発電機のしくみ回す仕事で、
電気を取り出す。

発電機は、回す仕事を電気へ変える

手回しの発電機は、ハンドルを回すことで電気を取り出します。水力発電なら水車、風力発電なら風を受ける羽根が、発電機を回す側です。発電機は、その回転の仕事を電気エネルギーへ変えます。

入口になる原理は電磁誘導です。コイルを通る磁場の状態が変わると、電圧が生じます。磁石とコイルをただ置くだけで、機器へ電気を送り続けられるわけではありません。

ここでは、一様な磁場の中で一つのコイルを一定の速さで回す交流発電のモデルを見ます。部品の役割を理解するためのモデルで、家庭用発電機や発電所の実物断面ではありません。

大切なのは、磁場が「変わる」こと

コイルは導線を巻いたものです。コイルで囲んだ面を、磁場がどの向きにどれだけ通るかを表す量を**磁束（じそく）**といいます。磁場の強さだけでなく、面の大きさや向きも関係します。

例えば、磁石をコイルへ近づけたり離したりすれば、コイルを通る磁束が変わります。反対に、磁石もコイルも動かさず、磁場の状態も変わらなければ、この原理で電圧が生じ続けることはありません。

回転型の発電機は、この変化を繰り返す装置です。図1では磁石を固定し、コイルの向きだけを変えます。磁場の強さを変えなくても、コイルの面の向きを変えれば、磁束は変わります。

電圧と電流も分けて考えます。電圧が生じても、外の回路が切れていれば、その回路へ電流を流し続けることはできません。発電機を負荷につなぎ、電流の通り道ができたときに、機器へ電力を届けられます。負荷は、電気を受け取る照明やモーターなどのことです。

コイルが回ると、電圧の向きも変わる

図1は、回転軸に沿って見た図です。左右のN極・S極の間で、青い磁場は右へ向いています。橙色の線はコイルの面を横から見た位置、両端の空の丸は軸に沿う導線の辺を表します。丸は電流の点・×の記号ではありません。

黒い矢印nは、コイルの面に垂直な基準方向です。電流や回転方向ではありません。0度ではnが磁場と同じ向き、90度ではnが磁場と直角になります。

0度の位置では、磁場がコイルの面を正面から通り、磁束は正の最大値です。しかし、この瞬間は磁束の変化が緩やかなので、理想モデルの電圧はゼロです。90度では磁束がゼロになる一方、変化は最も速く、電圧は正の最大値になります。

さらに回して180度にすると、nが磁場と逆向きになり、磁束は負の最大値、電圧はゼロです。270度では磁束が逆向きに変わるため、電圧も負の最大値になります。磁束が最大になる位置と、電圧が最大になる位置は違います。

↔ 表が収まらない場合は、横にスクロールして比較できます。

図2はこの関係を曲線で示します。符号はnに合わせて選んだ基準です。測定する二つの端子の向きを逆にすれば、表示する電圧の符号も逆になります。

ここで生じる電圧は、プラス側とマイナス側を交互に繰り返す**交流（AC）**です。負の値は発電に失敗したという意味ではなく、基準に対して電圧の向きが反転したことを表します。

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1. 磁束Φ：0度で正の最大、180度で負の最大、90度と270度でゼロ
2. 電圧V：0度と180度でゼロ、90度で正の最大、270度で負の最大

速く回すと、何が変わる？

同じコイル・磁場の条件で回転を速くすると、磁束がより短い時間で変わり、理想モデルの電圧の最大値は大きくなります。また、同じ波がより短い間隔で繰り返されます。1秒間に何回繰り返すかを表す量が周波数です。

一つのN極・S極の組を使う図のモデルでは、コイル1回転で電圧が1周期変化します。実機では磁極の組数、巻線の構成、制御方式も関係するため、回転数だけで出力電圧や周波数を判断しないでください。

