Prądnica

Prądnica to urządzenie, które przekształca energię mechaniczną w energię elektryczną. Zalicza się ona do maszyn elektrycznych oraz generatorów elektrycznych. Energia wytwarzana jest dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej, która zachodzi dzięki względnemu ruchowi przewodnika oraz zewnętrznego pola magnetycznego. Informacje teoretyczne dotyczące prądnicy znajdziecie tutaj. W tym artykule zajmiemy się natomiast jej budową oraz pochylimy się nad tym, jak powstało i jak działa to urządzenie.

Budowa i działanie prądnicy

Budowa prądnicy opiera się na dwóch kluczowych elementach. Pierwszym z nich jest stojan – nieruchoma część związana z obudową, a drugim wirnik, czyli część wirująca wewnątrz stojana.

W wirniku prądnicy umieszczone jest uzwojenie cewki, które przecina linie sił pola magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie wzbudzające, co umożliwia indukowanie się w nim zmiennej siły elektromotorycznej. Szczegóły budowy prądnicy zależne są od jej typu. Według podstawowego podziału wyróżniamy prądnice prądu stałego oraz prądu zmiennego. W obu tych podstawowych typach prądnic istnieją liczne podtypy, które różnią się zastosowanymi rozwiązaniami elektrotechnicznymi. Warto wiedzieć, że budowa prądnicy umożliwia jej zastosowanie jako silnik elektryczny, podobnie działa to w drugą stronę. Z przyczyn ekonomicznych rozwiązanie to nie jest jednak zbyt popularne.

Prądnicą o budowie nietypowej jest właśnie alternator, czyli prądnica prądu zmiennego z układem prostownikowym. Jest on stosowany w samochodach do zasilania instalacji elektrycznej oraz ładowania akumulatora w trakcie pracy silnika. Obecnie, często stosowany jest zamiast prądnic prądu stałego, gdyż jest on od nich lżejszy i oddaje maksymalny prąd już przy małej prędkości obrotowej wirnika. W alternatorach liczne zwoje drutu układane są na powierzchni stalowego walca w dopasowanych wyżłobieniach. Potem ów walec wiruje pomiędzy biegunami silnego elektromagnesu, który jest zasilany przez prądnicę prądu stałego. W prądnicach prądu przemiennego wykorzystywanych w technice budowa jest odwrócona. Zwoje drutu układa się na wewnętrznej powierzchni pustego wewnątrz stalowego walca. Wielobiegunowe elektromagnesy umieszcza się w jego wnętrzu, a te wirując, wzbudzają w uzwojeniu nieruchomy prąd zmienny. Ten rodzaj prądnic wykorzystywany jest najczęściej jako prądnice synchroniczne trójfazowe, użyteczne w procesie wytwarzania energii.

Jak powstała prądnica

Zanim skonstruowano prądnice, prąd elektryczny był uzyskiwany z maszyn elektrostatycznych oraz ogniw chemicznych. Produkowana w ten sposób energia elektryczna była bardzo droga, co znacząco utrudniało do niej dostęp. Za konstrukcją pierwszej prądnicy stoi Michael Farady, który w 1831 roku zbudował prototyp takiej maszyny. Nazywano ją dyskiem Faradaya, była to maszyna jednobiegunowa i wytwarzała prąd w wyniku obrotu miedzianego dysku w polu magnetycznym, wytworzonym przez podkowiaste magnesy trwałe. Umożliwiała ona generowanie prądu stałego o dużym natężeniu, lecz niskim napięciu. Rok później, francuski fizyk, Hippolyte Pixii zbudował prądnicę prądu przemiennego, w której prąd elektryczny był wytwarzany, za pośrednictwem obrotu magnesu w pobliżu zwojnicy. W późniejszym czasie wprowadzono zwojnicę obracającą się w polu magnetycznym magnesu. Następnie zastosowano komutator – urządzenie, umożliwiające przepływ prądu elektrycznego do wirnika w sposób synchroniczny z jego obrotem. Pozwoliło to na stworzenie prądnicy, w której prąd płynął w jednym kierunku.