European Copper Institute Poland

Miedź i elektryczność: Wytwarzanie energii elektrycznej

 

Elektryczność z ruchu

Co to jest generator?
Turbina wiatrowa napędza generator, który wytwarza elektryczność. To wiatr powoduje, że turbina wiruje. Z kolei turbina napędza generator; wewnątrz generatora znajduje się cewka nawinięta z drutu, która obraca się w polu magnetycznym. Cewka wirująca w polu magnetycznym wytwarza napięcie. Napięcie to powoduje przepływ prądu w kablach sieci energetycznej i oświetla nasze domy.

(Dzięki uprzejmości Alternative Energy News)

 

Elementy turbiny wiatrowej.

Generatory w elektrowni są podobne, ale znacznie większe. Mogą wytwarzać moc wielu megawatów.

Działanie generatora, czyli prądnicy jest odwróceniem działania silnika – wkładamy ruch a odbieramy prąd elektryczny.

Przykład indukcji elektromagnetycznej – napięcie indukuje się w cewce, gdy wiruje ona w polu magnetycznym.

Wewnątrz prądnicy
Wnętrze prostej prądnicy jest bardzo podobne do prostego silnika elektrycznego. Wewnątrz prądnicy znajduje się cewka, która może wirować pomiędzy dwoma magnesami. Magnesy są połączone żelaznym jarzmem, a cewka jest połączona z przewodami za pomocą szczotek. Jednak w prądnicy, zamiast komutatora zastosowano pierścienie ślizgowe. Zatem styki nie zamieniają się wzajemnie – każda szczotka jest połączona z tym samym końcem cewki przez cały czas trwania cyklu.

Napięcie indukuje się w cewce, gdy wiruje ona w polu magnetycznym. Zobacz wideo poniżej.

Prosta animacja działania prądnicy prądu stałego (Dzięki uprzejmości Steven Carpenter)

Zauważ:

  • położenie cewki gdy indukowane napięcie osiąga maksymalną wartość.
  • zmianę kierunku prądu w ciągu cyklu.

Co powoduje, że prądnica działa?
Prądnica wytwarza napięcie. Dostarcza ona prąd, gdy dołączymy do niej obciążenie (np. żarówkę). Pod wpływem prądu żarówka zaświeca się. To jednak powoduje, że teraz trudniej jest napędzać prądnicę.

Gdy pobieramy prąd musimy ciężej pracować, aby utrzymać prądnicę w ruchu. Im większym prądem obciążamy prądnicę, tym trudniej ją napędzać.

To zrozumiałe: nie możemy otrzymać czegoś w zamian za nic. Gdy tylko zaprzęgniemy prądnicę do pracy dla nas, musimy wkładać w nią więcej pracy. A im więcej pracy chcemy otrzymać, tym więcej pracy musimy włożyć. Gdyby tak nie było, otrzymywalibyśmy coś za nic, a to przeczyłoby zasadzie zachowania energii.

Istnieje istotna fizyczna przyczyna, dla której trudniej napędzać prądnicę gdy jest obciążona prądem: ponieważ zaczyna się ona zachowywać jak silnik. Prąd płynie w cewkach, zatem na cewki działa siła – tak, jakby to był silnik. Siła ta przeciwstawia się ruchowi prądnicy i powoduje, że trudniej ją napędzać. Jest to fizyczna podstawa prawa Lenza. Siła działająca na indukowany prąd przeciwdziała sile, którą przykładamy, aby wywołać przepływ tego prądu.

Wkładamy pracę – otrzymujemy elektryczność
Gdy jedziesz na rowerze, to trzeba trochę silniej naciskać na pedały, jeżeli dynamo pracuje i zasila lampę. Przyczyną nie jest po prostu zwiększone tarcie. Musisz pracować, żeby dynamo zasilało lampę, a im więcej prądu lampa pobiera, tym trudniej pedałować.

Zawsze, kiedy pobieramy prąd z prądnicy lub dynama, musi istnieć jakaś siła napędzająca:

  • Rowerzysta pedałując wykonuje pracę, która napędza dynamo (zużywając energię chemiczną ze swojego pożywienia).
  • Wiatr wykonuje pracę napędzają turbinę; szybkość powietrza zmniejsza się.
  • Para w elektrowni cieplnej napędza turbinę, która z kolei napędza generatory (aby wytworzyć więcej pary, musimy spalać więcej węgla).

