Lyst til å vinne en kraftig solcellelader?

Svar på våre 7 enkle spørsmål her.

Innholdsfortegnelse
Kompetansemål

Hvordan virker en generator?

14. juli, 2020
Generatorer i et vannkraftverk. Kilde: Norsk Hydro ASA Flickr.com/norskhydro (CC BY-NC-SA 2.0)
Figur 1: Generatorer i et vannkraftverk. Kilde: Norsk Hydro ASA (CC BY-NC-SA 2.0)

Enkelt forklart er en generator en maskin som produserer elektrisitet. Men hvordan skjer dette? Det går som kjent ikke an å lage elektrisitet, for av energiloven vet vi at energi verken kan oppstå eller forsvinne, bare endre form.

 

Første halvdel av denne teksten er en enkel forklaring av hvordan generatorer virker, deretter kommer en avansert forklaring (fysikk 2). 

Sammendrag

En generator er en maskin som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi. Den består av to viktige deler: magneter og spoler (av for eksempel kobberledning). En ytre kraft, f.eks. en turbin som roterer, setter magnetene i bevegelse. Når magneter og ledninger beveger seg i forhold til hverandre, oppstår det strøm og spenning i ledningen.

 

Enkelt forklart: Strømmen og spenningen oppstår fordi spolen vil oppleve at magnetfeltet rundt magneten vil variere i styrke og retning når magnetene roterer. Et varierende magnetfelt vil starte en elektrisk strøm i en krets. Dette er et fysisk prinsipp fra læren om elektromagnetisme.

 

Avansert forklart: At spenning oppstår i en ledning på grunn av et varierende magnetfelt kalles elektromagnetisk induksjon. Induksjon oppstår når man ender arealet til spolen, vinkelen mellom magnetene og spolen, eller beveger dem i forhold til hverandre. Felles for alle disse er at den magnetiske fluksen endrer seg, noe som kreves for at det skal skje elektromagnetisk induksjon. Spenningen som oppstår på grunn av induksjon kalles elektromotorisk spenning, ems, og dess raskere fluksen endrer seg dess høyere ems får man. Dermed øker også potensialet for å produsere mer strøm.

 

I generatoren blir mekanisk energi omdannet til elektrisk energi. Vi bruker bevegelsesenergi fra for eksempel vannkraft eller vindkraft til å drive generatoren slik at vi får elektrisk strøm og spenning, som vi for eksempel kan bruke til å lyse opp husene våre.

 

Definisjon: En generator er en maskin som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi.
De ulike delene av en generator. Kilde: Wikimedia Commons
Figur 2: De ulike delene av en generator. Kilde: Wikimedia Commons

Hva består en generator av?

En generator består blant annet av to viktige deler:

  1. Magneter 
  2. Spoler av isolert kobbertråd, det vil si kobberledninger som er surret rundt i en ring.  

I en generator vil en av disse delene være i ro, og den andre vil være i bevegelse (ofte rotasjonsbevegelse). Den delen som er i ro kaller vi en stator, mens den delen som beveger seg kaller vi rotor. Det spiller ingen rolle om det er magnetene eller spolene som er i bevegelse.

En generator drives av en ekstern energikilde

En generator krever en ekstern energikilde for å få rotoren til å rotere. Den eksterne energikilden kan f. eks. være bevegelse fra vann, vind eller muskelkraft. I et vannkraftverk får vannet en turbin til å rotere (se figur 2). I små generatorer, slik som den hjemmelagde generatoren i figur 3, kan man bruke hånden til å rotere magnetene. Da er det hånden som er den eksterne energikilden (muskelkraft). 

 

Liten, hjemmelaget generator. Magnetene roterer = rotor. Spolen av kobbertråd = stator. Kilde: UngEnergi
Figur 3: Liten, hjemmelaget generator. Magnetene roterer = rotor. Spolen av kobbertråd = stator. Slik bygger du din egen. Kilde: UngEnergi

Hvordan virker en generator? (enkelt forklart)

Kort fortalt: Når magnetene og spolene av kobberledning beveger seg i forhold til hverandre, vil magnetfeltet rundt magnetene påvirke kobberledningene slik at det oppstår spenning og strøm i dem. Men hvorfor?

