二十四、法拉弟发明发电机
法拉第发电机是第一台不使用化学方法的发电机。1831年,法拉第发现了变化磁场能够在封闭电路中产生电动势,就是著名的电磁感应现象,即闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,产生的电流称为感应电流,产生的电动势(电压)称为感应电动势。法拉第用一个可转动的金属圆盘置于磁铁的磁场中,并用电流表测量圆盘边沿和轴心之间的电流。实验表明,当圆盘旋转时,电流表发生了偏转,证实回路中出现了电流,也就是说实现了机械能转变为电能,这是历史上第一台发电机。
迈克尔·法拉第 (Michael Faraday,1791年9月22日~1867年8月25日),英国物理学家、化学家,也是著名的自学成才的科学家。
法拉第1791年9月22日出生于萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭,仅上过小学。1831年,他作出了关于电力场的关键性突破,永远改变了人类文明。
1820年奥斯特成功地完成了通电导线能使磁针偏转的实验后,不少科学家进行了进一步研究,既然电能产生磁,那么磁能不能产生电呢?著名科学家安培就是这些研究者中的一个,他实验的方法很多,但犯了根本性错误,实验没有成功。
另一位科学家科拉顿在1825年做了这样一个实验:把一块磁铁插入绕成圆筒状的线圈中。他想,这样或许能得到电流。为了防止磁铁对检测电流的电流表产生影响,他用了很长的导线把电流表接到隔壁的房间里。他没有助手,只好把磁铁插到线圈中以后,再跑到隔壁房间里看电流表指针是否偏转。他的装置是完全正确的,实验的方法也是对的,但是他犯了一个实在令人遗憾的错误,这就是电流表指针的偏转只发生在磁铁插入或拨出线圈这一瞬间,一旦磁铁插进线圈不再运动,电流表指针就会回到原来的位置。所以等他插好磁铁再赶紧跑到隔壁房间里去看电流表时,无论怎样快也看不到电流表指针偏转的现象。要是他有个助手,要是他把电流表放在同一个房间里,他就是第一个发现磁生电的人了。
在同一时期英国物理学家法拉第自1821年就开始了磁生电的研究。他用磁铁与铜线圈做实验,经过了无数次失败,但他没有气馁。1831年10月17日,法拉第拿起磁铁慢慢地把它的一端靠近线圈,身边的电流表未见摆动。他灵机一动,把磁铁很快地插入线圈里,突然指针奇迹般地摆动了一下,又回到零刻度线。他以为自己看花了眼,又急忙把磁铁从线圈中拔出来,想再试一次,不料,这一拔,奇迹又重新出现了,不过这一次指针是向相反方向摆动的,他成功了!
1831年10月17日,法拉第发现了变化的磁场能够在封闭电路中产生电动势,就是著名的电磁感应现象,即闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,产生的电流称为感应电流,产生的电动势(电压)称为感应电动势。他当时总结出五种情况下,即变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体,会在导体中产生感应电流。法拉第用一个可转动的金属圆盘置于磁铁的磁场中,并用电流表测量圆盘边沿(A)和轴心(O) 之间的电流,如《拉第圆盘发电机原理图》所示。实验表明,当圆盘旋转时,电流表发生了偏转,证实回路中出现了电流,也就是说实现了机械能转变为电能,这是历史上第一台发电机。
迈克尔·法拉第是英国著名化学家戴维的学生和助手,他的发现奠定了电磁学的基础,是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的先导。1831年10月17日,法拉第首次发现电磁感应现象,并进而得到产生交流电的方法。1831年10月28日法拉第发明了圆盘发电机,是人类创造出的第一个发电机。法拉第把磁力线和电力线的重要概念引入了物理学,通过强调不是磁铁本身而是它们之间的“场”,为当代物理学中的许多进步,法拉第展开拓了道路,其中包括麦克斯韦方程。法拉第还发现如果有偏振光通过磁场,其偏振作用就会发生变化。这一发现具有特殊意义,首次表明了光与磁之间存在某种关系。
1867年8月25日,法拉第因病医治无效逝世,享年76岁。
由于他在电磁学方面做出了伟大贡献,被称为“电学之父”和“交流电之父”。
在法拉第发现电磁感应原理的第二年,受法拉第发现的启示,法国人皮克希应用电磁感应原理制成了最初的发电机。最初的发电机设备比较笨重,它的原动力是人力,难以靠提高转速来获得大功率的电流。1833年至1835年间,萨史斯顿和克拉克等人相继发明了旋转线圈电枢、静止磁铁结构等新装置,这些新装置的引入,使发电机的运转设备大大减轻,从而提高了发电机的转速。
1867年,德国发明家西门子对发电机进行了重大改进,制成了电磁铁式发电机。电磁铁式发电机是用电磁铁代替永久磁铁,使磁力增强,能产生皮克希的发电机所远不能相比的强大电流。
在西门子进行发电机改进期间,意大利物理学家帕其努悌发明了环状发电机电枢。这种电枢是以在铁环上绕线圈代替在铁芯棒上绕制的线圈,从而提高了发电机的效率。
1869年,比利时学者古拉姆在法国巴黎研究电学时,采纳了西门子的电磁铁式发电机原理,利用了帕其努悌的环状发电机电枢,制成了性能优良的发电机。古拉姆发电机的性能好,所以销路很好,他不仅发了一笔财,而且被人们誉为“发电机之父”。
随着社会的发展,出现了多种类型的发电机,如直流发电机、交流发电机、柴油发电机、汽油发电机、同步发电机、异步发电机、汽轮发电机、水轮发电机、风能发电机、新型水冷式交流发电机等。尽管发电机的形式很多,但其工作原理都基于电磁感应原理。发电机是把其他形式的能转化成电能的机械设备,在科学技术不断发展中,发电机在工农业生产、国防及日常生活中有广泛的用途。