Silnik elektryczny

Badania prowadzone w początku dziewiętnastego wieku przyczyniły się do rozwoju nowoczesnych generatorów o dużych mocach. W 1819 roku Duńczyk Hans Oersted zauważył, że jeżeli przez drut przepuścimy prąd elektryczny to spowoduje to odchylenie igły znajdującego się obok kompasu. Odkrył tym samym elektromagnetyzm, wiążąc w jeden odrębne dotąd działy fizyki. W 1821 roku francuski uczony Andre Ampere uzyskał efekt odwrotny. Przepuszczając prąd przez drut znajdujący się w polu magnetycznym silnego magnesu spowodował poruszanie się drutu. W ten sposób odkryto jak zamieniać energię elektryczną na mechaniczną, a na tym właśnie polega działanie silnika elektrycznego.
Jednak doświadczenie Ampere, mimo że bardzo istotne z punktu widzenia rozwoju fizyki, nie miało większego znaczenia praktycznego. Przewód po prostu poruszał się trochę, gdy włączano przepływ prądu. Inaczej było z uzyskanymi w tym samym roku wynikami Anglika Michaela Faradaya, któremu udało się skonstruować urządzenie zamieniające elektryczność w ciągły ruch mechaniczny. Zanurzył on dolny koniec drutu w rtęci wypełniającej naczynie. Pośrodku naczynia umieścił magnes sztabkowy. Podłączając baterię do góry przewodu i rtęci w naczyniu wprawił drut w ruch obrotowy wokół magnesu.

„Obroty elektryczne" Faradaya (taką nazwę uzyskało u współczesnych to doświadczenie) prezentowało prawa fizyki, dzięki którym pracują wszystkie silniki elektryczne. Pierwszy pracujący silnik elektryczny zbudowano w 1837 r. w Stanach Zjednoczonych. Jego twórcą był Thomas Daven, który swoich konstrukcji użył do napędu wiertarki i tokarki do drewna.
Znalazłszy sposób na zamianę elektryczności w energię mechaniczną Faraday pracował nad tym, jak poprzez ruch mechaniczny wytworzyć elektryczność. I znowu jego odkrycia pchnęły innych do skonstruowania urządzeń używanych praktycznie. Do 1870 r. potrafiono konstruować generatory o znacznej (jak na owe czasy) mocy, a w 1881 r. w Godalming, w angielskim hrabstwie Surrey, otworzono pierwszą w świecie elektrownię, w której generatory były napędzane energią wody z pobliskiej rzeki Wey. W miasteczku latarnie gazowe zastąpiono elektrycznymi, a miejscowy burmistrz płacił rocznie prawie 200 funtów z kasy miejskiej, aby ulice były oświetlane światłem elektrycznym.
Niestety, w porównaniu z lampami gazowymi nowy system okazał się kosztowny i niewielu było chętnych do jego wykorzystania. Pierwszą elektrownię zamknięto w zaledwie dwa i pół roku od dnia otwarcia. Zbudowana w 1882 r. pierwsza elektrownia londyńska znalazła dużo większą klientelę. Tempo z jakim ważniejsze sklepy, restauracje i hotele instalowały oświetlenie elektryczne w miejsce gazowego sygnalizowało, że produkcja energii elektrycznej wkrótce stanie się jedną z istotniejszych gałęzi przemysłu.

W silniku prądu stałego kierunek prądu przepływającego przez wirnik jest zmieniany, by wirnik mógł się obracać w sposób ciągły.

Silniki elektryczne i generatory prądu (prądnice) mają ze sobą tak wiele wspólnego, że niektóre prostsze konstrukcje mogą być używane jako jedno i drugie. Najprostszy silnik elektryczny to zwinięty w cewkę na żelaznym rdzeniu drut, zamontowany na wale w taki sposób, że może się on swobodnie obracać pomiędzy biegunami stałego magnesu podkowiastego. Cewka działa jak elektromagnes, gdy przepuszczamy przez ni4 prąd, a znajdujący się w jej wnętrzu rdzeń wzmacnia wytwarzane pole magnetyczne.

Silniki prądu przemiennego

Prąd przemienny zmienia w regularnych odstępach czasu kierunek swego przepływu. W sieciach energetycznych stosowane są dwie częstości zmian: 50 razy na sekundę (50 Hz), w krajach europejskich, większości azjatyckich i afrykańskich, oraz 60 Hz w Ameryce i Japonii. W niektórych silnikach prądu przemiennego wirnik wyposażony jest w komutator, jednakże w wielu konstrukcjach prąd w ogóle nie dopływa do wirnika. Silniki takie działają na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Przepływający przez uzwojenie wzbudzające stojana prąd zmienny wytwarza wirujące pole magnetyczne. W znajdującym się w tym polu uzwojeniu wirnika zaczyna płynąć prąd elektryczny czyniąc z wirnika elektromagnes, który obraca się, gdyż jego bieguny podążają za zmianami pola magnetycznego stojana.

