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【人物】10个“发明之父”(六)——电动机、发电机的鼻祖法拉第

当今世界,无处不“电”——电话、电灯,装有发光二极管(LED)的衣裤鞋帽、童车和童椅,连小小的眼镜也配上了用来验钞的紫光LED和用来照明的白光LED……在这个电气时代,电动机与发电机是两大“明星”。那么,电动机与发电机是怎么发明的呢?

“电”和“磁”,是我们非常熟悉的字眼。然而,它们之间是否有联系呢?对于这一问题的研究直到19世纪才有重大进展。

古人发现的“顿牟掇芥”的电现象和“磁石引针”的磁现象,引发了人们的思考:电和磁之间究竟有没有联系?曾当过御医的英国著名医生、物理学家吉尔伯特在他1600年出版的巨著《论磁》中断言,电和磁之间没有因果关系。

在1731年7月的一次惊雷闪电之后,英国威克菲尔德的一名商人偶然发现他的新刀、叉、钢针竟然有了磁性。意大利一家五金商店的钢刀也出现过类似现象。1751年,美国物理学家富兰克林偶然发现莱顿瓶(一种能贮电的装置)放电之后,附近的缝纫针被磁化了。一艘航行在大西洋上的商船在一次雷电之后,3个罗盘全部失灵……

“是电生的磁吗?”这些现象,促使德国巴伐利亚电学研究院于1774年特地以《电力和磁力是否存在实际的物理相似性?》为题,进行有奖征文。但是,一直没有人能给出满意的答案。而在此时,法国物理学家库仑等认为:“电就是电,磁就是磁,它们之间不可能有联系。”

当然,人们对这个问题是要追寻到底的。例如,在1805年,两位法国数学家、物理学家、化学家让·尼古拉斯和查尔斯,就用一根绝缘绳把伏打电池挂起来,观察它是不是也像磁针那样在地球磁场中改变方向,但显然不能得到正确的结果。

丹麦物理学家、化学家奥斯特受19世纪的一种科学思潮的影响,信奉德国哲学家、作家康德的哲学,认为自然界的各种力可以相互转化,也可以统一。例如,他认为:“我们的物理学将不再是运动、热、空气、光、电、磁和我们所知的任何现象的零散汇总。
更多精彩尽在这里,详情点击:http://jnftylqx.com/,桑普多利亚队我们将整个宇宙容纳在一个体系之中。”所以,他也加入了实验探索的队伍。

然而,奥斯特在导线前面放上磁针并给导线通电之后,磁针却木然不动——即使导线被强大的电流烧到红热甚至发光。

1812年,奥斯特在发表的论文《关于化学定律的见解》中疑惑地写道:“究竟电是不是以其最隐蔽的方式对磁体有作用……”于是,找到“类似的作用”,就成了他的实验内容。

1820年4月21日晚,奥斯特同往常一样,在哥本哈根给一些颇有教养的人讲“伽伐尼电”。在助手的帮助下,用伏打电池给白金通电做电学演示实验。快下课了,他无意识地扳动电源开关的时候,偶然发现一枚放在细长铂丝导线附近的小磁针轻微地晃动了一下,然后停在与导线垂直的方向上。此时,他既惊又喜——这不正是他多年企盼的电流能产生磁场的效应吗?他竟激动得在讲台上摔了一跤,又连续试验了几次——包括把小磁针移得稍近或稍远一些,都出现了类似的现象。

第二天,奥斯特和助手用20个伏打电池给导线通电,产生了更强的电流,对包括能在平面上自由旋转的磁针、悬挂的能在空间自由旋转的磁针,都进行了类似的实验研究。结果表明,电流的确能产生磁场——连被玻璃、木材、水、树脂和石头等隔离,也不能阻挡这个磁场吸引小磁针。这就是著名的“电流的磁效应”,简称“电生磁”。后来,人们把它称为“电磁学第一定律”。

奥斯特发现“电生磁”之后,有一个遗憾,就是没能以它来发明用电来驱动的、能连续转动的装置——电动机。

1821年9月3日,英国物理学家、化学家法拉第在重复奥斯特“电生磁”实验的时候,制造出了人类史上第一台最原始的电动机的雏形——一种在水银杯中固定的磁铁(或固定的导线)围绕固定的通电导线(或固定的磁铁)连续旋转的装置。

接下来就是电动机的诞生、完善和发展。1828年,物理学家阿尼斯·杰德里克展示了他发明的世界上第一台实用的电动机。这台包含了3个主要组成部分(定子、转子和换向器)的自激式电磁转子旋转直流电动机,采用水银槽换向器、用永久磁铁产生的固定磁场和旋转绕组。这台仅用于教学的电动机,后来存放在布达佩斯应用艺术博物馆,现在仍能运转。匈牙利和斯洛伐克把他誉为电动机和发电机的“幕后之父”。

奥斯特发现“电生磁”之后,许多物理学家都在逆向思考:既然电能生磁,那么能不能“磁生电”呢?法拉第就是其中之一。

法拉第的研究始于1822年,潜心设计过许多种类的“磁生电”装置。其中有一个是这样的:“在大的木制线米)铜线的第一个线圈;在它的匝间,绕着同样长度但用棉纱绝缘的第二个线圈。第一个线圈接电池,第二个线圈接电流表。”他试图由第一个线圈通电后产生的磁场来使第二个线圈产生电流——由电流表的指针偏转看出来。但是,无论他实验多少次,也没有看到期望的电流产生。

1831年8月29日,法拉第将电池加到100个。他在第一个线圈接通电池的一刹那间,偶然看到电流表指针动了一下,接着就回到了原位。但电源接通以后,电流表指针一直不偏转。这时,他才恍然大悟。原来,以前实验时都是接通电池后再去看电流表,此时第一个线圈电路的电流已处于稳定状态,因而第二个线圈内的磁场不再发生变化,因而没有电流产生。而这次实验是接通电池的同时看电流表,这接通的一刹那,第一个线圈电路里的电流处于从无到有的变化,因而它产生的磁场也从无到有,进而引起第二个线圈内磁场发生从无到有的变化,最终产生“感生电流”——一种“电磁感应(现象)”,即“磁生电”。

法拉第在1831年10月17日制成了磁生电的装置—圆筒形线圈和磁棒组成的原始发电机。这个发电机,至今还作为皇家学会的珍贵科学遗物向公众展出。1832年,法国的仪器制造商希波特·皮克西根据法拉第发现的电磁感应原理,研制成功了一种安装了两个线圈的交流发电机,它是所有发电机的始祖。返回搜狐,查看更多

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