講講發(fā)電機(jī)的發(fā)展史

【專家解說】：在公元1831年，法拉第將一個(gè)封閉電路中的導(dǎo)線通過電磁場，導(dǎo)線轉(zhuǎn)動有電流流過電線，法拉第因此了解到電和磁場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)以上的磁場間迅速旋轉(zhuǎn)的電磁鐵，當(dāng)二個(gè)磁場相互交錯(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距離的傳送。 學(xué)過物理課的人都會記得，英國科學(xué)家法拉第于1831 年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理。這一在人類社會發(fā)展過程中起到重要作用的原理是說:“當(dāng)磁場的磁力線發(fā)生變化時(shí)，在其周圍的導(dǎo)線中就會感應(yīng)產(chǎn)生電流?！? 法拉第曾煞費(fèi)苦心，通過研究和反復(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，使其分別對準(zhǔn)磁鐵的N 極和S 極，并將線圈導(dǎo)線引出。這樣，搖動手輪使磁鐵旋轉(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)過半圈，線圈中電流方向倒逆過來，整流子也正好轉(zhuǎn)過半周來而掉轉(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。需要對它進(jìn)行改進(jìn)的地方，一是轉(zhuǎn)動磁鐵不如轉(zhuǎn)動線圈更為方便靈活;二是通過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，德國發(fā)明家韋納·馮·西門子對發(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。 西門子的新型發(fā)電機(jī)問世后不久，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)性的見解，仍未得到社會的公認(rèn)。 到了1869 年，比利時(shí)學(xué)者古拉姆在法國巴黎研究電學(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，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)過這種改進(jìn)后，發(fā)電機(jī)無論是外觀或是性能，都比原來有了很大起色。 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)動發(fā)電機(jī)的動力也發(fā)生了變化。其中以水力作動力更使人們感興趣。這是因?yàn)橛盟D(zhuǎn)動大型發(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)很長的輸電線。但是，在輸電線中通過很強(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，還是后一個(gè)措施有實(shí)用價(jià)值。然而，對于當(dāng)時(shí)使用的直流電來說，使其電壓提高或降低都是難以實(shí)現(xiàn)的。于是，人們只得開始考慮利用電壓很容易改變的交流電。 看來，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，對交流發(fā)電機(jī)的研究工作便盛行起來，從而使這種發(fā)電機(jī)得到了迅速的發(fā)展 [轉(zhuǎn)]