Wirnik takiego silnika ma zwykle postać walcowatej klatki, której pręty wykonane z miedzi lub aluminium są na końcach połączone obręczami. W środku umieszcza się rdzeń stalowy, aby wzmocnić pole magnetyczne. Silniki tego rodzaju nazywamy klatkowymi.


Silniki synchroniczne

Wirnik silnika indukcyjnego wiruje wolniej niż wzbudzające pole magnetyczne. W silniku synchronicznym wirnik i pole obracają się z tą samą prędkością. W mniej skomplikowanych rozwiązaniach takiego silnika wirnikiem jest jeden lub kilka magnesów stałych. Ich bieguny podążają za przeciwnymi biegunami wirującego pola wzbudzającego, tak że ich prędkości obrotowe są równe. W niektórych wypadkach wirnikiem jest elektromagnes (zasilany prądem poprzez komutator) lecz zasada działania pozostaje identyczna. Innym rodzajem silnika synchronicznego jest silnik krokowy, wykorzystujący zmiany kierunku przepływu prądu do wytwarzania pola magnetycznego, które przesuwa koło zębate wirnika o jeden ząb na każdy okres. Takie silniki są szeroko wykorzystywane w zegarach elektronicznych.


Większość silników elektrycznych wytwarza ruch obrotowy, lecz istnieją silniki, zwane liniowymi, w których części ruchome poruszają się ruchem liniowym. Uzwojenie wzbudzające jest w nich ułożone po linii, a stojan otwarty od góry. Wytwarzają one pole magnetyczne, które porusza się wzdłuż tej linii ciągnąc za sobą przedmioty wykonane z materiału przewodzącego. Silników tego typu używa się do napędzania drzwi przesuwnych, taśmociągów bagażowych na lotniskach oraz eksperymentalnych pociągów osiągających duże prędkości.

Alternatory

Jeżeli będziemy obracać wirnikiem zwykłego, lecz pozbawionego komutatora silnika prądu stałego, to będzie on pracował jako generator. W uzwojeniu cewki elektromagnesu będzie się wytwarzało zmienne napięcie, osiągające wartość maksymalną, gdy biegun elektromagnesu będzie mijał biegun magnesu stałego. Następnie spada ono do zera i zaczyna rosnąć w przeciwnym kierunku. Napięcie z cewki elektromagnesu odprowadzane jest poprzez dwie pełne obręcze zamocowane na wale wirnika, po których ślizgają się szczotki węglowe. Jeśli cewkę włączymy w obwód, to zacznie w nim płynąć prąd przemienny. Generator taki jest przykładem prostego alternatora, czyli urządzenia wytwarzającego prąd przemienny.


Prądnice

Jeżeli jednak zastosujemy komutator, to będzie on ustawicznie zamieniał połączenia końców cewki z obwodem zewnętrznym. Będzie to kompensowało oscylacje napięcia w cewce w ten sposób, że napięcie na szczotkach komutatora zawsze będzie miało ten sam kierunek. W rezultacie zamiast prądu przemiennego w obwodzie popłynie prąd pulsujący, tzn. taki, którego natężenie zmienia się od wartości maksymalnej do zera, lecz kierunek przepływu pozostaje stały. Takie generatory nazywamy prądnicami. W większości prądnic stojan nie jest magnesem stałym a elektromagnesem, lecz takim którego rdzeń został trochę namagnesowany, aby zapewnić urządzeniu możliwość wytwarzania prądu od razu po włączeniu. Część wytwarzanego prądu jest przepuszczana przez uzwojenie stojana, aby wzmocnić jego pole magnetyczne i tym samym zwiększyć moc prądnicy.

W większości samochodów do wytwarzania stałego napięcia używane są alternatory z wbudowanym układem prostowniczym, pozwalającym na przepływ prądu tylko w jednym kierunku, gdyż jest to rozwiązanie wydajniejsze niż zastosowanie prądnicy.
W większości alternatorów, zarówno tych samochodowych ładujących akumulatory, jak i tych potężnych wytwarzających energię w elektrowniach, zarówno wirnik jak i stojan to elektromagnesy. Co więcej to wirnik wytwarza pole magnetyczne. Przez uzwojenie wirnika, a więc i szczotki węglowe, przepływa wtedy stosunkowo niewielki prąd. Napięcie wytwarzane jest w stojanie co powoduje, że dużo większy prąd generowany przez alternator nie przepływa przez żadne części ruchome. Zapobiega to stratom mocy i iskrzeniom, nieuniknionym gdyby tak duży prąd płynął przez pierścienie wirnika i szczotki zbierające.