Kodėl sukantis turbinai generuojama energija?
Trumpas atsakymas: Sukant turbiną, sukamas velenas, kuris suka generatorių. Generatoriaus viduje judantys magnetai ir ritės sukuria kintantį magnetinį lauką, kuris stumia elektronus ir sukuria elektros srovę.
Ką tai reiškia?
Turbina yra ratas su mentėmis. Vėjas, vanduo arba garai stumia mentes ir priverčia ratą suktis. Ratas pritvirtintas prie generatoriaus.
Generatoriaus viduje yra vielos ritės ir magnetai. Kai velenas sukasi, magnetai juda pro rites arba ritės juda pro magnetus. Šis besikeičiantis magnetinis laukas priverčia elektronus tekėti laide.
Šis elektronų srautas yra elektra, kurią naudojame namuose ir mašinose. Sukinėjimas tiekia energiją. Generatorius paverčia šį judėjimą elektros energija, todėl energija laidais gali patekti į šviestuvus, telefonus ir gamyklas.
Jei sunaudojate daugiau elektros, turbina turi būti sukama stipriau arba greičiau, kad ji toliau būtų gaminama.
Kaip tai veikia moksliškai
Įvardyti dėsniai / principai: Poveikis/Dėsnis: Elektromagnetinė indukcija (Faradėjaus dėsnis) ir Lenco dėsnis.
Faradėjaus dėsnis teigia, kad kintantis magnetinis laukas per vielos kilpą sukuria elektrovaros jėgą (įtampą). Ši įtampa gali stūmti elektronus ir sukurti elektros srovę, jei kilpa yra uždaros grandinės dalis. Daugumoje generatorių magnetai sukasi šalia stacionarių ričių arba ritės sukasi stacionarių magnetų viduje.
Esmė ta, kad magnetinis srautas (magnetinio lauko stiprumas, einantis per ritę) laikui bėgant kinta. Kuo greitesnis pokytis, tuo didesnė indukuota įtampa. Lenco dėsnis priduria, kad indukuota srovė sukuria savo magnetinį lauką, kuris priešinasi pokyčiui.
Štai kodėl generatorius, gamindamas elektrą, priešinasi sukimuisi: elektros gamyba stumia atgal judėjimą ir paverčia mechaninę energiją elektros energija.
Kaip mes tai žinome: Eksperimentai ir mašinos, sukurtos po ankstyvųjų Faradėjaus darbų, rodo, kad indukuota įtampa yra proporcinga magnetinio srauto kitimo greičiui. Matavimai laboratorijose ir tikruose generatoriuose atitinka šių dėsnių prognozes ir jie sudaro visų elektros jėgainių ir variklių pagrindą.
Kur tai pastebėsi
- Vėjo turbinos ūkiuose ir jūroje, kurios sukasi iš vėjo
- Hidroelektrinės užtvankos, kuriose vanduo teka sukdamas turbinas
- Garo turbinos anglies, gamtinių dujų ir atominėse elektrinėse
- Rankomis arba pedalais valdomi generatoriai žibintuvėliams ir dviračių žibintams
- Mažos dinamos senuose dviračių žibintuose ir didesni generatoriai laivuose ir traukiniuose
Eksperimentas
Magneto sukimas LED įžiebimui
Sauga: Laikykite magnetus atokiau nuo elektronikos ir mažų vaikų; magnetai gali prispausti pirštus.
Priemonės
- stiprus magnetas
- izoliuotas varinis laidas
- LED
- švitrinis popierius
- juosta
- kartoninis vamzdelis arba vinis (nebūtina)
Žingsniai
- Sandariai apvyniokite varinį laidą aplink kartoninį vamzdelį arba vinį, kad susidarytų daugiavijų spiralė; kiekviename gale palikite 5–10 cm laisvos vielos.
- Švitriniu popieriumi nugramdykite izoliaciją nuo laido galų, kad metalas būtų atidengtas.
- Pritvirtinkite LED laidus prie dviejų atvirų ritės galų (poliškumas gali būti nesvarbus esant mažam impulsui).
- Laikykite magnetą ir kelis kartus greitai įstumkite jį į ritę ir iš jos arba pasukite magnetą šalia ritės.
- Stebėkite LED, ar nesimato mažų blyksnių, kai keičiasi magnetinis laukas. Ką tai rodo: Magneto judinimas šalia ritės pakeičia magnetinį lauką ir trumpam sukuria elektrą.
Naudingi terminai
- Turbina: Ratas su mentėmis, kuris sukasi, kai jį spaudžia skystis (oras, vanduo, garai).
- Generatorius: Mašina, kuri judesį paverčia elektra judindama magnetus ir rites.
- Magnetinis srautas: Magnetinio lauko stipris, einantis per vielos kilpą.
- Elektromagnetinė indukcija: Procesas, kai kintantis magnetinis laukas sukuria elektros įtampą.
- Įtampa: Stūmis, dėl kurio elektros krūviai juda grandinėje.
Vaikai klausia
Ar koks nors besisukantis objektas gamina elektrą?
Ne. Sukimasis turi pakeisti magnetinius laukus generatoriuje su ritėmis ir magnetais.
Kodėl suktis tampa sunkiau, kai generatorius gamina elektrą?
Indukuota srovė sukuria jėgas, kurios priešinasi judėjimui (Lenco dėsnis), todėl reikia tiekti daugiau mechaninės energijos.
Ar turbina gali gaminti energiją be kuro?
Taip – vėjas ir krintantis vanduo suka turbinas nedegindami kuro, tačiau joms vis tiek reikia judėjimo šaltinio.
Ar gaminama elektra yra kintamoji, ar nuolatinė srovė?
Dauguma didelių generatorių gamina kintamąją srovę (AC); maži įrenginiai gali gaminti nuolatinę srovę (DC) arba naudoti dalis, kurios keičia AC į DC.