發(fā)電機是根據(jù)什么原理制成？

【專家解說】：發(fā)電機：法拉第（英）發(fā)電機原型；皮克希（法）最初發(fā)電 機 電動機：S?ren Hjorth 在公元1831年，法拉第將一個封閉電路中的導線通過電磁場，導線轉動有電流流過電線，法拉第因此了解到電和磁場之間有某種緊密的關連，他建造了第一座發(fā)電機原型，其中包括了在磁場中迥轉的銅盤，此發(fā)電機產(chǎn)生了電力。在此之前，所有的電皆由靜電機器和電池所產(chǎn)生，而這二者均無法產(chǎn)生巨大力量。但是，法拉第的發(fā)電機終于改變了一切。 發(fā)電機包括一個能在二個或二個以上的磁場間迅速旋轉的電磁鐵，當二個磁場相互交錯，就產(chǎn)生了電，由電線從發(fā)電機中導出。電子工程師依發(fā)電機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。 學過物理課的人都會記得，英國科學家法拉第于1831 年發(fā)現(xiàn)了電磁感應原理。這一在人類社會發(fā)展過程中起到重要作用的原理是說：“當磁場的磁力線發(fā)生變化時，在其周圍的導線中就會感應產(chǎn)生電流?！? 法拉第曾煞費苦心，通過研究和反復實驗，終于發(fā)現(xiàn)了這一影響巨大的科學原理，而且他確信，利用此原理肯定能制造出可以實際發(fā)電的發(fā)電機。 就在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應原理的第二年，受法拉第發(fā)現(xiàn)的啟示，法國人皮克希應用電磁感應原理制成了最初的發(fā)電機。 皮克希的發(fā)電機是在靠近可以旋轉的U 形磁鐵（通過手輪和齒輪使其旋轉）的地方，用兩根鐵芯繞上導線線圈，使其分別對準磁鐵的N 極和S 極，并將線圈導線引出。這樣，搖動手輪使磁鐵旋轉時，由于磁力線發(fā)生了變化，結果在線圈導線中就產(chǎn)生了電流。 由這種發(fā)電機的裝置可以知道，每當磁鐵旋轉半圈時，線圈所對應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，皮克希想出了一個巧妙的辦法：在磁鐵的旋轉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)彈簧片分別與兩個金屬片相接觸。另外，再用兩根導線與兩個金屬片接觸，以引出電流。這個裝置，就叫做整流子，在后來的發(fā)電機上仍得到應用。 整流子為什么能保持電流方向不變呢？這是因為電流從線圈流入整流子，而整流子是和磁鐵一起旋轉的。當磁鐵轉過半圈，線圈中電流方向倒逆過來，整流子也正好轉過半周來而掉轉了方向，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)電機在世界上是首創(chuàng)，當然也有其不足之處。需要對它進行改進的地方，一是轉動磁鐵不如轉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，并稍微錯開地將變化的電流一起引出的辦法，使輸出電流的強度變化控制在一定的范圍內。 從皮克希發(fā)明發(fā)電機后的30 多年間，雖然有所改進，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，而且可供實用的發(fā)電機。 1867 年，德國發(fā)明家韋納·馮·西門子對發(fā)電機提出了重大改進。他認為，在發(fā)電機上不用磁鐵（即永久磁鐵），而用電磁鐵，這樣可使磁力增強，產(chǎn)生強大的電流。 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，也還殘存有微弱的磁性。當轉動線圈時，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，于是電磁鐵也能產(chǎn)生出強磁性。 接著，西門子著手研究電磁鐵式發(fā)電機。很快就制成了這種新型的發(fā)電機，它能產(chǎn)生皮克發(fā)電機所遠不能相比的強大電流。同時，這種發(fā)電機比連接一大堆電池來通電要方便得多，因而它作為實用發(fā)電機被廣泛應用起來。 西門子的新型發(fā)電機問世后不久，意大利物理學家帕其努悌于1865 年發(fā)明了環(huán)狀發(fā)電機電樞。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)電機的效率。 實際上，帕斯努悌早在1860 年就提出了發(fā)電機電樞的設想，但未能引起的人們的注意。1865 年，他又在一本雜志上發(fā)表了這一獨創(chuàng)性的見解，仍未得到社會的公認。 到了1869 年，比利時學者古拉姆在法國巴黎研究電學時，看到了帕其努悌發(fā)表的文章，認為這一發(fā)明有其優(yōu)越性。于是，他就根據(jù)帕其努悌的設計方案，兼采納了西門子的電磁鐵式發(fā)電機原理進行研制，于1870 年制成了性能優(yōu)良的發(fā)電機。 在帕其努悌的發(fā)明中，對發(fā)電機的整流子部分進行了重要改進，使發(fā)電機發(fā)出的電流強度變化極小。而采用帕其努悌設計方案制成的古拉姆式發(fā)電機，其發(fā)出的電流強度變化也很小。這是古拉姆發(fā)電機的優(yōu)良性能的表現(xiàn)之一。 古拉姆發(fā)電機的性能好，所以銷路很廣，他不僅發(fā)了財，而且被人們譽為“發(fā)電機之父”。 有些人看到古拉姆發(fā)明發(fā)電機獲得成功，也想對發(fā)電機進行改進從而制造出更先進的發(fā)電機。在這些人中，就有德國的西門子公司研究發(fā)電機的工程師阿特涅。他發(fā)明了古拉姆發(fā)電機不同的線圈繞線方式，制成了性能良好的發(fā)電機。 古拉姆發(fā)電機的電樞是將鐵絲繞成環(huán)狀，在環(huán)與環(huán)之間夾上紙進行絕緣，然后將環(huán)捆在一起作為鐵芯，在其上面繞上導線線圈，再由線圈的不同部位引出一些導線，接向帶整流子。而阿特涅發(fā)電機的電樞，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)過這種改進后，發(fā)電機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，從而使電力工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。 隨著發(fā)電機的逐漸大型化，轉動發(fā)電機的動力也發(fā)生了變化。其中以水力作動力更使人們感興趣。這是因為用水力轉動大型發(fā)電機較方便，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，然后再輸送到遠方的城市。 為了遠距離輸送電，就要架設很長的輸電線。但是，在輸電線中通過很強的電流時，電線就要發(fā)熱，這樣，好不容易發(fā)出的電能在送向遠方的途中，卻因為電線發(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：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。 前一個措施因需要大量的金屬導線，而且架設很粗的導線有很多困難，因而很難得到采用。比較起來，還是后一個措施有實用價值。然而，對于當時使用的直流電來說，使其電壓提高或降低都是難以實現(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)電機改為交流電發(fā)電機比較容易，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。此后，對交流發(fā)電機的研究工作便盛行起來，從而使這種發(fā)電機得到了迅速的發(fā)展