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19世紀(jì)30年代世界上第一臺(tái)發(fā)電機(jī)的發(fā)明者

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問(wèn) 提問(wèn)者:網(wǎng)友 2017-04-27
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  在公元1831年,法拉第將一個(gè)封閉電路中的導(dǎo)線通過(guò)電磁場(chǎng),導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)有電流流過(guò)電線,法拉第因此了解到電和磁場(chǎng)之間有某種緊密的關(guān)連,他建造了第一座發(fā)電機(jī)原型,其中包括了在磁場(chǎng)中迥轉(zhuǎn)的銅盤,此發(fā)電機(jī)產(chǎn)生了電力。在此之前,所有的電皆由靜電機(jī)器和電池所產(chǎn)生,而這二者均無(wú)法產(chǎn)生巨大力量。但是,法拉第的發(fā)電機(jī)終于改變了一切。   發(fā)電機(jī)包括一個(gè)能在二個(gè)或二個(gè)以上的磁場(chǎng)間迅速旋轉(zhuǎn)的電磁鐵,當(dāng)二個(gè)磁場(chǎng)相互交錯(cuò),就產(chǎn)生了電,由電線從發(fā)電機(jī)中導(dǎo)出。電子工程師依發(fā)電機(jī)線繞的方式和磁鐵的安排,而獲得交流電(AC)或直流電(DC),大部分發(fā)電機(jī)都是產(chǎn)生交流電,它比直流電更易由傳輸線作長(zhǎng)距離的傳送。   學(xué)過(guò)物理課的人都會(huì)記得,英國(guó)科學(xué)家法拉第于1831 年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理。這一在人類社會(huì)發(fā)展過(guò)程中起到重要作用的原理是說(shuō):“當(dāng)磁場(chǎng)的磁力線發(fā)生變化時(shí),在其周圍的導(dǎo)線中就會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生電流。”   法拉第曾煞費(fèi)苦心,通過(guò)研究和反復(fù)實(shí)驗(yàn),終于發(fā)現(xiàn)了這一影響巨大的科學(xué)原理,而且他確信,利用此原理肯定能制造出可以實(shí)際發(fā)電的發(fā)電機(jī)。   就在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理的第二年,受法拉第發(fā)現(xiàn)的啟示,法國(guó)人皮克希應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制成了最初的發(fā)電機(jī)。   皮克希的發(fā)電機(jī)是在靠近可以旋轉(zhuǎn)的U 形磁鐵(通過(guò)手輪和齒輪使其旋轉(zhuǎn))的地方,用兩根鐵芯繞上導(dǎo)線線圈,使其分別對(duì)準(zhǔn)磁鐵的N 極和S 極,并將線圈導(dǎo)線引出。這樣,搖動(dòng)手輪使磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí),由于磁力線發(fā)生了變化,結(jié)果在線圈導(dǎo)線中就產(chǎn)生了電流。   由這種發(fā)電機(jī)的裝置可以知道,每當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)半圈時(shí),線圈所對(duì)應(yīng)的磁鐵的磁極就改變一次,從而使電流的方向也跟著改變一次。為了改變這種情況,使電流方向保持不變,皮克希想出了一個(gè)巧妙的辦法:在磁鐵的旋轉(zhuǎn)軸上加裝兩片相互隔開(kāi)成圓筒狀的金屬片,由線圈引出的兩條線頭,經(jīng)彈簧片分別與兩個(gè)金屬片相接觸。另外,再用兩根導(dǎo)線與兩個(gè)金屬片接觸,以引出電流。這個(gè)裝置,就叫做整流子,在后來(lái)的發(fā)電機(jī)上仍得到應(yīng)用。   整流子為什么能保持電流方向不變呢?這是因?yàn)殡娏鲝木€圈流入整流子,而整流子是和磁鐵一起旋轉(zhuǎn)的。當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)過(guò)半圈,線圈中電流方向倒逆過(guò)來(lái),整流子也正好轉(zhuǎn)過(guò)半周來(lái)而掉轉(zhuǎn)了方向,因而輸出的電流方向始終是不變的。   皮克希發(fā)明的這種發(fā)電機(jī)在世界上是首創(chuàng),當(dāng)然也有其不足之處。需要對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)的地方,一是轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵不如轉(zhuǎn)動(dòng)線圈更為方便靈活;二是通過(guò)整流子可以得到定向的電流,但是電流強(qiáng)弱還是不斷變化的。為改變這種情況,人們采用增加一些磁鐵和線圈數(shù)量,并稍微錯(cuò)開(kāi)地將變化的電流一起引出的辦法,使輸出電流的強(qiáng)度變化控制在一定的范圍內(nèi)。   從皮克希發(fā)明發(fā)電機(jī)后的30 多年間,雖然有所改進(jìn),并出現(xiàn)了一些新發(fā)明,但成果不大,始終未能研制出能輸出像電池那樣大的電流,而且可供實(shí)用的發(fā)電機(jī)。   1867 年,德國(guó)發(fā)明家韋納·馮·西門子對(duì)發(fā)電機(jī)提出了重大改進(jìn)。他認(rèn)為,在發(fā)電機(jī)上不用磁鐵(即永久磁鐵),而用電磁鐵,這樣可使磁力增強(qiáng),產(chǎn)生強(qiáng)大的電流。   