Elektrische energiesystemen leunen zwaar op twee nauw verwante machines die op het eerste gezicht tegengestelde taken lijken te verrichten. Een generator zet mechanische rotatie — afkomstig van een turbine die wordt aangedreven door stoom, water of wind — om in elektrische stroom. Een elektromotor doet het omgekeerde en zet elektrische stroom om in mechanische rotatie die een wiel, een ventilator of een compressor kan aandrijven. Beide machines berusten eigenlijk op in wezen hetzelfde onderliggende elektromagnetische principe, alleen toegepast in tegengestelde richtingen.
Een generator gebruikt beweging door een magnetisch veld om stroom op te wekken
Een generator werkt door een spoel draad te laten draaien binnen een magnetisch veld, of equivalent daaraan magneten rond een stilstaande spoel te laten draaien, zodat het magnetisch veld dat door de spoel gaat voortdurend verandert naarmate de rotatie doorgaat. Dat veranderende magnetische veld wekt een elektrische stroom op in de spoel, een rechtstreeks gevolg van elektromagnetische inductie: telkens wanneer het magnetisch veld door een geleider verandert, wordt in die geleider een stroom opgewekt. De hele functie van een generator komt in wezen neer op het mechanisch afdwingen van precies dit soort voortdurende verandering, waarbij de mechanische energie die de rotatie aandrijft, wordt omgezet in de elektrische energie die door de opgewekte stroom wordt gedragen.
Een motor laat dezelfde fysica in omgekeerde richting werken: stroom levert draaikracht
Een motor maakt gebruik van een nauw verwant elektromagnetisch effect dat in de tegenovergestelde richting werkt: wanneer een elektrische stroom door een geleider vloeit die zich in een magnetisch veld bevindt, ondervindt die geleider een fysieke kracht. Door stroomvoerende spoelen zo binnen een magnetisch veld te plaatsen dat deze kracht de spoel voortdurend rond een centrale as duwt, zet een motor de elektrische energie van de ingevoerde stroom rechtstreeks om in mechanische rotatie-energie. Omdat generatoren en motoren zoveel van hun onderliggende fysieke mechanisme delen, worden veel elektrische machines daadwerkelijk zo gebouwd dat ze als beide bruikbaar zijn, afhankelijk van of mechanische energie of elektrische energie als input wordt toegevoerd.
Waar we nog niet zeker van zijn
De basale elektromagnetische principes achter generatoren en motoren zijn nauwkeurig gedefinieerde, zeer gevestigde negentiende- en twintigste-eeuwse natuurkunde en elektrotechniek, bevestigd in een enorm scala aan praktische machines die precies op deze basis zijn gebouwd. Wat werkelijk een actief gebied van toegepast technisch onderzoek is, is het ontwerpen van motoren en generatoren die meer bruikbaar vermogen halen uit een gegeven formaat en gewicht van een machine terwijl er minder energie als warmte verloren gaat — een blijvende uitdaging gezien de onvermijdelijke elektrische weerstand en mechanische wrijving van echte materialen. Ingenieurs blijven verbeterde materialen, magneetontwerpen en besturingselektronica ontwikkelen om deze rendementsgrenzen verder te verleggen, zonder dat enige echte machine ooit een perfecte, verliesvrije omzetting bereikt.
Dit valt onder Energiesystemen & Elektrische Machines, een van acht onderwerpen binnen Elektrotechniek, een van vier domeinen binnen Techniek, een van zeventien vakken waarop de app je kan overhoren.