家用電是怎么產(chǎn)生的？從法拉第說起

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