コイルの巻数や磁場、面積も誘導電圧に関係します。ただし、電圧を高くすれば取り出せる電力が無制限に増えるわけではありません。実際の出力は、回す側の動力、許容電流、損失、制御などによって制限されます。

磁石が回る方式もある

実際の発電機では、磁場を作る側を回し、電気を取り出すコイルを固定する方式も使われます。回る部分を回転子、固定した部分を固定子といいます。磁場を作るものも永久磁石とは限らず、電流で磁場を作る電磁石の場合があります。

重要なのは、コイルを通る磁束が変わる関係です。「コイル自体が必ず回らなければ発電できない」というわけではありません。図1のコイル回転モデルと、実機の部品配置を混同しないことが大切です。

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発電するほど、回す側にも仕事が必要

発電機につないだ負荷へ電流が流れると、その電流による磁場が、もとの磁束の変化を妨げる側に働きます。この向きの関係をレンツの法則といいます。回転を保って電力を取り出すには、それに対応した仕事を外から与える必要があります。

何もつながないときでも、軸受の摩擦などはあります。さらに、電気を取り出すときには回転を妨げる電磁的な働きも生じます。「磁石が勝手にエネルギーを補給してくれる」という仕組みではありません。

回す仕事のすべてを電気として取り出せるわけでもなく、巻線の発熱、摩擦、鉄心に関係する損失などがあります。モーターと発電機をつないで回し続けても、損失を取り戻す外部の供給なしに、電気を増やし続けることはできません。

モーターと発電機は、電磁気を使って電気と動きを結び付ける点で関連しています。ただし、どのモーターでも、そのまま安全で安定した電源になるとは限りません。出力回路・定格・制御や保護まで含めて、用途に合う機器として設計する必要があります。

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1. モーター：電気入力から軸の仕事へ
2. 発電機：回す仕事から電気出力へ
3. 両方：発熱・摩擦などの損失がある

交流を取り出すことと、充電することは別

交流から一方向の出力へ変える働きを整流といいます。例えば全波整流では、入力の正負を出力側で同じ向きにそろえます。ただし、整流しただけの出力は山と谷を繰り返し、一定電圧になったわけではありません。

変動を小さくする平滑、電圧を整える制御なども区別します。電池を充電するなら、電池の種類や状態に合う電圧・電流の制御も必要です。「回した発電機を電池へ直接つなげばよい」とは考えないでください。

交流の電圧を上げたり下げたりする働きは、変圧器で追えます。変化する磁束を使う点は発電機と共通しますが、変圧器は入力から受け取ったエネルギーを別の電圧で渡す装置です。発電・変圧・整流を同じ働きとして扱わないようにしましょう。

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発電所では、何が軸を回すのかを見る

発電機の手前をたどると、エネルギーの入口が見えてきます。水力では水の流れ、風力では風、蒸気を使う発電では熱によって作った蒸気がタービンなどを回します。タービンは流れる水・蒸気・ガスなどから回転を取り出す機械です。

熱をどこから得るかと、回転を電気へ変える発電機の原理は、別の段階です。また、太陽電池による太陽光発電は、光を直接電気へ変える方式で、回転する発電機を必ず使うわけではありません。

手回しでも発電所でも、「電気の前に、どこからエネルギーが来たか」を追うと理解しやすくなります。電気のエネルギーをたどるでは、電池の化学反応と発電機の回転を入口として、LEDの光、モーターの動き、IHの熱まで比較できます。

マイクのムービングコイル方式も電磁誘導を利用します。回転ではなく、音が振動板とコイルを往復させ、小さな電気信号を取り出します。同じ誘導でも、電力を供給する発電機と、音の情報を信号へ変えるマイクでは、目的と動かすものが違います。

エンジン式の携帯発電機は、排気による一酸化炭素中毒の危険があるため、屋内や屋外でも換気の悪い場所では使用できません。この記事の図は製作・接続・運転の手順ではありません。実機ではメーカーの取扱説明書と定格を確認してください。