W każdym przypadku, nie otrzymujemy czegoś za nic. W celu dostarczenia prądu elektrycznego, musimy wykonać pracę mechaniczną.

Dynamo wytwarza napięcie aby zaświecić lampę. Im większy prąd dostarcza, tym pedałowanie wymaga większego wysiłku.

Co to jest indukcja

Indukowanie napięcia
Napięcie w przewodzie możemy indukować za pomocą pola magnetycznego. W tym celu musimy wywołać ruch przewodu względem pola. Napięcie to nazywamy siłą elektromotoryczną (SEM). Im szybciej przewodnik porusza się w polu, tym większa jest indukowana siła elektromotoryczna. Zjawisko to opisuje prawo Faradaya.

Jeżeli przemieszczamy przewód w przeciwnym kierunku, to kierunek siły elektromotorycznej ulegnie odwróceniu.

Siła elektromotoryczna spadnie do zera, jeżeli przewód:

  • przestanie poruszać się
  • znajdzie się poza polem magnetycznym.

W celu indukowania siły elektromotorycznej, przewód musi przecinać linie strumienia magnetycznego.

Indukowanie napięcie w przewodzie poruszającym się w polu magnetycznym

Im szybciej przewodnik poruszają się w polu, tym większa jest indukowana siła elektromotoryczna

Przemieszczanie przewodu w przeciwnym kierunku powoduje odwrócenie kierunku siły elektromotorycznej

Siła elektromotoryczna spada do zera jeżeli przewód przestaje się poruszać, lub porusza się poza polem magnetycznym.

Największą wartość siły elektromotorycznej otrzymujemy, gdy trzy poniższe wielkości są wzajemnie prostopadłe:

  • kierunek ruchu przewodnika
  • pole magnetyczne B
  • przewód, a zatem indukowana siła elektromotoryczna.

Dlaczego powstaje napięcie?
Wyobraźmy sobie elektrony (lub strumie elektronów) wstrzykiwane do pola magnetycznego. Na elektrony te będzie oddziaływała siła. Elektrony posiadają ładunek ujemny. Oznacza to, że chociaż elektrony poruszają się od lewej do prawej, to są jak prąd płynący w kierunku od prawej do lewej.

Aby wyznaczyć kierunek siły, możemy posłużyć się regułą Fleminga lewej dłoni. Siła jest skierowana w dół. Pod działaniem tej siły elektrony przemieszczają się w dół.

Odcinek miedzianego przewodu również zawiera wolne elektrony (A). Zatem, gdy wprowadzamy przewód w pole, elektrony pod działaniem siły przemieszczają się w dół (B), pozostawiając u góry przewodu nadwyżkę ładunku dodatniego. W wyniku rozdzielenia ładunków, w przewodzie powstaje napięcie (C). Na górnym końcu przewodu znajduje się większy ładunek dodatni, a na dolnym końcu – większy ładunek ujemny.

(A)

(B)

(C)

W którą stronę skierowana jest siła?
Siła elektromotoryczna SEM działa jak SEM ogniwa. Może powodować przepływ prądu w zamkniętym obwodzie. Jeżeli do przewodu dołączymy obciążenie, to popłynie prąd. Prąd ten nazywamy prądem indukcyjnym. Jednak, gdy przez przewód płynie prąd, to na ten przewód oddziałuje siła (w polu magnetycznym na przewód z prądem działa siła).

Aby wyznaczyć kierunek siły, możemy posłużyć się regułą Fleminga lewej dłoni. W tym przypadku siła jest skierowana w dół.

Inaczej mówiąc, siła będzie działać przeciwnie do kierunku ruchu przewodu. Spowoduje to spowolnienie ruchu przewodu. Jeżeli chcemy utrzymać przewód w ruchu, musimy na ten przewód wywierać siłę.

Jeżeli pobieramy z przewodu większy prąd, to musimy wywierać większą siłę. Im większym prądem obciążamy SEM, tym większą siłę musimy wywierać.

To zrozumiałe: nie możemy otrzymywać czegoś w zamian za nic. Gdy pobieramy większy prąd, to indukowana siła elektromotoryczna wykonuje dla nas większą pracę. Musimy więc wkładać więcej pracy mechanicznej. To właśnie jest zasada zachowania energii.

