Hvordan fungerer en generator?

Å generere noe er å lage det fra andre ingredienser. Du kan lage en novelle ved å bruke utdrag av ideer om verden rundt deg; folk lager planer for livet basert på informasjon de samler fra en rekke kilder.

En generator, i hverdagsspråket, er en enhet som er i stand til å produsere kraft, vanligvis strøm, for menneskelige anstrengelser. Siden kraft og energi dessverre ikke kan opprettes fra ingenting, må generatorene selv drives av en ekstern kilde av noe slag, energi som deretter kanaliseres til brukbar elektrisitet. Hvis du noen gang har brukt tid på å campe i en hytte som eies av godt forberedte mennesker, kan du være kjent med konseptet med en gassdrevet generator. I dag finnes det en rekke typer generatorer, men alle er avhengige av de samme grunnleggende fysiske generatorens arbeidsprinsipper.

I 1831 oppdaget fysikeren Michael Faraday at når en magnet flyttes inne i en trådspole, "strømmer" elektroner inne i ledningen, med denne bevegelsen kalt elektrisk strøm. En generator er hvilken som helst maskin som konverterer energi til elektrisk strøm, men uansett kilden til denne energien - det være seg kull, vannkraft eller vindkraft - den ultimate grunnen til at elektrisk strøm genereres er gjennom bevegelse i en magnetisk felt.

Med all sannsynlighet har du sett magneter i aksjon på en eller annen måte - kanskje de små, rektangulære magneter som brukes i hjemmet og på kontoret for å feste gjenstander av interesse på kjøleskap. En spesiell type sylinderformet magnet, kalt en elektromagnet, er plassert rundt en serie isolerte spoler av ledende ledning (for eksempel en kobbertråd) som er viklet rundt en sentral aksel. Hver av disse mange spolene er altså som en ring som omgir akselen og orientert i rett vinkel mot akselen til akselen, omtrent som forholdet mellom dekk og akselen som holder dem. Når akselen som er koblet til ledningene roterer, genereres en strøm fordi den sylindriske elektromagneten utenfor ledningene roterer ikke sammen med dem, og etablerer dermed relativ bevegelse mellom et magnetfelt og ladninger inne i ledningen metalltråd.

Det samme ville skje hvis kilden til et magnetfelt beveget seg i nærheten av en stasjonær ledning eller ledninger. Det spiller ingen rolle hvilken som beveger seg, magneten eller ledningen (eller begge deler), så lenge det er relativ, kontinuerlig bevegelse mellom dem.

Hvorfor er den pågående produksjonen av elektrisitet alltid et problem? Hvorfor vet du at livet ditt blir avbrutt og sannsynligvis blir forstyrret hvis "strømmen slukker" i mer enn en dag eller så? Det enkle svaret er at mens mennesker kan lagre enorme mengder fossilt brensel som naturgass og olje for bruk i nødsituasjoner, er det ingen god måte å lagre store mengder strøm på. Du har sannsynligvis en versjon av menneskehetens beste forsøk på å lagre strøm innen rekkevidde, som er et batteri. Men mens batterier, som alt annet i teknologiens verden, har vokst seg sterkere og mer holdbare over tid, er de det ekstremt begrenset når det gjelder kapasitet til å opprettholde den typen massive spenningsutganger som kreves for å drive hele byer og moderne økonomier.

Som et resultat av at det i den moderne verden ikke er noen pålitelig måte å lagre strøm på, må det alltid være måter å produsere den fra råvarer. Dette er grunnen til at de fleste bedrifter, avhengig av sin natur, har reservegeneratorer i tilfelle den omgivende byforsyningen blir avbrutt. Mens en baseball-kortbutikk som mister strøm i en time kanskje ikke er katastrofal, bør du vurdere effektene på sykehusintensiv enhet der elektrisitetsdrevne maskiner bokstavelig talt holder mennesker i live gjennom å puste for dem og andre viktige ting funksjoner.

Se for deg to store, kubeformede magneter plassert en meter fra hverandre, den ene med sørpolen mot nordpolen til den andre og derved skape et sterkt, additivt magnetfelt mellom dem. Dette feltet peker mot nordpolen og, og hvis endene på magneten er perfekt vertikale inn forhold til gulvet, er magnetfeltretningen parallell med gulvet, som en stabel med usynlig tepper. Hvis en ledningstråd som står rett opp, beveges gjennom mellomrommet mellom magneter og forblir nøyaktig 0,5 meter fra hver, er ledningens bevegelse vinkelrett på magnetfeltet og strøm genereres langs metalltråd. Magnetfeltet, ledningsbevegelsen og strømretningen (og ledningens) er således gjensidig vinkelrett.

Den viktige takeawayen fra dette er at dette magnet-wire-arrangementet er perfekt satt opp for å generere en jevn tilførsel av elektrisitet så lenge den sentrale akselen fortsetter å rotere, bevege ledningene som er viklet inn i den sylindriske magneten på en slik måte at du sørger for en jevn strøm av strøm gjennom ledningene og til en ekstern maskin, hjem eller full kraft Nett. Trikset her er selvfølgelig å gi kraften til sjakten til å snurre. Ingeniører har produsert en rekke forskjellige typer generatorer som bruker forskjellige strømkilder.

Elektriske generatorer kan deles inn i termiske generatorer, som bruker varme til å generere elektrisitet, og kinetiske generatorer, som bruker bevegelsesenergien til å produsere elektrisitet. (Merk at varme, arbeid og energi alle har de samme enhetene - vanligvis joule eller et mangfold av disse, men noen ganger kalorier, ergs eller britiske termiske enheter [BTU]. Kraft er energi per tidsenhet og er vanligvis i watt eller hestekrefter.)

Termiske generatorer: Fossil-drivstoffgeneratorer er industristandarden og drives av forbrenning av kull, petroleum (olje) eller naturgass. Disse drivstoffene er rikelig, men endelige, og de skaper en rekke miljø- og helseproblemer som har fått menneskeheten til å komme med alternativer. Kraftvarmeproduksjon innebærer å rense avfallsdampen fra slike anlegg til kunder som bruker dampen til sine egne mindre generatorer. Kjernekraft er utnyttelse av energien som frigjøres under kjernefisjon, en "ren" men kontroversiell prosess. Naturgass generatorer produserer strøm uten å produsere damp og kan kombineres med dampgenerering. Biomasse planter, der ikke-tradisjonelle gjenstander brukes som drivstoff (som tre eller plantemateriale), fikk fart i begynnelsen av det 21. århundre.

Kinetiskgeneratorer: De to hovedtyper av kinetiske generatorer er vannkraftverk og vindkraft (eller vindturbiner). Vannkraftverk stole på strømmen av vann for å spinne sjaktene i generatorene. Fordi få elver renner gjennom året med noe som ligner en jevn hastighet, involverer de fleste av disse anleggene kunstige innsjøer opprettet av demninger (for eksempel Lake Mead i sørlige Nevada og nordlige Arizona, dannet av Hoover Dam) slik at strømmen over turbinene kan manipuleres kunstig i samsvar med areal behov. Vindkraft har fordelen av å ikke forstyrre lokalt land og dyreliv på samme måte som kunstige innsjøer gjør, men luft er mye mindre effektiv enn vann ved å generere kraft, og det bærer også problemet med varierende nivåer og hastigheter på vind. Mens "vindmølleparker" kan involvere en rekke turbiner koblet sammen for å skape et visst nivå av kraft, vindkraft som var tilstrekkelig til å gi strøm til store samfunn, var foreløpig ikke mulig 2018.