Как работает генератор: электромагнитная индукция, турбины, переменный ток и сеть
Генератор превращает движение в электричество с помощью электромагнитной индукции: когда катушка провода вращается в магнитном поле, меняющийся магнитный поток индуцирует в ней напряжение. Вращение обеспечивает турбина, которую приводят в движение пар, вода или ветер, либо бензиновый двигатель. ЭДС равна N·ΔΦ/Δt, поэтому катушка в 200 витков, у которой поток меняется на 0,002 Вб за 0,1 с, даёт 200 × 0,002 / 0,1 = 4 В.
Почти всё электричество в мире получают от катушки, вращающейся в магнитном поле. Это руководство объясняет, как работает генератор, от опыта Фарадея 1831 года до турбинного зала электростанции. Здесь посчитаны индукция, пиковое напряжение вращающейся катушки, ветряная турбина и трансформатор, объяснено, почему линии электропередачи работают на очень высоком напряжении, и сказано, как безопасно пользоваться переносным генератором. В конце живая глава учебника позволяет самому раскрутить турбину и изменить магнит.
Главные идеи
- Фарадей открыл индукцию в 1831 году: меняющееся магнитное поле создаёт напряжение. Неподвижный магнит у катушки ничего не даёт; если его вдвигать и выдвигать, напряжение появляется.
- Генератор — это индукция на повторе. Катушка, вращающаяся в поле, даёт переменное напряжение с амплитудой N·B·S·ω: 100 витков, 0,5 Тл, 0,02 м² и 50 оборотов в секунду дают пик около 314 В, то есть действующее значение 222 В.
- Генератор не создаёт энергию. Вал вращают пар, падающая вода, ветер или двигатель, и электроэнергия оплачивается работой по его вращению.
- Трансформаторы повышают напряжение для длинных линий: 10 МВт по линии 5 Ом теряют 5 МВт при 10 кВ, но только 50 кВт при 100 кВ, в сто раз меньше.
Индукция: как движение создаёт напряжение
В 1831 году Майкл Фарадей вдвинул магнит в катушку, и стрелка прибора дёрнулась; когда магнит вынули, стрелка отклонилась в другую сторону. Американец Джозеф Генри независимо наблюдал то же. Меняющееся магнитное поле создаёт напряжение. Оно равно ЭДС = N·ΔΦ / Δt, где N — число витков, ΔΦ — изменение магнитного потока в веберах, Δt — время в секундах. Катушка в 200 витков, у которой поток меняется на 0,002 Вб за 0,1 с, даёт 200 × 0,002 / 0,1 = 4 В. Держите магнит неподвижно — ничего не происходит. Двигайте вдвое быстрее — напряжение удвоится.
Индукционный ток всегда противодействует изменению, которое его вызвало: это правило нашёл Генрих Ленц в 1834 году. В генераторе это значит, что катушка сопротивляется тому, что её вращает, и чем сильнее нагружен генератор, тем тяжелее его вращать. Это закон сохранения энергии в действии: электроэнергия, которую вы получаете, оплачена работой над валом. Генератор преобразует энергию, а не создаёт её.
Внутри генератора: вращающаяся катушка
Генератор — это индукция на повторе. Катушка вращается в сильном магнитном поле, поток через неё растёт и убывает, а напряжение колеблется туда и обратно. Для N витков площадью S в поле B, вращающихся с угловой скоростью ω, пиковое напряжение равно N·B·S·ω. При N = 100, B = 0,5 Тл, S = 0,02 м² и 50 оборотах в секунду (ω = 2π × 50 ≈ 314 рад/с) пик составляет 100 × 0,5 × 0,02 × 314 ≈ 314 В. Действующее значение, которое нагревает лампу так же, как такое же постоянное напряжение, равно пику, делённому на √2: около 222 В. Удвойте поле до 1 Тл — и пик удвоится до примерно 628 В.
