Generator prądu zamienia energię mechaniczną na elektryczną. Silnik elektryczny z kolei działa odwrotnie, zamieniając energię elektryczną na mechaniczną, służącą do napędu maszyn. Pomimo tej znaczącej różnicy generatory prądu i silniki elektryczne mają ze sobą wiele wspólnego.
Wspólne dla generatorów oraz silników elektrycznych są m.in. mechanizm działania oraz podstawowa konstrukcja. Oba urządzenia działają, wykorzystując prawo Faradaya o indukcji elektromagnetycznej.
Generatory: od energii mechanicznej do elektrycznej
Prawo Faradaya mówi, że jeżeli nastąpi zmiana pola magnetycznego w zamkniętym obwodzie, takim jak przewód lub cewka, elektrony są zmuszone do poruszania się prostopadle do kierunku tego pola. Powstaje wówczas siła elektromotoryczna, która powoduje ruch elektronów w jednym kierunku. To zjawisko może być wykorzystane do wytworzenia energii elektrycznej w generatorze.
By wytworzyć strumień magnetyczny, magnes i przewodnik przemieszczają się względem siebie. Przewód jest bardzo ciasno nawinięty, tworząc cewkę elektryczną, co zapewnia zwiększenie liczby zwojów i tym samym większą siłę elektromotoryczną. Poprzez ciągły ruch cewki lub magnesu, gdy druga część pozostaje w bezruchu, powstaje ciągła zmiana strumienia magnetycznego. Element obrotowy nazywany jest wirnikiem, podczas gdy element nieruchomy to stojan.
Generatory można podzielić na dwie kategorie: prądnice wytwarzające napięcie stałe oraz alternatory wytwarzające napięcie przemienne.
Prądnica to rodzaj generatora elektrycznego, który jako pierwszy znalazł zastosowanie w przemyśle. Prądnica została wynaleziona przez kilka osób niezależnie w czasie rewolucji przemysłowej. Urządzenie to wykorzystuje obracające się uzwojenia i pole magnetyczne do zamiany energii mechanicznej w prąd stały (direct current – dc). Historycznie prądnice były stosowane do produkcji energii elektrycznej, a do wytworzenia energii mechanicznej często wykorzystywano silnik parowy.
Obecnie prądnice nie mają wielu zastosowań poza kilkoma aplikacjami o małej mocy. Alternatory są o wiele bardziej popularnymi urządzeniami służącymi do produkcji energii elektrycznej. Ten typ generatora zamienia energię mechaniczną na prąd przemienny. Zamocowany ruchomo magnes (wirnik) obraca się wewnątrz pierścienia z zestawem uzwojeń na żelaznym rdzeniu – stojana. Obracające się pole magnetyczne indukuje napięcie przemienne w stojanie. Pole magnetyczne może być generowane z użyciem magnesów stałych lub elektromagnesów. Alternator samochodowy, podobnie jak generatory w elektrowniach wytwarzające prąd do sieci, są generatorami elektrycznymi.
Silniki elektryczne: od energii elektrycznej do mechanicznej
Silniki elektryczne znajdują zastosowanie w bardzo wielu aplikacjach, od przemysłu wytwórczego do urządzeń domowych. Zasada ich działania jest odwrotna niż generatorów. Zamiast zamieniać energię mechaniczną na energię elektryczną, silnik elektryczny przetwarza energię elektryczną na mechaniczną.
Wirnik to poruszający się wał silnika, który tworzy bezpośrednio energię mechaniczną. Stojan zbudowany jest z uzwojeń i magnesów stałych, z rdzeniem wykonanym z cienkich blach złożonych razem. Taki rdzeń zwany jest rdzeniem warstwowym. Budowa warstwowa powoduje mniejsze straty energii niż w przypadku rdzenia wykonanego z litego materiału. Pomiędzy stojanem a wirnikiem istnieje niewielka przerwa wypełniona powietrzem, która pomaga w zwiększeniu natężenia prądu magnesującego. Pomimo że silniki elektryczne mogą być piezoelektryczne, elektrostatyczne lub magnetyczne, to właśnie te ostatnie stanowią znakomitą większość wśród obecnie stosowanych. Niektóre z urządzeń zasilane są napiciem stałym, podczas gdy inne napięciem przemiennym. Tych ostatnich jest zdecydowanie więcej.
Prawo Faradaya o indukcji elektromagnetycznej
Dziś wiemy, że elektryczność i pole magnetyczne to zjawiska nierozerwalnie ze sobą związane, a zależności między nimi opisuje dział fizyki – elektromagnetyzm. W odniesieniu do przyrody i całego wszechświata, jaki znamy, uważa się, że siła elektromagnetyczna w formie, w jakiej istnieje dotychczas, powstała między 1012 a 106 sekund po wielkim wybuchu.
W 1831 r. fizyk Michael Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej, zauważając bliski związek pomiędzy obserwowanymi zjawiskami magnetyzmu i elektryczności. Co interesujące, w 1832 r. kolejny naukowiec, Joseph Henry, dokonał niezależnie tego samego odkrycia. Faraday był tym, który pierwszy opublikował swoje odkrycie, i do dzisiaj to jemu przypisuje się to osiągnięcie.
W późniejszym czasie James Clerk Maxwell znalazł sposób, aby za pomocą matematycznych wzorów opisać odkrycie Faradaya, co zaowocowało stworzeniem równania znanego jako równanie Maxwella-Faradaya.
Prawo Faradaya jest prawem fizyki pozwalającym dokładnie przewidzieć i zmierzyć, w jaki sposób pole magnetyczne wchodzi w interakcję z prądem i generuje siłę elektromotoryczną (electromotive force – EMF). Za pomocą siły elektromotorycznej możliwa jest zamiana innych form energii, np. energii mechanicznej, na elektryczną. Ta zasada fizyki pozwala konstruować zarówno silniki elektryczne, jak i generatory prądu. Pomimo że obie maszyny realizują przeciwne funkcje, działają w oparciu o tę samą zasadę i wykorzystują te same prawa fizyki.
Podsumowanie
Wkład Michaela Faradaya w rozwój nauki o elektryczności i magnetyzmie był niezrównany, pomimo jego skromnego oficjalnego wykształcenia oraz mimo tego, że na początku XIX w. badania empiryczne zjawisk fizycznych były relatywnie nowością w świecie nauki. Faraday jest bez wątpienia jednym z najbardziej wpływowych naukowców w historii ludzkości.
Najważniejsze odkrycie Faradaya – interakcja pola magnetycznego z przepływającym prądem, tworząca siłę elektromotoryczną – otworzyło drogę do wykorzystywanych współcześnie technologii maszyn elektrycznych. Prawo Faradaya o indukcji magnetycznej jest podstawową zasadą działania transformatorów, silników elektrycznych, generatorów, cewek indukcyjnych i zaworów elektromagnetycznych. Bez tej wiedzy niemożliwe byłoby stworzenie niezawodnego sprzętu wytwarzającego energię do sieci elektrycznej lub silników elektrycznych napędzających maszyny. Co więcej, zasady elektrodynamiki sformułowane przez Faradaya, a później Maxwella miały wpływ na powstanie teorii względności Alberta Einsteina.
Davis Manney zajmuje stanowisko marketing administratora w firmie L&S Electric.