西門子用電磁鐵代替永久磁鐵發(fā)電的原理是,電磁鐵的鐵芯在不通電流時(shí),也還殘存有微弱的磁性。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)線圈時(shí),利用這一微弱的剩磁發(fā)出電流,再反回給電磁鐵,促使其磁力增強(qiáng),于是電磁鐵也能產(chǎn)生出強(qiáng)磁性。   接著,西門子著手研究電磁鐵式發(fā)電機(jī)。很快就制成了這種新型的發(fā)電機(jī),它能產(chǎn)生皮克發(fā)電機(jī)所遠(yuǎn)不能相比的強(qiáng)大電流。同時(shí),這種發(fā)電機(jī)比連接一大堆電池來(lái)通電要方便得多,因而它作為實(shí)用發(fā)電機(jī)被廣泛應(yīng)用起來(lái)。   西門子的新型發(fā)電機(jī)問(wèn)世后不久,意大利物理學(xué)家帕其努悌于1865 年發(fā)明了環(huán)狀發(fā)電機(jī)電樞。這種電樞是以在鐵環(huán)上繞線圈代替在鐵芯棒上繞制的線圈,從而提高了發(fā)電機(jī)的效率。   實(shí)際上,帕斯努悌早在1860 年就提出了發(fā)電機(jī)電樞的設(shè)想,但未能引起的人們的注意。1865 年,他又在一本雜志上發(fā)表了這一獨(dú)創(chuàng)性的見(jiàn)解,仍未得到社會(huì)的公認(rèn)。   到了1869 年,比利時(shí)學(xué)者古拉姆在法國(guó)巴黎研究電學(xué)時(shí),看到了帕其努悌發(fā)表的文章,認(rèn)為這一發(fā)明有其優(yōu)越性。于是,他就根據(jù)帕其努悌的設(shè)計(jì)方案,兼采納了西門子的電磁鐵式發(fā)電機(jī)原理進(jìn)行研制,于1870 年制成了性能優(yōu)良的發(fā)電機(jī)。   在帕其努悌的發(fā)明中,對(duì)發(fā)電機(jī)的整流子部分進(jìn)行了重要改進(jìn),使發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流強(qiáng)度變化極小。而采用帕其努悌設(shè)計(jì)方案制成的古拉姆式發(fā)電機(jī),其發(fā)出的電流強(qiáng)度變化也很小。這是古拉姆發(fā)電機(jī)的優(yōu)良性能的表現(xiàn)之一。   古拉姆發(fā)電機(jī)的性能好,所以銷路很廣,他不僅發(fā)了財(cái),而且被人們譽(yù)為“發(fā)電機(jī)之父”。   有些人看到古拉姆發(fā)明發(fā)電機(jī)獲得成功,也想對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)從而制造出更先進(jìn)的發(fā)電機(jī)。在這些人中,就有德國(guó)的西門子公司研究發(fā)電機(jī)的工程師阿特涅。他發(fā)明了古拉姆發(fā)電機(jī)不同的線圈繞線方式,制成了性能良好的發(fā)電機(jī)。   古拉姆發(fā)電機(jī)的電樞是將鐵絲繞成環(huán)狀,在環(huán)與環(huán)之間夾上紙進(jìn)行絕緣,然后將環(huán)捆在一起作為鐵芯,在其上面繞上導(dǎo)線線圈,再由線圈的不同部位引出一些導(dǎo)線,接向帶整流子。而阿特涅發(fā)電機(jī)的電樞,是用許多薄圓鐵板以紙絕緣后重疊起來(lái),制成鐵芯,然后在上面繞上導(dǎo)線線圈。人們把這種方法叫做“鼓卷”,意思是像鼓一樣的形狀。經(jīng)過(guò)這種改進(jìn)后,發(fā)電機(jī)無(wú)論是外觀或是性能,都比原來(lái)有了很大起色。   西門子公司由于阿特涅的這項(xiàng)發(fā)明而益發(fā)馳名。于是,德國(guó)以西門子公司為核心,大力研制各種發(fā)電機(jī),從而使電力工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。   隨著發(fā)電機(jī)的逐漸大型化,轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)的動(dòng)力也發(fā)生了變化。其中以水力作動(dòng)力更使人們感興趣。這是因?yàn)橛盟D(zhuǎn)動(dòng)大型發(fā)電機(jī)較方便,而且不消耗燃料,成本低。因此,西門子公司又投入水力發(fā)電的研究工作。   利用水力發(fā)電與水力發(fā)電不同,前者必須將發(fā)電機(jī)安裝在水流湍急的地方,也就是水流落差大的地方。這樣,就必須在山中河川的上游發(fā)電,然后再輸送到遠(yuǎn)方的城市。   為了遠(yuǎn)距離輸送電,就要架設(shè)很長(zhǎng)的輸電線。但是,在輸電線中通過(guò)很強(qiáng)的電流時(shí),電線就要發(fā)熱,這樣,好不容易發(fā)出的電能在送向遠(yuǎn)方的途中,卻因?yàn)殡娋€發(fā)熱而損耗掉了。   為了減少電能在長(zhǎng)距離輸送中的發(fā)熱損耗,可以采用的辦法有兩個(gè):一是增加電壓的截面積,即將電線加粗,減小電阻;二是提高電壓而減小電流。   前一個(gè)措施因需要大量的金屬導(dǎo)線,而且架設(shè)很粗的導(dǎo)線有很多困難,因而很難得到采用。比較起來(lái),還是后一個(gè)措施有實(shí)用價(jià)值。然而,對(duì)于當(dāng)時(shí)使用的直流電來(lái)說(shuō),使其電壓提高或降低都是難以實(shí)現(xiàn)的。于是,人們只得開(kāi)始考慮利用電壓很容易改變的交流電。   看來(lái),將直流發(fā)電機(jī)改為交流電發(fā)電機(jī)比較容易,主要是取掉整流子就行了。所以,西門子公司的阿特涅便于1873 年發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)。此后,對(duì)交流發(fā)電機(jī)的研究工作便盛行起來(lái),從而使這種發(fā)電機(jī)得到了迅速的發(fā)展
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