 

Figur 4: Linjene med piler viser magnetfeltets retning. Jo kortere avstand mellom linjene, jo sterkere er magnetfeltet. Pilene går inn mot sørpolen og ut fra nordpolen av en magnet. Kilde: Wikimedia Commons, Geek3.

Magneter er omringet av et magnetfelt. For stavmagneter ser feltet ut som på figur 4. Linjene viser retningen til feltet. Jo tettere linjene står, jo sterkere er magnetfeltets styrke. Hvis du leker med magneter, vil du merke feltet rundt dem. Magnetene påvirkes av hverandre.

 

Også spoler kan la seg påvirke av at det er magneter i nærheten. Hvis magnetene og spolene ligger i ro, skjer det ingenting. Men hvis magnetene er i bevegelse, vil spolene oppleve at magnetfeltet fra magnetene varierer. Det vil være svakere eller sterkere avhengig av hvordan magnetene er orientert. Alternativt kan vi bevege spolene, mens magnetene er i ro.

 

Når magnetene beveger seg, vil endringen i magnetfeltet påvirke kobberledningene slik at det oppstår spenning og strøm i dem. Denne strømmen og spenningen kan brukes til å drive et elektrisk apparat! At et magnetfelt som varierer kan skape elektrisk strøm og spenning i en ledning høres kanskje litt utrolig ut? Dette fenomenet kalles elektromagnetisk induksjon. Hvis du vil lære mer om det kan du lese videre. 

 

En fin animasjon: https://phet.colorado.edu/sims/html/faradays-law/latest/faradays-law_nb.html (skru på magnetfeltlinjer!)

 

Hvordan elektrisk strøm oppstår i kobberledningene i spolen

Elektrisk strøm er elektroner i bevegelse. Mange metaller leder strøm veldig godt, deriblant kobber. Det er fordi de ytterste elektronene, også kalt valenselektronene, er løst bundet og kan bevege seg ganske fritt i metallet. Resten av atomet (kjernen og de andre elektronene) kan vi se for oss som et gitter av positive ioner. De fleste metallene har en eller to valenselektroner. Når det går strøm i en metallisk leder er det valenselektronene som beveger på seg. Kobber blir mye brukt i ledninger og generatorer fordi den er en god leder og samtidig ikke er altfor dyr å utvinne.

 

Når det ikke går strøm i en metallisk leder ligger valenselektronene nesten helt i ro, relativt jevnt fordelt i metallet. Når en magnet nærmer seg metallet vil elektronene “merke” bevegelsen til magneten fordi magnetfeltet som går gjennom spolen endrer seg. Elektronene “ønsker” å motarbeide denne endringen i det magnetiske feltet og begynner derfor å bevege seg, slik at vi får en strøm i spolen. Det vil da dannes et magnetisk felt rundt spolen som går i motsatt retning av det magnetiske feltet fra magneten. Vi har dermed fått strøm i spolen ved å bevege magneten i nærheten.  I en generator bruker man dette prinsippet ved å få en ytre kraft til å bevege enten magneten eller spolen, slik at de er i konstant bevegelse i forhold til hverandre. På denne måten kan man omdanne mekanisk energi til elektrisk strøm. 

 

Denne videoen forklarer elektromagnetisk induksjon på en gøyal måte: https://www.youtube.com/watch?v=o5nQlhmGHtY 

Hvordan virker en generator? (avansert forklart)

Hvis vi skal gå dypere inn på hvordan elektrisitet kan omdannes fra mekanisk energi i en generator, må vi innføre noen nye begrep:

  • Elektromagnetisk induksjon
  • Elektromotorisk spenning (ems)
  • Magnetisk fluks

 

Elektromagnetisk induksjon, ofte bare kalt induksjon, er enkelt forklart det fenomenet der elektrisitet oppstår som følge av at magnetene og spolene beveger seg i forhold til hverandre. Det var Michael Faraday som først oppdaget elektromagnetisk induksjon, i 1831. Litt mer avansert forklart er elektromagnetisk induksjon fenomenet der elektromotorisk spenning oppstår i en ledning når den magnetiske fluksen endrer seg. Disse begrepene blir forklart nedenfor.

