家庭用電気はどのように発電されるのでしょうか?ファラデーより

私たちは毎日電気なしでは生活できませんし、家庭の電気は発電所から供給されていることも知っています。しかし、発電所はどのようにして電気を生み出すのでしょうか?この原理を最初に発見したのは誰ですか?これを理解するには、まずファラデーという人物から始めなければなりません。

1. 電磁誘導現象

デンマークの物理学者エルステッドが電流の磁気効果を発見した後、イギリスの物理学者ファラデーは、「電流が磁場を生成できるのであれば、逆に磁場が電流を生成できるのではないか？」と考えました。なぜなら、ファラデーの時代には、人々は亜鉛、銅、塩水で作られた電池を使って電気を使っていたからです。このタイプの電池は製造が難しく、電圧が低く、生成される電気は一般の人々が使用するには適していませんでした。しかし、磁石の天然資源は非常に豊富です。磁石を使って電気を発電すれば、何千もの家庭に電気を供給することができます。

ファラデーはこの理想のために困難な実験を行った。彼の最初のアイデアは、ソレノイドに磁石を配置して回路に電流が発生することを期待することでしたが、成功しませんでした。ついに 1831 年に、ファラデーの実験は画期的な成果を達成しました。彼は、磁石がソレノイドに挿入されたとき、またはソレノイドから引き抜かれたときにのみ回路に電流が生成されることを発見しました。

現代の方法を使用すれば、ファラデーの実験を上記の状況に当てはめることができます。電流計をソレノイドに接続し、磁石をソレノイドに挿入すると、電流計が指示値を生成します。さらに、挿入速度が速いほど、電流計の指針の振れが大きくなります。同様に、磁石がソレノイドを引き出すと、電流計の指針も偏向しますが、方向は逆になります。ただし、ソレノイド内で磁石が静止したままの場合、回路には電流が流れません。

ファラデーはついに、磁石は運動と変化の過程にあるときにのみ電流を発生できることを理解しました。ファラデーは自身の発見を 5 つの事例にまとめましたが、その中で現代の発電機に応用されているのは、磁場内で磁力線を切断する導体が電流を生成できるというものです。

たとえば、電流計に電線を接続し、電線を右に動かすと、電線がナイフのように磁力線を切断し、回路に電流が発生します。また、右手の法則を使用して電流の方向を決定することができます。磁力線が右手の手のひらを通過し、親指がワイヤの移動方向を指している場合、右手の 4 本の指の方向が生成される電流の方向になります。

ファラデーはこの原理に基づいて初期の発電機を製作したが、イギリスの財務大臣は発電機の有用性について疑問を呈した。彼はファラデーに尋ねました。「あなたの発明は興味深いですが、それは何の役に立つのですか？」

ファラデーは言った。「先生、おそらくすぐに課税できるようになるでしょう。」

確かに、電気は今や私たちの生活に欠かせないものとなっています。電気代を払わない人はいますか?

2.直流と交流

初期の発電機は直流電流を生成しました。直流電流は方向が変化しない電流です。現在、家庭の電気はすべて交流です。いわゆる交流電流は、方向が周期的に変化する電流です。

具体的には、2穴ソケットに「中性線」と呼ばれるワイヤーが入っています。中性線の電圧はアースと同じなので、中性線に触れても感電することはありません。もう一方のワイヤは「活線」と呼ばれます。通電中の電線の電圧は、接地電圧よりも高くなる場合もあれば、低くなる場合もあります。電流は高電圧から低電圧へ流れるため、電流は活線から電気製品を通って中性線に戻る場合もあれば、中性線から電気製品を通って活線に戻る場合もあります。 1サイクルは1/50秒で、50Hz交流と呼ばれます。 DC と比較した AC の最大の利点は、電圧の変更が非常に簡単で、高電圧伝送による損失を削減できることです。

では、この交流電流はどのようにして生成されるのでしょうか?

