電子工学

発電の仕組み(初心者向け)基本的に、わかりやすく説明

発電の仕組み(初心者向け)基本的に、わかりやすく説明

電気を作る・発生させる仕組み、色々な現象、様々な実験から、発見されました。その、歴史から説明します。

歴史

  • 1820年、「エルステッド」(デンマーク)
    電池によって、導線に電流を流すと、たまたま、その近くにあった方位磁石(磁針)が振れることを発見しました。
  • その後、「ポッゲンドルフ」(ドイツ)
    導線をグルグル巻きにて電気を流すと、その巻き数によって、磁針の振れが大きくなることを実験しました。

この導線をグルグル巻きに巻いまものを「コイル」と言います。

 

  • 1821年、「ファラデー」(イギリス)
    「電磁回転装置」:電流によって、生じた磁場(磁力エリア)と、磁石の磁場が反発し針金と磁石が回る、「電気」から「電気エネルギー」(動力)として初めての発動機が誕生(モーターの理論)
  • 1824年、フランソワ・アラゴ(フランス)
    「アラゴの回転」:U字型磁石を用いてその上に円盤を吊るし、そのU字型磁石を回転させると、円盤も同方向に回転するなぞの現象を発覚。

ファラデーは、「電流と磁気作用」について、様々な研究を行い、

「電気」が「磁気」を発生させる、のなら

「磁気」が「電気」を発生させれないか?

 

  • 1831年、「ファラデー」
    鉄の輪にコイルを巻き、電流を流し磁気を発生させ、同鉄の輪の別コイルから電気が流れる(発生)されること発見。
    だたし、この方法では、一瞬(瞬間的)に電気が発生させられるも、継続的には不可能でした。


しかし、1824年の「アラゴ」の回転から電磁誘導論を考え、それをヒントとし、U磁石(NS極間)に銅の円盤を挟み、その銅板を手回し回転させたことにより(回転運動による磁気の連続反応)、連続的な電気を作れることを確認しました。コイルと磁石の関係により発電機の基礎となり考察されていきました。

 

電磁誘導

上記に記した様に、コイル(導線をぐるぐる巻いたもの)に磁石を近づけたり遠ざけたりすることによって、そのコイルに電圧が発生、電流が流れるます。この現象のことを「電磁誘導」と言います。

電磁誘導によって発生する、
電圧のことを「誘導起電力」電流のことを「誘導電流」と呼びます。

 

電磁誘導の現象

誘導電流はコイルに対して「磁界が変化する時のみ」に、その時の流れる電流の方向を得る方法がレンツの法則です。

その後も、科学者が色々実験・研究し、代表となったののが、この電磁・磁気の「レンツの法則」、「ファラデーの法則」となります。

  • レンツの法則
    磁極とコイルの巻き向きで電気の流れる方向が変わる
  • ファラデーの法則
    電磁誘導によって生じた起電力の具体的な量(磁束の時間的な変化の割合比など)

法則になると、色々な理論、定数、などを具体的に算出し、難しくなりますので、これ以上興味がある方は、他の「電磁気学」を参照して頂くと沢山情報がありまので、お勉強してみて下さい。

簡単な発電の考え方

見えない電気、それを法則、理論で考えると、もっとややこしく難しくなり、わからなくなってしまいます。

単純な理屈として「電気の発電方法は、コイルと磁石の動きで発生する。」これでいいのです。

前記にも説明いたしましたが、このコイルと磁石、が動いている時のみ、電気が発生しますので、固定された片方が、磁石でもコイルでも同じとなります。

動きと流れ

磁石とコイル、その単純な移動(動き)に対して、近づいたらこちら回り、遠ざかったらその反対まわりと、電気の流れる方向がその移動(回転)によって変わります(周期)。

 

発電された電気の流れが、一定の時間に流れが入れ替わる周期があることとなります。

遅い回転だと、ゆっくり点滅した電気の光ですね。

このように、電気が交互に流れることを「交流」といいます。

では、頑張って、一秒間に2回で、回してみましょう。

この場合、1秒間に2回、交互に流れる電気が発生できました。
交流の単位は(Hz)で、この場合2Hzと表記します。

 

現代では、西日本区域では60Hz、東日本区域では50Hzと定め、電気が発電されています。

 

回転エネルギー

磁石かコイルを回転させる、現代では下記方法にて実現しています。

  • 水力
    ダムで蓄えられた水の落下、または、波、川など水の流等の水圧エネルギー
  • 火力、地熱、原子力
    水を加熱し、水蒸気を発生させ、その圧力エネルギー
  • 風力
    風の力を利用した回転エネルギー

 

まとめ

  • 基本的な発電の仕組みは、磁石とコイルを使っていて、回転する力を利用している。
  • 1831年、磁石とコイルの関係から「電磁誘導の法則」
  • 現代に至るまでこの電磁誘導によって、発電機やモーター等に応用されている。