 

Elektromotorisk spenning er det vi kaller den spenningen som oppstår i ledningen i generatoren. Ofte forkorter vi det til ems, og vi snakker gjerne om indusert ems fordi spenningen oppstår som følge av induksjon. Spenning er definert som “arbeid per ladning”. Det vil si at spenningen utfører et lite arbeid på hver ladning (elektron) i ledningen, slik at vi får en elektrisk strøm. Du kan se for deg at spenningen dytter på elektronene, og elektroner (ladninger) i bevegelse er strøm. Den elektromotoriske spenningen er drivkraften eller ”motoren” bak strømmen. Jo mer ems som blir indusert, jo større potensial for strøm. 

 

Men hva er magnetisk fluks? Ordet fluks kommer fra latin og betyr en strøm, eller en flyt av noe, gjennom en flate. I vårt tilfelle er det en ”flyt” av magnetfelt gjennom en flate. Kanten på flaten kan være en ring av kobbertråd (en såkalt strømsløyfe) eller en spole. Vi sier at vi har et magnetfelt i et område der det virker magnetiske krefter, og vi finner magnetfelt for eksempel rundt magneter og ledninger som det går strøm gjennom. Magnetfelt har retning og styrke (se figur 4). Ofte illustrerer vi feltene med piler som viser retningen, og jo tettere pilene står, jo sterkere feltstyrke. Et enkelt bilde på magnetisk fluks er en strømsløyfe med et magnetfelt gjennom, illustrert av piler (se figur 5). Veldig enkelt forklart kan vi si at magnetisk fluks er et mål på hvor mye magnetisme som strømmer gjennom ringen av kobbertråd. 

 

Figur 5: Magnetisk fluks. Ringen kan f.eks. være en spole. Magnetfeltet, \(\vec{B}\), er illustrert med piler. Arealvektoren, \(\vec{A}\), stikker vinkelrett opp fra ringens overflate. Vinkelen mellom \(\vec{A}\) og \(\vec{B}\) er \(\theta\). Legg merke til at \(\theta\) ikke er vinkelen mellom \(\vec{B}\) og selve ringen, men mellom \(\vec{B}\) og en vektor normalt på ringen, \(\vec{A}\). Figur: UngEnergi

Det finnes en formel man kan bruke for å regne ut magnetisk fluks. Denne formelen er  

 

\( \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} \cdot \cos(\theta) \)

 

Her ser vi at fluksen blir påvirket av tre størrelser: \(\vec{B}\), \(\vec{A}\) og \(\theta\). Nå skal vi forklare denne formelen:

  • Magnetisk fluks har symbolet \(\Phi\) (phi) og enheten weber (Wb). 
  • \(\vec{B}\) er den magnetiske feltstyrken, og er en vektor med enheten tesla (T).
  • \(\vec{A}\) er en vektor som står vinkelrett på flaten, med samme verdi som arealet til flaten og enhet m²
  • \(\theta\) er vinkelen mellom \(\vec{A}\) og \(\vec{B}\).

 

Om vektorer og høyrehåndsregelen

Vektorer

\(\vec{A}\) og \(\vec{B}\) er vektorer. Det vil si at de er størrelser som har en verdi (et tall) og en retning (illustrert med en pil). \(\vec{B}\) (feltstyrken) har samme retning som pilene til magnetfeltet. \(\vec{A}\) (arealvektoren) står 90 grader på flaten (altså spolen med kobbertråd). Vi kan selv bestemme om den skal peke “opp” eller “ned” (altså hvilken side av flaten den skal peke ut fra), se figur 6. \(\theta\) blir vinkelen mellom magnetfeltet og arealvektoren. Det er viktig å huske at \(\theta\) ikke er vinkelen mellom magnetfeltet og selve ringen. 

