我們每天都離不開電,也知道家用電是從發(fā)電廠發(fā)出來的。但是發(fā)電廠是如何發(fā)電的呢?是誰第一個發(fā)現(xiàn)了這個原理呢?要了解這些,我們首先要從一個人物——法拉第——說起。
一.電磁感應現(xiàn)象
丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應之后,英國物理學家法拉第就想到:既然電流能夠產(chǎn)生磁場,那么反過來,磁場是否能夠產(chǎn)生電流呢?因為在法拉第的時代,人們用電都是使用鋅、銅和鹽水制作的伏打電池,這種電池制作麻煩,電壓小,發(fā)出的電不適于普通人使用。但是自然界的磁鐵資源非常豐富,如果使用磁鐵發(fā)電,那么電就能進入千家萬戶了。
法拉第為了這個理想進行了艱苦的實驗,他最初的想法是將一塊磁鐵放在螺線管中,期待著電路中產(chǎn)生電流,但是一直沒有獲得成功。終于,在1831年,法拉第的實驗獲得了突破,他發(fā)現(xiàn):只有在磁鐵插入或者拔出螺線管的過程中,電路中才會產(chǎn)生電流。
我們用現(xiàn)代的方法可以把法拉第的實驗等效成上面的情況:用一個螺線管連接電流表,將一根磁鐵插入螺線管的過程中,電流表就會產(chǎn)生示數(shù)。而且,插入的速度越快,電流表指針的偏轉就越大。同樣,在磁鐵拔出螺線管的過程中,電流表指針也會偏轉,只是方向相反。但是,如果磁鐵在螺線管中保持靜止不動,電路中就沒有電流產(chǎn)生了。
法拉第終于明白:只有在運動和變化的過程中,磁鐵才能夠產(chǎn)生電流。法拉第將他的發(fā)現(xiàn)總結成五種情況,其中應用在現(xiàn)代發(fā)電機的情況是:在磁場中切割磁感線的導體可以產(chǎn)生電流。
比如:我們將一根導線與電流表相連,并且使得導線向右運動,這樣導線就好像刀一樣切斷了磁感線,電路中就會出現(xiàn)電流。而且我們可以使用右手定則判斷電流的方向:如果磁感線穿過右手的手心,大拇指指向導線運動的方向,那么右手四指的方向就是產(chǎn)生的電流方向。
按照這個原理,法拉第制作了早期的發(fā)電機,而英國財政大臣對發(fā)電機的用途表示懷疑。他問法拉第:你的發(fā)明很有趣,但是它有什么用呢?
法拉第說:閣下,也許你很快就能對它收稅了。
果然,現(xiàn)在電已經(jīng)成了我們生活必不可少的一部分,誰家用電不交錢呢?
二.直流電和交流電
早期的發(fā)電機產(chǎn)生的都是直流電。所謂直流電,就是電流方向不發(fā)生變化的電流?,F(xiàn)在我們的家用電都是交流電,所謂交流電,就是方向周期性變化的電流。
具體來說,兩孔插座中有一根線稱為“零線”,零線電壓與大地相同,所以觸摸零線不會觸電。另一根線稱為“火線”,火線電壓一會兒比大地高,一會兒比大地低。由于電流從高電壓流向低電壓,所以電流有時候從火線流過用電器,再流回零線,有時候從零線流過用電器再流回火線,每個周期是1/50s,稱為50Hz的交流電。交流電與直流電相比最大的優(yōu)點就是改變電壓十分方便,從而可以進行高壓傳輸以減小損耗。
那么,這種交流電又是如何產(chǎn)生的呢?
交流電可以通過一個線圈在磁場中轉動產(chǎn)生。比如圖中這種情況:在線圈旋轉時,右側導線向上運動,根據(jù)右手定則,產(chǎn)生的交流電從c流向d;左側導線向下運動,產(chǎn)生的交流電從a流向b,所以整個電路中的電流流向是c-d-a-b方向。在線圈外端通過兩個電刷與外部電路相連,于是電流就可以通過電刷從上向下流過燈泡。
半個周期之后,線圈旋轉半周,ab與cd交換位置,電流方向就會變?yōu)閎-a-d-c,這樣一來,電流就會從下向上流過燈泡。于是就形成了交流電。如果線圈勻速轉動,就形成了正弦交流電。
也就是說,只要能讓線圈與磁鐵發(fā)生相對轉動,就可以產(chǎn)生電流。在現(xiàn)代發(fā)電機中,旋轉的其實不是線圈,而是磁鐵,稱為“轉子”。而線圈是不動的,稱為“定子”。同時,出于工程商的需要,發(fā)電機線圈有三組,任意兩組線圈都夾60度角。
這樣一來,當磁鐵在線圈中勻速轉動時,三組線圈中分別產(chǎn)生三個正弦交流電,而且每一個都比前一個滯后1/3周期。
這三個交流電會具有共同的零線(中性線)和不同的火線(輸出線)。在供電時,如果我們把一根火線和零線接入用電器,就是家用電220V,如果我們把兩根火線接入用電器,就變成了工業(yè)用電380V。
那么,我們如何才能使得線圈或磁鐵轉動呢?這就取決于發(fā)電機的種類。水力發(fā)電機是靠水的沖擊使得渦輪機轉動,風力發(fā)電機是靠扇葉使發(fā)電機轉動,火力發(fā)電機是靠燃燒加熱水蒸氣推動渦輪機。這個過程需要消耗外界的能量??傊l(fā)電機就是把其他形式能量轉化成電能的機器。
發(fā)電機被發(fā)明之后,各種用電器如雨后春筍般出現(xiàn),人類由此進入了電氣時代。
三.沒上過學的科學巨匠
我們還要再談談法拉第——這個將人類帶入電器時代的人。法拉第生于一個鐵匠家庭,由于家庭貧困,他只上了兩年小學就輟學了,成為了一名訂書匠的學徒。不過,這份工作讓他接觸到了大量的圖書,接觸了普通人無法接觸到的各種文獻,他被科學深深地迷住了。
在書店里一位老主顧的幫助下,20歲的法拉第有幸聆聽了化學家戴維的演講。他還把整理好的演講記錄寫信郵寄給戴維,并表示了自己愿意為科學獻身的想法。
戴維看過法拉第的簡歷之后對他說:“年輕人我要告訴你,科學是很辛苦的,而且沒有多少回報。”
法拉第回答道:“我認為科學本身就是一種回報。”
戴維被感動了,法拉第終于成為了戴維實驗室的一名助手,他的科學夢想從戴維實驗室開始成為了現(xiàn)實。后來,法拉第在物理、化學方面都取得了驚人的成就,成為了那個時代最偉大的科學家。
法拉第還是一位品德高尚的人。由于自己早年的經(jīng)歷,他非常重視對年輕學者的培養(yǎng),并且鼓勵了一批如麥克斯韋一樣的科學巨匠。他拒絕了對自己的封爵,還兩次拒絕成為皇家科學會會長,并表示不愿安葬在西敏寺——牛頓等人的長眠地。于是,人們,將他安葬在其他墓園,卻在西敏寺牛頓的墓碑旁樹立了他的紀念碑。
順便一說,他的入門恩師戴維也是一位著名化學家,人們認為戴維最大的貢獻就是發(fā)現(xiàn)了法拉第……
來源:李永樂老師