Напряжение меняет знак, поэтому ток называют переменным. В Европе и России сеть меняет направление 50 раз в секунду (50 Гц) при 230 В; в США — 60 Гц при 120 В. В простейшей машине один оборот катушки даёт один период, поэтому для 50 Гц нужно 50 оборотов в секунду, то есть 3 000 оборотов в минуту, а для 60 Гц — 3 600. В больших машинах электростанций электромагнит ставят на вращающийся ротор, а катушки — на неподвижную часть, но принцип тот же. Коллектор, разрезное кольцо, которое меняет подключение каждые пол-оборота, превращает выход в постоянный ток, как в динамо-машине.
Переносной бензиновый генератор — это двигатель, соединённый с небольшим генератором переменного тока. Обращайтесь с ним осторожно. Запускайте его только на улице и подальше от окон и дверей: в его выхлопе есть угарный газ, который может убить без предупреждения. Никогда не включайте его в бытовую розетку: ток может пойти в обратную сторону в уличную сеть и подвергнуть опасности рабочих, ремонтирующих линию. Подключение к домашней проводке — дело квалифицированного электрика с правильным переключателем.
Что вращает вал: пар, вода и ветер
Катушку должно что-то вращать. На угольных, газовых и атомных станциях тепло превращает воду в пар, который дует на лопатки турбины; на плотине это делает падающая вода; на ветряной ферме — ветер. Ветровая турбина перехватывает мощность P = ½·ρ·S·v³, где ρ ≈ 1,2 кг/м³ — плотность воздуха, S — площадь, которую ометает ротор, v — скорость ветра. Для ротора диаметром 100 м S = π × 50² ≈ 7 850 м². При 10 м/с ветер несёт ½ × 1,2 × 7 850 × 10³ ≈ 4,7 МВт, а настоящая турбина берёт около 40 процентов, то есть примерно 1,9 МВт. Никакая турбина не может взять больше примерно 59 процентов: это предел Бетца. Куб важен: вдвое больше скорость ветра — в восемь раз больше мощность.
Не всякому источнику нужен генератор. У солнечной панели нет движущихся частей: свет выбивает электроны на стыке двух слоёв кремния, и это создаёт напряжение — фотоэлектрический эффект. При полном солнце, около 1 000 Вт на квадратный метр, панель в 1,7 м² с КПД 20 процентов даёт 1,7 × 1 000 × 0,20 = 340 Вт. Затем инвертор превращает постоянный ток в переменный для сети.
Переменный ток, трансформаторы и путь к розетке
В 1880-х годах системы постоянного тока Эдисона соперничали с системами переменного тока, которые поддерживали Джордж Вестингауз и Никола Тесла, и победил переменный ток, потому что трансформатор может менять его напряжение. В трансформаторе две катушки на одном железном сердечнике: U₂ / U₁ = N₂ / N₁. Если на 1 000 витков подано 230 В, а на другой стороне 50 витков, на выходе 230 × 50 / 1 000 = 11,5 В. То же устройство, включённое наоборот, повышает напряжение.
Высокое напряжение нужно потому, что длинные линии теряют энергию в виде тепла, P_пот = I²·R. Пошлём 10 МВт по линии сопротивлением 5 Ом. При 10 кВ ток равен 10 000 000 / 10 000 = 1 000 А, и потери составляют 1 000² × 5 = 5 МВт, то есть половину всего отправленного. Повысим напряжение до 100 кВ: ток упадёт до 100 А, а потери будут 100² × 5 = 50 кВт, всего 0,5 процента. Напряжение в десять раз больше — потерь в сто раз меньше. Трансформатор на станции повышает напряжение, линии несут его через страну, подстанции понижают его ступенями, а последний трансформатор на вашей улице доводит его до 230 В. Счётчик считает киловатт-часы: чайник 2 кВт, работающий 3 минуты, расходует 2 × 0,05 = 0,1 кВт·ч, то есть 360 кДж. Держитесь далеко от опор, подстанций и оборванных проводов.
