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法拉第与发电机

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发布日期:2022-04-07

  

  这种外观简单且基本的设备由迈克尔·法拉第于1831年制造,它是世界上第一台发电机(来源:网络)

  才刚刚立夏,炎热的气温就匆匆赶来,特别是午睡的时候,小朋友们是不是觉得有些闷热了呢?还好有空调,为我们缓解了这燥热的气温。除了吹空调,生活中还有很多“好东西”,让我们的生活舒适又有趣,比如电子玩具、微波炉,等等。这些,你都应该感谢一个人,迈克尔·法拉第。在近200年前的19世纪,是法拉第的实验为如今的电灯、冰箱和空调等现代设施奠定了基础。

  在19世纪,人们的生活和现在有很大不同。那时候,人们并不知道电的好处。如果他们想在晚上读书,可能会点一盏油灯,或者借着月光;如果他们想保存食物,只能把食物放进冰里;如果像现在一样,天气开始热了起来,那只能扇扇子了,因为那时候可没有空调来给他们降温。

  法拉第出生于当时伦敦的一个贫穷家庭,他热爱学习,喜欢去听科学家的讲座,还喜欢做实验,尤其是跟电和磁铁有关的实验。1831年8月的一天,法拉第又钻进了实验室,他做了一个看起来颇为简单的实验:把两个线圈缠绕在一个铁环上,让我们称之为线圈A和B吧,A连接电源,B连接一块电流表(测量电流的仪器),A与B之间并不连通。他发现,在接通或断开线圈A的瞬间,电流表的指针会摆动一下!也就是说,线圈B中产生了短暂的电流。之后,法拉第想,这个铁环是不是用处不大?他撤掉了铁环,重复这个实验,在接通或断开线圈A的瞬间,电流表的指针又动了,不过,这次摆动的幅度没有那么大了,说明与第一次试验相比,此时线圈B中的电流小了一些。

  为什么指针的摆动只出现在接通或断开A的瞬间?两个线圈又不是连着的,怎么会在另一个线圈中产生电流呢?经过思考,法拉第似乎明白了什么,只有在电源接通或断开的一瞬间,电流从没有到有,是变化着的,所以,它们产生的磁场也是变化着的。换句话说,是A变化的磁场“刺激”了B的电流表。

  为了研究这个现象,法拉第又做了许多实验。

  到了10月,他用一捆线圈与电流表相连,然后将一块磁铁迅速插入与拔出线圈之中,电流表的指针居然也会发生摆动。这又是为什么呢?原来,插入或拔出磁铁,就相当于让这个穿过电路的磁力发生了变化,同样,是变化的磁场带来了电流。

  法拉第将此现象称为“电磁感应”现象,简单来说,就是“磁能生电”,所产生的电流叫做感应电流。

  随后,法拉第把一个金属盘安装在一个像小棒子一样的金属轴上,又将两条小磁铁固定在金属盘两边,当金属盘旋转时,他用电流表分别测量金属盘不同位置的电流大小,结果发现,当电流表的两端分别连接盘子中心位置和与磁极所对的金属盘边缘时,产生的感应电流最大。这台装置虽然简单,但却是发电机的雏形。

  这里还有一个有趣的小插曲,当法拉第在英国皇家学会上展示他的发电机时,一位贵族夫人问道:“这东西有什么用呢?”法拉第礼貌地回问道:“夫人,新生的婴儿又有什么用处呢?”这一回答受到了大家的赞赏。这个像儿童玩具似的东西拉开了发电机的序幕。后来,人们都体验到了电力的好处,特别是对普通民众来说,电力驱动的机器减轻了诸如抽水、挤牛奶之类的体力劳动负担。而现在,电磁感应的原理也同样无处不在,几乎所有的电器中,都凝结着法拉第的智慧结晶。

  作者:董依明

  审稿: 张轩中(中国科普作家协会会员,中国物理学会会员)