تبدیل انرژی در مولد برق: از حرکت به الکتریسیته
انرژیها به هم تبدیل میشوند
در دنیای اطراف ما، انرژی به شکلهای مختلفی وجود دارد و مهمتر از آن، این انرژیها میتوانند به یکدیگر تبدیل شوند. این اصل، قانون بقای انرژی نام دارد. مثلاً وقتی شما با دوچرخه تند پا میزنید، انرژی شیمیایی بدن شما (ناشی از غذا) به انرژی حرکتی دوچرخه تبدیل میشود. یا در یک پنکه برقی، اتفاق برعکس میافتد: انرژی الکتریکی از پریز برق، به انرژی حرکتی در پروانهٔ پنکه تبدیل میشود.
مولد برق یا ژنراتور دقیقاً کاری مشابه ولی معکوس پنکه انجام میدهد. یعنی انرژی حرکتی را دریافت کرده و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. برای درک این فرآیند، ابتدا باید با دو قطعهٔ اصلی آشنا شویم: آهنربا و سیمپیچ.
قهرمانان اصلی داستان: آهنربا و سیمپیچ
همهٔ ما با آهنربا بازی کردهایم. آهنربا ناحیهای نامرئی به نام میدان مغناطیسی در اطراف خود دارد. اگر یک آهنربای نعلی شکل و مقداری برادهآهن داشته باشید، میتوانید شکل این میدان را ببینید.
حالا فرض کنید یک تکه سیم مسی بلند را چندین دور به صورت منظم دور یک میله بپیچید. به این مجموعه، یک سیمپیچ میگوییم. وقتی یک آهنربا را به سرعت از داخل این حلقههای سیمی عبور دهید یا بیرون بکشید، اتفاق جالبی میافتد: در دو سر سیمپیچ، یک ولتاژ5 ایجاد میشود. اگر سرهای سیم را به یک لامپ کوچک وصل کنیم، این لامپ بهطور لحظهای روشن میشود! این پدیدهٔ شگفتانگیز، القای الکترومغناطیسی نام دارد.
مولد برق چگونه کار میکند؟
حالا بیایید اجزای یک مولد برق ساده را کنار هم بگذاریم. یک مولد ساده از این قسمتها تشکیل شده است:
| نام قطعه | وظیفه | مثال مشابه در زندگی |
|---|---|---|
| توربین | دریافت انرژی حرکتی از آب، باد یا بخار و چرخاندن یک میله (محور) | پروانهٔ یک پنکه که با باد میچرخد. |
| آهنرباهای قوی | ایجاد یک میدان مغناطیسی ثابت یا متغیر | آهنربای نعلی شکل قوی که میتواند یک قفل کوچک را بلند کند. |
| سیمپیچ (آرمیچر)6 | چندین حلقه سیم که برق در آن القا میشود. | کلافی از نخ که دور یک قرقره پیچیده شده است. |
| محور چرخان (روتور) | اتصال توربین به سیمپیچ یا آهنربا و انتقال حرکت چرخشی | میلهٔ مرکزی یک فرفره که باعث چرخش آن میشود. |
در یک مولد واقعی، معمولاً آهنرباها ثابت هستند (استاتور7) و سیمپیچهای بزرگ به دور یک هستهٔ آهنی، روی محور چرخان (روتور) نصب میشوند. با چرخش روتور، سیمپیچها درون میدان مغناطیسی ثابت آهنرباها حرکت میکنند. این حرکت نسبی، باعث تغییر پیوستهٔ شار مغناطیسی عبوری از سیمپیچ میشود و در نتیجه، یک ولتاژ متناوب (AC)8 در دو سر سیمپیچ ایجاد میگردد.
این ولتاژ را میتوان با رابطهای ساده نشان داد. ولتاژ القایی تقریباً متناسب است با: $V \propto N \times \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$ که در آن، $N$ تعداد دورهای سیمپیچ، و $\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$ سرعت تغییر شار مغناطیسی است.
