシステムを構築することです。 もう1つは、プラントから放出される水が適切に酸素化されるように、吸気バルブとタービンを設計することです。 欠点はあるものの、水力発電ダムは地球上で最もクリーンで安価な電力源の1つです。

水力発電の原理を理解するのに役立つ良い方法は、自分で小さな発電機を作ることです。 あなたは安価な扇風機または他の電気器具からのモーターでこれをすることができます。 モーター内部のローターが永久磁石を使用している限り、モーターを「逆に」使用して発電することができます。 古いアプライアンスのモーターは永久磁石を使用する可能性が高いため、非常に古いファンまたはアプライアンスのモーターは、新しいもののモーターよりも適しています。

ファンを使用すると、ファンブレードがインペラとして機能するため、分解せずにこのプロジェクトを実行できる場合があります。 ただし、これらは実際にはこのために設計されていないため、それらを切り取り、自分で作成したより効率的な水車と交換することをお勧めします。 これを行うことにした場合、カラーはすでにモーターシャフトに取り付けられているため、改良された水車のベースとして使用できます。

ミニ水車発電機が実際に発電しているかどうかを判断するには、出力コイルの両端にメーターを接続する必要があります。 古いファンや電化製品を使用している場合は、プラグが付いているため、これは簡単に行えます。 マルチメータのプローブをプラグプロングに接続し、AC電圧（VAC）を測定するようにメータを設定するだけです。 使用するモーターにプラグがない場合は、メータープローブを出力コイルに接続されているワイヤーに接続するだけです。ほとんどの場合、これは2本のワイヤーだけです。

このプロジェクトでは、自然の落下水源を使用することも、独自に建設することもできます。 浴槽の注ぎ口から落ちる水は、検出可能な電流を生成するのに十分なエネルギーを生成するはずです。 他の人に見せるためにプロジェクトを外出先で行っている場合は、ピッチャーから水を注ぐか、ガーデンホースを使用することをお勧めします。