 

De som har hatt litt om vektorer i matematikk, ser kanskje at formelen for magnetisk fluks ligner på et skalarprodukt. Det vil si at størrelsen magnetisk fluks er et vanlig tall, en skalar, ikke en vektor med en retning. 

Figur 6: Arealvektoren kan peke begge veier ut av en ring, men når du først bestemmer deg for en retning bør du holde deg til den. Ditt valg vil påvirke hva som blir positiv retning for strøm og spenning i ringen. Dette har ingenting med hvilken retning strømmen egentlig går, men hvilket fortegn den får. Hvis strømmen går i motsatt retning av definert positiv retning, vil strømmen få negativt fortegn. Dette er nyttig i regneoppgaver (fysikk 2). Figur: UngEnergi

 

Høyrehåndsregelen

Man bestemmer positiv retning i strømsløyfa med en såkalt “høyrehåndsregel”, se figur 7. Fysikk 2-elever er godt kjent med denne, men vi skal forklare den her. 

  1. Lag en “thumbs up!” med høyrehånden din (slik som Facebooks liker-symbol)
  2. La tommelen peke opp samme vei som arealvektoren peker opp (som om du griper rundt stanga til arealvektoren, og tommelen peker mot pilspissen)
  3. Nå vil de fire fingrene som ikke er tommelen peke i positiv retning i ringen. 

Retningen kan være nyttig når du gjør regneoppgaver osv.

Figur 7: Her viser vi hvordan man kan bruke høyrehåndsregelen til å bestemme positiv retning for strømmen i strømsløyfa. Hvis strømmen går andre veien enn \(I_{1}\), vil den ha negativt fortegn.

 

Formelen \( \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} \cdot \cos(\theta) \) kan hjelpe oss å skjønne hvordan fluksen forandrer seg. Hvis man endrer enten \(\vec{B}\), \(\vec{A}\), eller \(\theta\) i formelen, vil også \(\Phi\) endre seg! Det er derfor flere måter å endre fluksen på: 

 

  1. Vi kan endre magnetfeltstyrken \(\vec{B}\) ved å endre styrken (sterkere/svakere magnetfelt). Dette kan vi gjøre ved å ta en magnet nærmere eller lengre unna en strømsløyfe.
  2. Arealet i ringen kan endres ved å gjøre strømsløyfa større eller mindre.  Med andre ord kan man få elektrisitet av å klemme sammen en spole i et magnetfelt.
  3. I tillegg blir den magnetiske fluksen endret hvis vinkelen mellom \(\vec{A}\) og \(\vec{B}\) endres. Det vil si at hvis vi roterer magnetene slik at magnetfeltet endrer retning (figur 8), eller roterer flaten slik at \(\vec{A}\) endrer retning, vil vi få indusert en spenning.
Figur 8: I denne situasjonen har vi en roterende magnet og en spole som står i ro. Magneten er omringet av et magnetisk felt, som du vil føle hvis du fører en annen magnet i nærheten av denne. Magnetfeltet strekker seg inn i spolen, slik at det blir en magnetisk fluks gjennom den. Når magneten roterer vil magnetfeltet som går gjennom spolen endre seg, og dette vil føre til en endring i den magnetiske fluksen. Fluksen, gitt av \( \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} \cdot \cos(\theta) \), er i denne situasjonen en funksjon som har form som en bølge (en cosinuskurve, som du kan se av formelen). Figur: UngEnergi

 

Vi skal ikke bruke formelen for magnetisk fluks til å regne med her, men til å forklare hvordan indusert ems kan oppstå. Faraday oppdaget nemlig at hvis den magnetiske fluksen forandrer seg, blir det indusert en ems. Dette kalles Faradays lov, og uttrykkes med følgende formel:

 

$$ \varepsilon = – \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $$

 

