발전기의 구조는 정확하게 이해하기 쉽지 않습니다. 간단하게 설명하자면, 내부에 영구자석과 코일이 들어있습니다. 영구자석이 만드는 자기장 속에서 코일이 회전을 하게 되면, 코일면을 통과하는 자기장의 양이 변하게 되어 전자기 유도현상이 생기게 됩니다. (전자기유도현상에 대한 구체적인 내용은 고등학교 물리2 에 자세히 나와있습니다. ) 건전지가 없어도, 코일을 통과하는 자기장의 양이 변하면 코일에 전류가 흐르게 되는 현상입니다. 즉, 전류를 만들기 위해서는 코일이든 자석이든 둘 중 하나를 회전시켜주면 됩니다.
수력발전소, 화력발전소, 풍력발전소, 원자력발전소, 조력발전소, 지열발전소, 등등 모든 발전소들이 이와 같은 원리를 이용합니다. 문제는 어떤 에너지를 이용하여 회전을 시키느냐입니다.
수력발전소는 물의 위치에너지를 이용하여 높은 곳에서 떨어지는 물로 터빈을 돌림으로서 전기를 생산합니다. 화력, 원자력, 지열발전소 등은 열을 이용하여 물을 끓여 증기의 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.
풍력발전소는 바람의 운동에너지를 이용하여 풍차를 돌려 전기를 생산합니다.
자전거는 바퀴의 회전에 의한 운동에너지를 이용하여 바퀴와 붙어있는 부분이 회전함으로써 발전기 내부의 코일(또는 자석)이 회전을 하는 것입니다.
모든 에너지는 새로 생겨나지도 않으며, 사라지지도 않습니다. 다만 다른 형태로 전환될 뿐입니다.
평지에서 정지한 자전거가 달리기 위해서는 발로 굴려주어야 합니다. 즉 사람이 일을 해 주어야 합니다. 이렇게 자전거가 달리기 위한 운동에너지를 얻기 위해 사람은 자신의 에너지를 소비해야 합니다.
그런데 발전기를 돌려 전기에너지를 생산하려면 그만큼 사람이 더 일을 해주어야 합니다. 일은 한다는 것은 힘을 가해 페달을 돌리는 것을 의미합니다.
즉, 사람이 페달을 밟아서 하는 일 = 사람이 소비하는 에너지 = 자전거의 에너지(달리는 운동에너지 + 발전기에서 생산하는 전기에너지)
실제로 평지에서는 그렇게 힘이 들지 않기때문에 발전기를 돌릴때와 돌리지 않을 때의 차이가 느껴지지 않을 수도 있습니다.
그러나 약간의 오르막 경사에서는 발전기를 켰을 때와 껐을 때의 차이가 크게 느껴집니다. 즉 발전기의 끝 회전부분을 타이어에 접촉을 시키면, 더 많은 힘이 드는 것을 쉽게 느낄 수 있습니다.
[실험재료]
투명한 플라스틱통 (두께 2cm), 관 마개 2개 네오디뮴 자석 (지름 0.7cm, 길이 0.7cm) 검정색 고무링 2개 에나멜선 (두께 0.2~0.3mm 정도) 2구 커넥터 고휘도 LED (Red, Blue) 셀로판테이프
[실험과정]
1. 두께 2cm 정도의 투명한 관을 길이 약 15cm 정도로 자른다. 관 중앙에 2cm 정도의 간격을 두고 양쪽에 셀로판테이프를 감는다. 2. 셀로판테이프를 감은 부분에 두 개의 고무링을 끼운다. 두 개의 고무링 사이에 에나멜선을 약 500회 정도 감은 후 에나멜선의 양 끝을 여분의 길이를 남겨둔 채 여러 번 꼬아준다. 3. 여분의 길이를 남겨둔 에나멜선의 양 끝을 점화기로 가열한 후 그을린 부분을 칼로 긁어준다. 4. 색이 다른 2개의 발광다이오드를 두 극이 반대가 되도록 병렬로 하여 2구 커넥터에 끼운다. 에나멜선 양 끝을 2구 커넥터의 전선과 연결한다. 5. 관에 자석을 넣고 마개를 끼운 후 마개가 빠지지 않도록 양쪽 마개를 셀로판테이프로 고정시킨다. 6. 마개를 막고 자석을 흔들면서 발광다이오드를 관찰한다. -자석이 위아래로 움직일 때마다 발광다이오드에서 빛이 발생한다
[실험원리]
전자기유도란 코일과 자석의 상대적인 운동에 의해 코일 양단에 전류가 유도되는 현상이며, 이때 자기장의 변화로 전압과 전류가 발생된다. 자가발전기는 이러한 전자기유도 현상에 의해 건전지가 없어도 전류를 만들어낼 수 있다.
[주의할 점]
1. 네오디뮴자석은 자성이 강하므로 주변에 핸드폰이나 액정기기, 지갑 등 손상될 수 있는 물건은 멀리 치우도록 한다. 2. 에나멜선은 구리선에 피복이 입혀져 있으므로 회로를 구성할 때 반드시 양끝을 벗기고 연결한다
[더 알아보기]
● 전자기유도: 코일과 자석의 상대적인 운동에 의해 코일 양단에 전류가 유도되는 현상을 말하며, 자기장의 변화로 전압과 전류가 발생시키는 현상을 전자기유도라고 한다. ○ 유도기전력: 전자기유도에 의하여 유도된 기전력 ● 유도전류: 전자기유도에 의하여 생긴 전류 ● 패러데이의 전자기유도 법칙: 자기를 변화시킬 때 고리에 유도전류나 유도기전력이 생기는 이유를 설명하는 법칙! ○ 유도전류의 방향: 유도전류에 작용하는 자기력의 방향이 전류 도선의 상대적인 운동을 방해하는 방향으로 유도전류가 흐른다.(렌쯔의 법칙) - 자기장을 거스르는 방향으로 전류가 유도된다.
[더 알아보기]
-건전지 없이 전기를 만든다? http://class.fobst.org/04_qna/qna02.php?mode=view&id=35&record_start=0&bbs_id=boy_dabak&category=&field=&search=
브러시홀더 brush holder 스프링 압력을 조절하여 브러시의 접촉압력을 조절하는 직류나 교류 회전기기에서 전류를 흘려 주기 위해 정류자나 슬립링의 표면에 브러시를 접촉시켜 주는 장치.
정류자는 금속이 절연체의 양쪽에 붙어 있어 회전축이 반바퀴 돌 때 마다 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 준다. 정류자에 의해 코일이 같은 방향으로 계속 회전할 수 있다.