Ми знаємо, що зміна магнітного потоку через котушку може створити електрорушійну силу, а в замкненому колі — електричний струм. Але відкриття електромагнітної індукції мало набагато важливіший наслідок. Людство отримало спосіб перетворювати механічну енергію на електричну. Саме це робить електричний генератор.
Найпростіший генератор
Уявімо найпростішу модель: котушка з дроту обертається між полюсами магніту. Під час обертання змінюється магнітний потік через котушку, тому в ній виникає ЕРС. Котушка продовжує обертатися. Магнітний потік через неї то збільшується, то зменшується, а кожні пів оберту напрямок його зміни стає протилежним. Разом із ним змінюється й напрямок ЕРС.
У результаті такий генератор природним чином створює змінну напругу, а якщо коло замкнене — змінний струм. У великих генераторах електростанцій конструкція зазвичай інша. Обертається ротор, який створює магнітне поле, а електрична енергія виникає в нерухомих обмотках статора. Але принцип залишається тим самим: магнітний потік через обмотки змінюється — виникає ЕРС.
Джерело енергії
Але звідки береться енергія? Сам генератор її не створює. Хтось або щось має обертати його ротор. На гідроелектростанції воду спрямовують на турбіну. На багатьох теплових і атомних електростанціях турбіну обертає пара. У вітровій установці енергію обертання дає рух повітря.
Джерела різні, але останній етап схожий: турбіна обертає ротор генератора, змінюється магнітний потік через обмотки, і механічна енергія перетворюється на електричну. Саме цей принцип дозволив виробляти електроенергію у величезних масштабах.
Але отримати електричну енергію — лише половина справи. Потрібно було навчитися перетворювати її назад на механічний рух. І тут з’являється електродвигун.
Електричний двигун
Його принцип роботи можна зрозуміти з того, що ми вже знаємо. На провідник зі струмом, поміщений у магнітне поле, діє сила Ампера. В електродвигуні провідники та магнітні поля розташовані так, щоб ці сили створювали обертальний момент і змушували ротор обертатися.
Але одного поштовху недостатньо. Потрібно зробити так, щоб після половини оберту ротор не зупинився й не почав повертатися назад. Тому в електродвигунах струм і магнітні поля організовані так, щоб обертальний момент продовжував діяти в потрібному напрямку.
Отже, генератор і електродвигун виконують протилежні завдання. Генератор отримує механічну енергію і перетворює її на електричну. Електродвигун отримує електричну енергію і перетворює її на механічну.
Генератор-електродвигун
Більше того, багато електричних машин у принципі можуть працювати в обох режимах. Наприклад, електродвигун електромобіля під час розгону перетворює електричну енергію на рух, а під час рекуперативного гальмування може працювати як генератор і повертати частину енергії назад в акумулятор.
І саме можливість легко перетворювати механічну енергію на електричну, а електричну — назад на механічну стала одним із фундаментів сучасної цивілізації.
Передача електроенергії
Раніше механічну енергію часто доводилося отримувати безпосередньо там, де вона була потрібна. Водяне колесо мало стояти біля річки, а парова машина — поруч із механізмами, які вона приводила в рух.
Електрика принципово змінила цю ситуацію. Тепер енергію можна виробляти в одному місці, передавати електричною мережею туди, де вона потрібна, а вже там електродвигуни знову перетворюють її на механічну роботу. Саме тому одна електростанція може забезпечувати енергією величезну кількість пристроїв.
Але щойно електричні системи почали ставати складнішими, виникла нова практична проблема. Інженеру вже було недостатньо знати, що генератор може створити напругу. Він мав розрахувати, який струм потече через конкретний провідник або пристрій.
Чому за однакової напруги через один провідник може проходити великий струм, а через інший — значно менший? І як пов’язані між собою напруга, струм та опір?
Відповідь на це питання дав Георг Ом.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Світ електрики“.