Hur fungerar en generator?

Att generera något är att skapa det från andra ingredienser. Du kan skapa en novell med utdrag av idéer om världen omkring dig; människor skapar planer för sina liv baserat på information de samlar från olika källor.

En generator, i vardagsspråket, är en enhet som kan producera kraft, vanligtvis elektricitet, för mänskliga ansträngningar. Eftersom kraft och energi tyvärr inte kan skapas från ingenting, måste generatorerna själva drivas av en extern källa av något slag, energi som sedan kanaliseras till användbar el. Om du någonsin har spenderat tid på att campa i en stuga som ägs av väl förberedda människor kanske du känner till konceptet med en gasdriven generator. Idag finns en mängd olika typer av generatorer, men alla förlitar sig på samma grundläggande fysiska generatorprinciper.

1831 upptäckte fysikern Michael Faraday att när en magnet förflyttas inuti en trådspole, "strömmar" elektroner inuti ledningen, med denna rörelse som kallas elektrisk ström. En generator är vilken maskin som helst som omvandlar energi till elektrisk ström, men oavsett källan till denna energi - vare sig det är kol, vattenkraft eller vindkraft - den ultimata anledningen till att elektrisk ström genereras är genom rörelse i en magnet fält.

Troligtvis har du sett magneter i aktion på något sätt - kanske de små, rektangulära magneterna som används i hemmet och på kontoret för att fästa artiklar av intresse på kylskåp. En speciell typ av cylinderformad magnet, kallad elektromagnet, placeras runt en serie isolerade spolar av ledande tråd (som en koppartråd) som lindas runt en central axel. Var och en av dessa många spolar är alltså som en ring som omger axeln och orienterad i rät vinkel mot axelns axel, ungefär som förhållandet mellan däck och axeln som håller dem. När axeln som är ansluten till trådarna roterar genereras en ström eftersom den cylindriska elektromagneten utanför ledningarna roterar inte tillsammans med dem, vilket skapar relativ rörelse mellan ett magnetfält och laddningar inuti ledningen tråd.

Samma sak skulle hända om källan till ett magnetfält rörde sig i närheten av en stationär tråd eller trådar. Det spelar ingen roll vilken som rör sig, magneten eller tråden (eller båda), så länge det finns relativ, pågående rörelse mellan dem.

Varför är den pågående elproduktionen alltid ett problem? Varför är det så att du vet att ditt liv kommer att avbrytas och troligen störas om "strömmen slocknar" i mer än en dag eller så? Det enkla svaret är att även om människor kan lagra enorma mängder fossila bränslen såsom naturgas och olja för användning i nödsituationer, finns det inget bra sätt att lagra stora mängder el. Du har sannolikt en version av mänsklighetens bästa försök att lagra elektricitet inom räckhåll, vilket är ett batteri. Men medan batterier, precis som allt annat i teknikvärlden, har blivit mer potenta och långvariga över tiden, så är de det extremt begränsad när det gäller deras kapacitet att upprätthålla den typ av massiva spänningsutgångar som krävs för att driva hela städer och moderna ekonomier.

Som ett resultat av att det inte finns något tillförlitligt sätt att lagra el i den moderna världen måste det alltid finnas sätt att producera den från råvaror. Detta är anledningen till att de flesta företag, beroende på sin natur, har reservgeneratorer om den omgivande stadsförsörjningen avbryts. Medan en basebollkortsbutik som tappar makten i en timme kanske inte är katastrofal, överväga effekterna på ett sjukhus intensivvård enhet där eldrivna maskiner bokstavligen håller människor vid liv genom att andas för dem och andra viktiga funktioner.

Föreställ dig två stora, kubformade magneter placerade en meter ifrån varandra, en med dess sydpol vänd mot den andra nordpolen och därigenom skapa ett starkt, tillsatsmagnetiskt fält mellan dem. Detta fält pekar mot nordpolen och, och om magnetsändarna är perfekt vertikala inåt i förhållande till golvet är magnetfältets riktning parallell med golvet, som en osynlig bunt mattor. Om en ledande tråd som står rakt upp flyttas genom utrymmet mellan magneterna och förblir exakt 0,5 meter från vardera är trådens rörelse vinkelrätt mot magnetfältet och ström genereras längs tråd. Magnetfältet, trådrörelsen och strömriktningen (och ledningens) är således ömsesidigt vinkelräta.

Det viktiga hämtandet från detta är att detta magnet-trådarrangemang är perfekt inställt för att generera en stadig leverans av elektricitet så länge den centrala axeln fortsätter rotera, flytta trådarna som är lindade inuti den cylindriska magneten på ett sådant sätt att det säkerställer ett stadigt strömflöde genom ledningarna och till en extern maskin, hem eller hela kraften rutnät. Tricket här är naturligtvis att ge kraften för axeln att snurra. Ingenjörer har producerat en mängd olika typer av generatorer som använder olika kraftkällor.

Elektriska generatorer kan delas in i termiska generatorer som använder värme för att generera elektricitet och kinetiska generatorer som använder rörelsenergin för att producera elektricitet. (Observera att värme, arbete och energi har samma enheter - vanligtvis joule eller en multipel därav, men ibland kalorier, erg eller brittiska termiska enheter [BTU]. Effekt är energi per tidsenhet och är vanligtvis i watt eller hästkrafter.)

Termiska generatorer: Fossila bränslegeneratorer är industristandarden och drivs av förbränning av kol, petroleum (olja) eller naturgas. Dessa bränslen är rikliga men ändliga och de skapar en mängd miljö- och hälsoproblem som har fått mänskligheten att komma med alternativ. Kraftvärme innebär att ångan från denna typ av anläggningar rörs till kunder som använder ångan till sina egna mindre generatorer. Kärnkraft är att utnyttja den energi som frigörs under kärnklyvning, en "ren" men kontroversiell process. Naturgas generatorer producerar el utan att producera ånga och kan kombineras med ånggenerering. Biomassa växter, där icke-traditionella föremål används som bränsle (som trä eller växtmaterial), fick fart i början av 2000-talet.

Kinetiskgeneratorer: De två huvudtyperna av kinetiska elproducenter är vattenkraftverk och vindkraft (eller vindkraftverk). Vattenkraftverk lita på flödet av vatten för att snurra axlarna inuti generatorerna. Eftersom få floder flyter under hela året med något som liknar en jämn hastighet, involverar de flesta av dessa anläggningar konstgjorda sjöar som skapats av dammar (som sjön Mjöd i södra Nevada och norra Arizona, bildat av Hoover Dam) så att flödet över turbinerna kan manipuleras artificiellt i enlighet med området behov. Vindkraft har fördelen att inte störa lokal mark och vilda djur på samma sätt som konstgjorda sjöar gör, men luft är mycket mindre effektivt än vatten för att generera kraft, och det bär också problemet med varierande nivåer och hastigheter på vind. Medan "vindkraftverk" kan involvera ett antal turbiner kopplade ihop för att skapa en viss nivå av kraft, vindkraft som var tillräcklig för att ge el till stora samhällen var ännu inte genomförbart 2018.