Prawo Lenza
Gdy pobieramy prąd, płynący pod wpływem indukowanego napięcia, to na przewód działa siła. Wiemy już, że siła ta będzie spowalniać ruch przewodu albo spowoduje, że trudniej będzie utrzymać go w ruchu. To zjawisko wyraża prawo Lenza:

“Prąd indukcyjny wzbudzony w przewodniku pod wpływem zmiennego pola magnetycznego, ma zawsze taki kierunek, że wytworzone wtórne pole magnetyczne przeciwdziała przyczynie, która go wywołała”.

Prawo Lenza opiera się na zasadzie zachowania energii. Gdyby kierunek indukowanego prądu był inny, moglibyśmy otrzymać coś w zamian za nic.

Indukcja w cewkach

Indukowanie prądu
Wyobraźmy sobie magnes znajdujący się w pobliżu cewki z miedzianego drutu. Cewka jest połączona z czułym amperomierzem. Jeżeli magnes jest nieruchomy, to w cewce nie płynie prąd. Jeżeli jednak zbliżamy magnes w kierunku cewki, amperomierz wychyla się w prawo. Teraz oddalamy magnes od cewki. Amperomierz wychyla się w lewo.

To dowodzi, że w cewce wyindukowany został prąd, ale tylko wtedy, gdy magnes poruszał się. Kierunek tego prądu zależał od kierunku ruchu. Aby uzyskać ciągły przepływ prądu w cewce, powinniśmy nieprzerwanie przybliżać i oddalać magnes. To spowoduje, że prąd będzie płynął tam i z powrotem. Inaczej mówiąc wytworzyliśmy prąd przemienny.

A jak możemy wyznaczyć kierunek prądu? Z prawa Lenza.

Prawo Lenza i cewki
Kiedy w cewce indukujemy prąd, staje się ona elektromagnesem. Jeden koniec cewki jest wtedy biegunem północnym, a drugi południowym. Gdy północny biegu naszego magnesu porusza się w kierunku lewego końca cewki, prąd indukowany płynie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (gdy patrzymy na lewy koniec). Biegun północny stara się odpychać zbliżający się biegun południowy.

Tak więc prąd indukowany przeciwstawia się ruchowi, który go indukuje (zgodnie z prawem Lenza).

Kiedy oddalamy magnes, lewy koniec cewki staje się biegunem południowym (aby przeciwstawić się oddalaniu magnesu). Prąd indukowany musi zatem płynąć w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.

Jak utrzymać ciągły przepływ prądu
Mocując magnes do korby i obracając rączką, możemy stworzyć prosty generator.

Jak zawsze, musimy ustawicznie obracać magnes, aby przezwyciężyć przeciwstawną siłę wytwarzaną przez indukowany prąd. To znaczy, że dla otrzymania energii elektrycznej musimy wkładać pracę mechaniczną

W niektórych generatorach magnes porusza się w pobliżu nieruchomej cewki. W innych, cewka przemieszcza się w polu magnetycznym. Chociaż w tym przypadku to cewka jest w ruchu, zasada działania jest ta sama – pole magnetyczne jest w ruchu względem cewki.

Nowe spojrzenie cewki w ruchu
Możemy teraz zrozumieć, dlaczego w poruszającej się cewce indukuje się napięcie. Można to postrzegać dwojako:

  • przewody jednego boku cewki przecinają linie strumienia magnetycznego,
  • cewka jest przemieszczana w kierunku bieguna północnego a następnie w kierunku bieguna południowego, i cykl ten powtarza się.

 

Strumień i gęstość strumienia

Indukowanie pądu
Dowiedzieliśmy się już, że możemy indukować siłę elektromotoryczną (SEM) zmieniając wielkość pola magnetycznego przenikającego obwód. Możemy to zrobić przemieszczając przewód w polu magnetycznym, albo przemieszczając magnes w pobliżu cewki. Ale co rozumiemy przez wielkość pola magnetycznego?

Strumień magnetyczny
Wyobraźmy sobie przewód poruszający się w polu magnetycznym. Pole magnetyczne przedstawiamy graficznie za pomocą tzw. linii pola magnetycznego. Gdy przewód porusza się w polu magnetycznym, przecina on linie pola. Liczba linii pola magnetycznego przecinanych przez przewód jest określana mianem strumienia magnetycznego. Jest ona zależna od wielkości powierzchni pola magnetycznego objętej przewodem oraz od natężenia pola magnetycznego (indukcji magnetycznej).