磁場内でコイル状の電線を回転させることにより交流電流を発生させることができます。例えば、図に示す状況では、コイルが回転すると右側のワイヤが上方に移動し、右手の法則に従って、発生した交流電流は c から d に流れます。左の電線が下に移動し、発生した交流電流がaからbに流れるため、回路全体の電流の流れはcdabの方向になります。コイルの外側の端は 2 つのブラシを介して外部回路に接続されているため、電流はブラシを介して電球の上から下へ流れます。

半サイクル後、コイルは半円回転し、ab と cd の位置が入れ替わり、電流の方向は badc になります。このようにして、電流は電球の下から上へと流れます。これにより交流電流が生成されます。コイルが一定速度で回転すると、正弦波の交流電流が発生します。

つまり、コイルと磁石が互いに相対的に回転できる限り、電流を発生させることができます。現代の発電機では、回転するのは電線のコイルではなく、「ローター」と呼ばれる磁石です。コイルは固定されており、「ステータ」と呼ばれます。同時に、エンジニアリング会社のニーズにより、発電機には 3 つのコイル グループがあり、任意の 2 つのコイル グループは 60 度の角度になっています。

このように、磁石がコイル内で一定速度で回転すると、3 つのコイル グループに 3 つの正弦波交流電流が生成され、各電流は前の電流より 1/3 周期遅れます。

これら 3 つの AC 電源には、共通のゼロ線 (中性線) と異なる活線 (出力線) があります。電気を供給する際、活線と中性線を電気製品に接続すれば、220Vの家庭用電気になります。電気製品に2本の通電線を接続すると、380Vの産業用電力になります。

では、コイルや磁石を回転させるにはどうすればいいのでしょうか?これは発電機の種類によって異なります。水力発電機は水の衝撃を利用してタービンを回転させ、風力タービンはファンブレードを利用して発電機を回転させ、火力発電機は燃焼を利用して水蒸気を加熱しタービンを駆動します。このプロセスには外部エネルギーの消費が必要です。簡単に言えば、発電機とは他の形態のエネルギーを電気エネルギーに変換する機械です。

発電機の発明以降、雨後の筍のようにさまざまな電化製品が出現し、人類は電気の時代を迎えました。

3. 学校に通ったことのない科学の巨匠

人類を電気の時代へと導いたファラデーについても話す必要があります。ファラデーは鍛冶屋の家に生まれた。家が貧しかったため、彼は小学校を2年で中退し、製本職人の見習いになった。しかし、この仕事を通じて、一般の人が手にすることができない大量の本やさまざまな資料に触れることができ、科学に深く魅了されるようになった。

書店の古い客の助けにより、20歳のファラデーは化学者デイビーの講義を聞く機会を得た。彼はまた、スピーチの記録を添えた手紙をデイビッドに送り、科学に専念する意志を表明した。

ファラデーの経歴を読んだ後、デイビーは彼にこう言った。「若者よ、科学は非常に困難であり、報酬もあまりないということを言っておこう。」

ファラデーはこう答えた。「私は科学はそれ自体の報酬であると考えています。」

デイビーは感動し、ファラデーは最終的にデイビーの研究室の助手になった。彼の科学的な夢はデイビーの研究室から始まり、現実のものとなった。その後、ファラデーは物理学と化学において驚くべき業績を達成し、その時代で最も偉大な科学者となりました。

ファラデーは高い道徳心を持った人物でもありました。彼は幼少期の経験から、若い学者の育成を非常に重視し、マクスウェルのような科学の巨匠たちのグループを奨励しました。彼はナイトの称号を授与されることを拒否し、王立科学協会の会長になることを二度拒否し、ニュートンらの永眠の地であるウェストミンスター寺院に埋葬されることを望まないと表明した。そこで人々は彼を他の墓地に埋葬しましたが、ウェストミンスター寺院のニュートンの墓の隣に彼の記念碑を建てました。

ちなみに、彼の指導者であるデイビッドも有名な化学者でした。デイビッドの最大の貢献はファラデーの発見だったと人々は信じています...

出典：李永楽氏