Как вращается генератор в VJOURNAL SMART BOOK
Глава «Генераторы, трансформаторы и сеть» учебника физики VJOURNAL SMART BOOK (том II) на VITON13 SCHOOL ставит рядом с каждым абзацем живую 3D-сцену: магнит Фарадея, входящий в катушку и выходящий из неё, турбинный зал, где ротор вращают пар, вода или ветер, опоры, несущие энергию города при сотнях киловольт, трансформатор и счётчик, затем солнечные панели, повёрнутые к Солнцу, и ветровая турбина. Под рисунком песочница позволяет раскрутить турбину, менять силу магнита и смотреть, как за ней следует напряжение.
Используйте её как проверку этого руководства: 200 витков при 0,002 Вб за 0,1 с должны дать 4 В, а 100 витков при 0,5 Тл — пик около 314 В. Всё в главе происходит на странице, сеть не задействована. Никогда не пытайтесь собрать генератор, который подключается к домашней проводке.
Простыми словами
Подумайте о велосипедном динамо. Маленький магнит вращается рядом с катушкой провода, и пока он крутится, лампа светится; перестали крутить педали — и она гаснет. Генератор электростанции — та же идея в огромном размере, а педали за него крутит паровая турбина или падающая вода.
Попробуйте сами
В песочнице главы о генераторах раскрутите турбину быстрее, а затем усильте магнит и посмотрите, как растёт напряжение. Сравните результат с N·B·S·ω для 100 витков, 0,5 Тл, 0,02 м² и 50 оборотов в секунду.
Ожидаемый результат
Пик около 314 В, то есть действующее значение около 222 В. Удвоенное поле 1 Тл удваивает пик до примерно 628 В.
Проверьте себя: У катушки в 50 витков магнитный поток меняется на 0,004 Вб за 0,02 с. Какая ЭДС индуцируется и какая, если то же изменение занимает 0,01 с?
ЭДС = 50 × 0,004 / 0,02 = 10 В. За 0,01 с ЭДС = 50 × 0,004 / 0,01 = 20 В: то же изменение вдвое быстрее даёт вдвое большее напряжение.
Вопросы и ответы
Как работает генератор простыми словами?
Генератор вращает катушку провода внутри магнитного поля или магнит внутри катушки. Меняющееся магнитное поле толкает электрические заряды в проводе, и возникает напряжение, а при подключённой цепи — ток. Вращение обеспечивает турбина или двигатель.
Чем генератор отличается от электродвигателя?
Двигатель использует электричество, чтобы что-то вращать; генератор использует вращение, чтобы получать электричество. Устроены они похоже, и один часто может работать как другой.
Создаёт ли генератор энергию?
Нет. Он преобразует энергию движения в электрическую. Поскольку индукционный ток противодействует вызвавшему его изменению, нагруженный генератор вращать тяжелее, и эти дополнительные усилия оплачивают электричество.
Чем переменный ток отличается от постоянного?
Постоянный ток течёт в одну сторону, как от батарейки. Переменный меняет направление много раз в секунду: 50 Гц в Европе и России и 60 Гц в США. Переменный ток победил, потому что трансформаторы могут менять его напряжение.
Безопасно ли пользоваться переносным генератором дома?
Только с осторожностью. Запускайте его на улице подальше от окон, потому что выхлоп содержит смертельно опасный угарный газ, и никогда не включайте его в бытовую розетку, которая может послать ток обратно в сеть. Подключение к проводке должен делать квалифицированный электрик.
Почему электричество передают по линиям при высоком напряжении?
При той же мощности более высокое напряжение означает меньший ток, а тепло, теряемое в проводе, растёт с квадратом тока. При 100 кВ вместо 10 кВ потери в примере падают в сто раз.
Запомните цепочку: движение, меняющийся поток, напряжение. Затем проверьте её числами: 200 витков, 0,002 Вб и 0,1 с дают 4 В, и откройте главу о генераторах, чтобы раскрутить турбину самому.
Источники и дальнейшее чтение
- HyperPhysics: Generators ↗Источники проверены:
- OpenStax University Physics Volume 2: Faraday’s law ↗Источники проверены:
- HyperPhysics: Transformer ↗Источники проверены:
- U.S. Energy Information Administration: How electricity is generated ↗Источники проверены: