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家用电是怎么产生的 从法拉第说起

新知 | admin发表于2024年04月08日 | 566个浏览

我们每天都离不开电,也知道家用电是从发电厂发出来的。但是发电厂是如何发电的呢?是谁第一个发现了这个原理呢?要了解这些,我们首先要从一个人物——法拉第——说起。

家用电是怎么产生的 从法拉第说起

一、电磁感应现象

丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应之后,英国物理学家法拉第就想到:既然电流能够产生磁场,那么反过来,磁场是否能够产生电流呢?因为在法拉第的时代,人们用电都是使用锌、铜和制作的伏打电池,这种电池制作麻烦,电压小,发出的电不适于普通人使用。但是自然界的磁铁资源非常丰富,如果使用磁铁发电,那么电就能进入千家万户了。

法拉第为了这个理想进行了艰苦的实验,他最初的想法是将一块磁铁放在螺线管中,期待着电路中产生电流,但是一直没有获得成功。终于,在1831年,法拉第的实验获得了突破,他发现:只有在磁铁插入或者拔出螺线管的过程中,电路中才会产生电流。

我们用现代的方法可以把法拉第的实验等效成上面的情况:用一个螺线管连接电流表,将一根磁铁插入螺线管的过程中,电流表就会产生示数。而且,插入的速度越快,电流表指针的偏转就越大。同样,在磁铁拔出螺线管的过程中,电流表指针也会偏转,只是方向相反。但是,如果磁铁在螺线管中保持静止不动,电路中就没有电流产生了。

法拉第终于明白:只有在运动和变化的过程中,磁铁才能够产生电流。法拉第将他的发现总结成五种情况,其中应用在现代发电机的情况是:在磁场中切割磁感线的导体可以产生电流。

比如:我们将一根导线与电流表相连,并且使得导线向右运动,这样导线就好像刀一样切断了磁感线,电路中就会出现电流。而且我们可以使用右手定则判断电流的方向:如果磁感线穿过右手的手心,大拇指指向导线运动的方向,那么右手四指的方向就是产生的电流方向。

按照这个原理,法拉第制作了早期的发电机,而英国财政大臣对发电机的用途表示怀疑。他问法拉第:你的发明很有趣,但是它有什么用呢?

法拉第说:阁下,也许你很快就能对它收税了。

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果然,现在电已经成了我们生活必不可少的一部分,谁家用电不交钱呢?

二、直流电和交流电

早期的发电机产生的都是直流电。所谓直流电,就是电流方向不发生变化的电流。现在我们的家用电都是交流电,所谓交流电,就是方向周期性变化的电流。

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具体来说,两孔插座中有一根线称为“零线”,零线电压与大地相同,所以触摸零线不会触电。另一根线称为“火线”,火线电压一会儿比大地高,一会儿比大地低。由于电流从高电压流向低电压,所以电流有时候从火线流过用电器,再流回零线,有时候从零线流过用电器再流回火线,每个周期是1/50s,称为50Hz的交流电。交流电与直流电相比最大的优点就是改变电压十分方便,从而可以进行高压传输以减小损耗。

那么,这种交流电又是如何产生的呢?

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交流电可以通过一个线圈在磁场中转动产生。比如图中这种情况:在线圈旋转时,右侧导线向上运动,根据右手定则,产生的交流电从c流向d;左侧导线向下运动,产生的交流电从a流向b,所以整个电路中的电流流向是c-d-a-b方向。在线圈外端通过两个电刷与外部电路相连,于是电流就可以通过电刷从上向下流过灯泡。

半个周期之后,线圈旋转半周,ab与cd交换位置,电流方向就会变为b-a-d-c,这样一来,电流就会从下向上流过灯泡。于是就形成了交流电。如果线圈匀速转动,就形成了正弦交流电。

也就是说,只要能让线圈与磁铁发生相对转动,就可以产生电流。在现代发电机中,旋转的其实不是线圈,而是磁铁,称为“转子”。而线圈是不动的,称为“定子”。同时,出于工程商的需要,发电机线圈有三组,任意两组线圈都夹60度角。

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这样一来,当磁铁在线圈中匀速转动时,三组线圈中分别产生三个正弦交流电,而且每一个都比前一个滞后1/3周期。

这三个交流电会具有共同的零线(中性线)和不同的火线(输出线)。在供电时,如果我们把一根火线和零线接入用电器,就是家用电220V,如果我们把两根火线接入用电器,就变成了工业用电380V。

那么,我们如何才能使得线圈或磁铁转动呢?这就取决于发电机的种类。水力发电机是靠水的冲击使得涡轮机转动,风力发电机是靠扇叶使发电机转动,火力发电机是靠燃烧加热水蒸气推动涡轮机。这个过程需要消耗外界的能量。总之,发电机就是把其他形式能量转化成电能的机器。

发电机被发明之后,各种用电器如雨后春笋般出现,人类由此进入了电气时代。

三、没上过学的科学巨匠

我们还要再谈谈法拉第——这个将人类带入电器时代的人。法拉第生于一个铁匠家庭,由于家庭贫困,他只上了两年小学就辍学了,成为了一名订书匠的学徒。不过,这份工作让他接触到了大量的图书,接触了普通人无法接触到的各种文献,他被科学深深地迷住了。

在书店里一位老主顾的帮助下,20岁的法拉第有幸聆听了化学家戴维的演讲。他还把整理好的演讲记录写信邮寄给戴维,并表示了自己愿意为科学献身的想法。

戴维看过法拉第的简历之后对他说:“年轻人我要告诉你,科学是很辛苦的,而且没有多少回报。”

法拉第回答道:“我认为科学本身就是一种回报。”

戴维被感动了,法拉第终于成为了戴维实验室的一名助手,他的科学梦想从戴维实验室开始成为了现实。后来,法拉第在物理、化学方面都取得了惊人的成就,成为了那个时代最伟大的科学家。

法拉第还是一位品德高尚的人。由于自己早年的经历,他非常重视对年轻学者的培养,并且鼓励了一批如麦克斯韦一样的科学巨匠。他拒绝了对自己的封爵,还两次拒绝成为皇家科学会会长,并表示不愿安葬在西敏寺——牛顿等人的长眠地。于是,人们,将他安葬在其他墓园,却在西敏寺牛顿的墓碑旁树立了他的纪念碑。

顺便一说,他的入门恩师戴维也是一位著名化学家,人们认为戴维最大的贡献就是发现了法拉第……

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