Możemy zwiększyć strumień szybciej poruszając przewodem albo zwiększając natężenie pola magnetycznego. To odpowiada przesunięciu magnesu bliżej cewki we wcześniejszym przykładzie.

Zatem strumień w obwodzie zmienia się jeżeli:

  • poruszamy przewodem w stacjonarnym polu
  • powodujemy zmianę pola.

W każdym przypadku indukujemy siłę elektromotoryczną SEM.

 

Indukcja magnetyczna
Strumień można traktować jako wielkość reprezentowaną przez pewną liczbę linii. Czasem nazywamy je liniami pola magnetycznego. Im bliżej siebie przebiegają linie, tym silniejsze jest pole. Natężenie pola jest więc przedstawiane za pomocą gęstości linii. Dla opisu tego zjawiska używamy określeń: natężenie pola magnetycznego, B, indukcja magnetyczna (gęstość strumienia magnetycznego). Pojęcie to stosujemy do zdefiniowania strumienia:

natężenie pola magnetycznego = indukcja magnetyczna = strumień na jednostkę powierzchni
B = Φ / A
Φ = B A

Prawo Faradaya
Zobaczyliśmy, że im szybciej poruszamy przewodem, tym większą siłę elektromotoryczną SEM indukujemy. Stwierdzamy więc, że siła elektromotoryczna SEM (ε) jest proporcjonalna do szybkości zmian strumienia magnetycznego. Zatem w prostym obwodzie:
ε dΦ/dt

To oznacza, że jeśli podwajamy szybkość poruszania się przewodu, strumień w obwodzie wzrasta z podwójną szybkością. Zatem siła elektromotoryczna SEM będzie dwukrotnie większa.

Możemy zwiększyć całkowity strumień sprzężony z obwodem używając cewki zamiast pojedynczego przewodu. W tym przypadku siła elektromotoryczna ε, wzrośnie proporcjonalnie do liczby zwojów N w cewce. Otrzymaliśmy zatem wyrażenie na prawo Faradaya:
ε = – N (dΦ/dt)

Zauważ znak minus w tym równaniu. Wskazuje on, że indukowana siła elektromotoryczna SEM przeciwstawia się zmianie strumienia, która ją wytworzyła.

Pytania

1. Spójrz na prosty generator poniżej.

a) Napięcie wyjściowe jest stałe czy przemienne?
b) Jak odwrócenie kierunku wirowania cewki wpływa na napięcie?
c) Gdy cewka wiruje szybciej, zmieniają się dwa parametry napięcia wyjściowego. Które?
d) Jakie jest położenie cewki, gdy napięcie wyjściowe osiąga największą wartość?
e) Jaki jest kierunek ruchu boków cewki względem pola magnetycznego, gdy napięcie wyjściowe osiąga największą wartość?

2. Na rysunku poniżej, elektrony poruszają się z lewej do prawej. Odpowiada to prądowi płynącemu z prawej do lewej.

a) Dlaczego prąd płynie w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu elektronów?
b) Wyjaśnij dlaczego na przewód, z którego pobieramy prąd indukcyjny, działa siła.
c) Kierunek tej siły przeciwstawia się ruchowi, który doprowadził do indukowania prądu. Opisz co stałoby się, gdyby tak nie było.
d) Czyje to prawo?

3. Spójrz na obwód na poniższym rysunku. Ukazuje on przewód poruszający się w polu magnetycznym. Przewód jest połączony z woltomierzem. Indukcja magnetyczna wynosi 2 T (tesla), a przewód porusza się z prędkością 3 cm s-1. Długość przewodu jest 20 cm. Wyobraź sobie, że zaczynamy odmierzać czas poruszającego się przewodu, gdy znajduje się on 10 cm wewnątrz pola.

a) Jaka jest powierzchnia strumienia magnetycznego przenikającego obwód?
b) Jak duży jest strumień przenikający obwód?
c) Jak daleko przewód przemieści się w polu po 5 sekundach?
d) O ile wzrośnie strumień w czasie tych 5 sekund?
e) Jaka jest siła elektromotoryczna indukowana w przewodzie?