مولدهای برق در کجاها و چگونه کار میکنند؟
حالا که با اصل کار مولد آشنا شدیم، بهتر میتوانیم نیروگاههای اطراف خود را درک کنیم. هر نیروگاه، یک منبع انرژی حرکتی بزرگ را به خدمت میگیرد تا توربینهای عظیم را بچرخاند.
- نیروگاه آبی: در پشت سدها، آب پشتانداز جمع میشود و انرژی پتانسیل گرانشی9 زیادی ذخیره میکند. وقتی این آب از ارتفاع بالا رها شده و از روی توربین میگذرد، انرژی پتانسیل آن به انرژی حرکتی در توربین تبدیل میشود. توربین به ژنراتور وصل است و برق تولید میشود. مثل یک آبشار خیلی قوی که یک چرخ آبی بزرگ را میچرخاند.
- نیروگاه بادی: در اینجا، توربینهای بادی با پرههای بزرگ خود، انرژی حرکتی باد را مستقیماً به حرکت چرخشی در محور تبدیل میکنند. این محور مستقیماً به یک ژنراتور که در پشت پرهها قرار دارد متصل است.
- نیروگاه حرارتی (مانند گازی یا بخاری): در این نیروگاهها از سوختهای فسیلی مانند گاز یا زغالسنگ برای جوشاندن آب و تولید بخار پر فشار استفاده میشود. این بخار با فشار و سرعت بالا به پرههای توربین برخورد کرده و آن را میچرخاند. در واقع، انرژی شیمیایی سوخت، ابتدا به انرژی گرمایی، سپس به انرژی حرکتی بخار و نهایتاً به انرژی حرکتی توربین تبدیل میشود.
حتی در دوچرخههای دارای دینام10 نیز یک مولد برق کوچک وجود دارد! وقتی چرخ دوچرخه میچرخد، یک چرخ دنده، یک آهنربای کوچک را در داخل دینام به سرعت میچرخاند. این آهنربا در کنار یک سیمپیچ ثابت قرار دارد و چرخش آن باعث القای برق برای روشنایی چراغ دوچرخه میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1ژنراتور (Generator): دستگاهی که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
2القای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Induction): پدیدهای که در آن، با تغییر میدان مغناطیسی گذرنده از یک مدار بسته، نیروی محرکهٔ الکتریکی (ولتاژ) در آن القا میشود.
3سیم پیچ (Coil): چندین حلقه سیم که معمولاً بهطور منظم به دور یک هسته پیچیده شدهاند.
4شار (مغناطیسی) (Magnetic Flux): معیاری برای مقدار میدان مغناطیسی که از یک سطح مشخص (مانند سطح حلقههای سیمپیچ) عبور میکند.
5ولتاژ (Voltage): تفاوت پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه که باعث رانش جریان الکتریکی میشود. واحد آن ولت است.
6آرمیچر (Armature): در مولدها، معمولاً به قسمتی که در آن ولتاژ القا میشود (اغلب سیمپیچهای روی روتور) گفته میشود.
7استاتور (Stator): بخش ثابت یک مولد یا موتور الکتریکی.
8جریان متناوب (AC - Alternating Current): جریان الکتریکی که جهت و مقدار آن بهطور متناوب و دورهای تغییر میکند. برق پریزهای خانه از این نوع است.
9انرژی پتانسیل گرانشی (Gravitational Potential Energy): انرژی ذخیره شده در یک جسم به خاطر ارتفاع آن نسبت به یک سطح مبنا.
10دینام (Dynamo): نام دیگر ژنراتور، به ویژه برای انواع کوچک و قدیمی که جریان مستقیم (DC) تولید میکنند.
11مایکل فارادی (Michael Faraday): دانشمند انگلیسی (۱۷۹۱-۱۸۶۷) که القای الکترومغناطیسی را کشف کرد و اساس کار ژنراتور و ترانسفورماتور را پیریزی نمود.
