Enkelt forklart er en generatorMaskin som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi. 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).
En generator er en maskin som omdanner mekanisk energiEt legemes mekaniske energi er summen av legemets bevegelses og potensielle energi. Em = Ek + Ep = (1/2)mv² + mgh 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 strømElektroner i bevegelse. 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 bevegelsesenergiEthvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legemet etter formelen Ek = ½mv². Kalles også kinetisk energi. 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.
Hva består en generator av?
En generator består blant annet av to viktige deler:
- Magneter
- 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).
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?
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 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.
Det finnes en formel man kan bruke for å regne ut magnetisk fluks. Denne formelen er
\( \Phi = \vec{B} \cdot \vec{A} = B \cdot A \cdot \cos(\theta) \)
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. 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. Retningen kan være nyttig når du gjør regneoppgaver osv.
Formelen \( \Phi = B \cdot A \cdot \cos(\theta) \) kan hjelpe oss å skjønne hvordan fluksen forandrer seg. Hvis man endrer enten \(B\), \(A\), eller \(\theta\) i formelen, vil også \(\Phi\) endre seg! Det er derfor flere måter å endre fluksen på:
- Vi kan endre magnetfeltstyrken \(B\) ved å endre styrken (sterkere/svakere magnetfelt). Dette kan vi gjøre ved å ta en magnet nærmere eller lengre unna en strømsløyfe.
- Arealet \(A\) 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.
- 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.
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!
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
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en
.svg){kind=link}