Her er \(\varepsilon\) symbolet for ems, som måles i volt (V). \(\Delta \Phi\) betyr forandringen i magnetisk fluks, og \(\Delta t\) er det tidsintervallet det skjer fluksforandring i. Vi ser at når nevneren i brøken, altså \(\Delta t\), blir stor, får man en svært liten ems. Når nevneren blir liten, blir emsen stor. Stor indusert ems er ønskelig, for da får vi mer strøm. Derfor er det om å gjøre at tida \(\Delta t\) blir så liten så mulig. Med andre ord: Jo fortere vi endrer fluksen, jo mer ems blir indusert. I praksis: Jo fortere vi roterer magnetene i en generator, jo mer potensial for strøm får vi!

 

Hvorfor er det et minustegn i formelen over?

Det har med retningen til den induserte emsen å gjøre. Når man definerer en arealvektor, definerer man samtidig en positiv retning i ringen av kobbertråd (se høyrehåndsregelen over). Det hender at fluksendringen er negativ (siden verdien av \(cos(\theta)\) kan bli negativ, eller magnetfeltstyrken kan minke). Derfor vil vi noen ganger få en ems som er negativ (når \(\Delta \Phi\) er positiv) og andre ganger en ems som er positiv (når  \(\Delta \Phi\) er negativ, siden ”minus ganger minus er lik pluss”). En negativ \(\varepsilon\) vil gå i motsatt retning av den definerte positive retningen i ledningen. Ofte er vi ikke interessert i retningen til emsen, og da ser vi bort fra minustegnet i formelen. 

 

Når spolen har n vindinger blir \(\varepsilon = – n \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\). I en generator med f.eks. 500 vindinger (slik som den man kan lage her) må man altså gange med 500 for at den induserte emsen skal få riktig verdi. 

 

Vi kan nå gi en liten oppsummering av hva vi har lært: Når magnetene og spolene beveger seg i forhold til hverandre, vil den magnetiske fluksen endre seg. På grunn av at den magnetiske fluksen endrer seg, vil det ifølge Faradays lov oppstå en spenning. Denne spenningen kaller vi indusert ems. På grunn av denne spenningen vil elektronene bevege seg i ledningen, og vi vil få strøm. Dette prinsippet er det vi kaller elektromagnetisk induksjon, og er prinsippet bak alle generatorer!

Generatorer i kraftverk

Fram til nå har vi sett på prinsippene bak generatorene. Men hvordan er de store generatorene som vi finner i kraftverkene?

 

Generatortypen som brukes i de fleste vannkraftverk i Norge kalles synkrongeneratorer. Vi skal ikke gå dypt inn på hvordan disse virker, men den roterende delen (rotoren) er bygd opp av elektromagneter, og den delen som står i ro (statoren) består av spoler. Elektromagnetene er spoler som blir magnetiske når det går strøm gjennom dem. Selv om det er mulig å bygge generatorer med permanentmagneter i rotor, gjøres ikke dette fordi det er vanskelig å håndtere. Ledningene er laget av kobber, både i rotor og stator. 

 

Den induserte emsen for en generator i et kraftverk er på mellom 6 kV og 20 kV. Spenningen kommer an på hvordan generatoren er bygget opp, og det finnes mange mulige varianter. I små generatorer kan spenningen bli enda lavere.

 

Litt fordypningsmateriale:

For spesielt interesserte finnes det en video om elektromagneter her (engelsk): https://www.youtube.com/watch?v=1TKSfAkWWN0 

Her er en  en litt mer komplisert forklaring på hvordan generatoren i et  kraftverk fungerer (engelsk): 

https://www.youtube.com/watch?v=Lx6UfiEU3Q0 

 

Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer
Maskin som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi.
Et legemes mekaniske energi er summen av legemets bevegelses og potensielle energi. E= Ek + Ep = (1/2)mv2 + mgh  

Elektroner i bevegelse.

Ethvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legemet etter formelen Ek = ½mv². Kalles også kinetisk energi.