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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,他建造了座發電機原型,其中包括了在磁場中迥轉的銅盤,此發電機產生了電力。在此之前,所有的電皆由靜電機器和電池所產生,而這二者均無法產生力量。但是,法拉第的發電機終于改變了一切。
發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,就產生了電,由電線從發電機中導出。電子工程師依發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),大部分發電機都是產生交流電,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 年發現了電磁感應原理。這一在人類社會發展過程中起到重要作用的原理是說:“當磁場的磁力線發生變化時,在其周圍的導線中就會感應產生電流。”法拉第曾煞費苦心,通過研究和反復實驗,終于發現了這一影響的科學原理,而且他確信,利用此原理肯定能制造出可以實際發電的發電機。就在法拉第發現電磁感應原理的第二年,受法拉第發現的啟示,法國人皮克希應用電磁感應原理制成了初的發電機。皮克希的發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,由于磁力線發生了變化,結果在線圈導線中就產生了電流。
由這種發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。
皮克希發明的這種發電機在世界上是,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。從皮克希發明發電機后的30 多年間,雖然有所改進,并出現了一些新發明,但成果不大,始終未能研制出能輸出像電池那樣大的電流,而且可供實用的發電機。
1867 年,德國發明家韋納·馮·西門子對發電機提出了重大改進。他認為,在發電機上不用磁鐵(即磁鐵),而用電磁鐵,這樣可使磁力增強,產生強大的電流。
西門子用電磁鐵代替磁鐵發電的原理是,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,于是電磁鐵也能產生出強磁性。接著,西門子著手研究電磁鐵式發電機。很快就制成了這種新型的發電機,它能產生皮克發電機所遠不能相比的強大電流。同時,這種發電機比連接一大堆電池來通電要方便得多,因而它作為實用發電機被廣泛應用起來。
西門子的新型發電機問世后不久,意大利物理學家帕其努悌于1865 年發明了環狀發電機電樞。這種電樞是以在鐵環上繞線圈代替在鐵芯棒上繞制的線圈,從而提高了發電機的效率。
實際上,帕斯努悌早在1860 年就提出了發電機電樞的設想,但未能引起的人們的注意。1865 年,他又在一本雜志上發表了這一性的見解,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,看到了帕其努悌發表的文章,認為這一發明有其性。于是,他就根據帕其努悌的設計方案,兼采納了西門子的電磁鐵式發電機原理進行研制,于1870 年制成了性能優良的發電機。
在帕其努悌的發明中,對發電機的整流子部分進行了重要改進,使發電機發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電機,其發出的電流強度變化也很小。這是古拉姆發電機的優良性能的表現之一。
古拉姆發電機的性能好,所以銷路很廣,他不僅發了財,而且被人們譽為“發電機之父”。
有些人看到古拉姆發明發電機獲得成功,也想對發電機進行改進從而制造出更的發電機。在這些人中,就有德國的西門子公司研究發電機的工程師阿特涅。他發明了古拉姆發電機不同的線圈繞線方式,制成了性能良好的發電機。
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