一、前言
??電是從哪來的？絕大部分我們所使用的電來自于發(fā)電廠中的發(fā)電機。那么發(fā)電機又是如何產(chǎn)生電的呢？ 是一些靠近線圈的旋轉(zhuǎn)的電磁鐵產(chǎn)生的。那么，其中的原理是什么呢？最初人們是如何發(fā)明發(fā)電機的呢？ 下面讓我們聽聽 Kathy老師的講法吧。
二、第一臺發(fā)電機
??所有一切起源于1832年，那一年法拉第發(fā)表了一篇論文，給出了多種利用磁鐵來產(chǎn)生感應電流的方法。當一個磁鐵進入或者遠離一個線圈時，會產(chǎn)生一個電流脈沖。一個在磁鐵旁旋轉(zhuǎn)的銅盤會產(chǎn)生持續(xù)，但弱得多的電流。
▲ 圖1.1.1 法拉第感應電流方法
??一位法國儀器制作者，名字為希波呂忒·皮克西讀到了法拉第的論文，并進一步結(jié)合相關(guān)特性，將其組合成單個發(fā)電機。他將一個U型磁鐵靠近線圈旋轉(zhuǎn)。選準磁鐵后有趣的事情發(fā)生了，電流開始流向一個方向，然后又反方向流動。磁鐵旋轉(zhuǎn)越快，輸出電流越強，但來回切換方向的頻率越大。皮克斯由此產(chǎn)生了交流電。
▲ 圖1.1.2 皮克西的發(fā)電機
??那個時候交流電沒有什么用途，他找到當時法國頂尖電器專家，安德烈·安培，求助。安培給出了一個建議，使用一個有趣的裝置可以解決這個問題，這個裝置被稱為換流器。換流器包括有電刷，與線圈相連，只是有的時候連接 一個方向，另外時候連接反方向。通過這種方式可以將直流電轉(zhuǎn)換成單向直流脈沖電。即使利用了換流器，這種發(fā)電機對于電報系統(tǒng)來說還是無法使用，電壓波動太厲害了。這位皮克西老兄很可憐，在兩年后的一次車禍中不幸去世，特也沒有因為這個發(fā)明賺到一分錢。
三、大功率發(fā)電機
??之后的16年終沒有什么重要的事情發(fā)生。之后一名來自于布魯塞爾的教授，弗勞利斯·諾萊發(fā)明了一個帶有更多線圈的發(fā)電機，整個發(fā)電機看起來像一個怪獸，上面有40個磁鐵，16個線圈，他稱其為同盟線圈。它可以產(chǎn)生50V的電壓。
▲ 圖1.1.3 弗勞利斯·諾萊的發(fā)電機
??那個時候唯一能夠點亮的電燈是電弧燈，可以在兩個碳棒之間產(chǎn)生非常明亮的光芒。同盟發(fā)電機也可以點亮電弧燈，但這個發(fā)電機還不實用，因為其中的換流器會產(chǎn)生火花、由于旋轉(zhuǎn)的電刷磨損而斷裂。
??七年之后，正在垂頭喪氣的他們偶然間沒有使用換流器來測試，他們驚訝的發(fā)現(xiàn)交流電也可以點亮電弧燈。這是人類第一次利用交流電來工作，而不是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電再來應用。這是第一次利用交流電來產(chǎn)生燈光。
▲ 圖1.3.2
四、電磁鐵發(fā)電機
??這個時期關(guān)于發(fā)電機最重要的發(fā)明是與電磁鐵有關(guān)系。在1931年美國科學家約瑟夫·亨利展示了使用簡單的電池可以產(chǎn)生強大的磁鐵，只要使用漆包線繞制成密集的線圈套在鐵棒上，只需要很少的電流即可產(chǎn)生強的磁場。到了1850年左右，兩個人聲稱他們各自獨立發(fā)明了利用電磁鐵來制作發(fā)電機。
▲ 圖1.4.1
??塞繆爾·瓦力，35歲，是一名英國電報發(fā)報員， 麥克·法拉第的信徒。他從17歲就覺得好玩制作自己的發(fā)電機.在1856年，他利用電磁鐵制作了發(fā)電機，10年后他申請了專利。也許瓦力是第一個人，但由于他與外界沒有多少聯(lián)系所以被人們忽略，他的哥哥 科隆威爾·瓦力社交圈子廣泛，他的名聲掩蓋了塞繆爾的成就。
▲ 圖1.4.2
??另外一個發(fā)明人王爾德具有很寬的人脈，他的兄弟姐妹沒有能夠超過他的。在1864年他發(fā)表了一篇論文描述了如何使用電磁鐵來制作發(fā)電機。那么，他是怎么想到這個點子的呢？
??他說，既然電磁鐵可以由小的電流產(chǎn)生很強的磁場。發(fā)電機使用旋轉(zhuǎn)的磁鐵可以產(chǎn)生大的電流。所以基本上可以利用這些效應來制作發(fā)電機。他的最初想法是利用一個帶有永磁鐵的發(fā)電機生成的電流推動一個大的電磁鐵，然后可以產(chǎn)生更大的電流。王爾德發(fā)現(xiàn)他的結(jié)果非常好。他滿懷喜悅描述他的發(fā)電機可以產(chǎn)生巨量的電流，從而實現(xiàn)更亮的燈光，甚至將金屬棒融化了。
▲ 圖1.4.3
五、自激勵磁
??你知道無法無中生有獲得電能，產(chǎn)生更多的電能意味著推動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)更加困難，王爾德的論文非常成功。并激發(fā)了另外個科學家去設計一個可以利用發(fā)電機自己產(chǎn)生的電流來驅(qū)動電磁鐵的方案。這個思路是將發(fā)電機自己產(chǎn)生的電流一部分重新接入電磁鐵線圈，從而產(chǎn)生磁場。這個模式被稱為自激勵磁。
??問題來了，如果僅僅將線圈在另外一個線圈附近旋轉(zhuǎn)，開始的時候無法產(chǎn)生電流。需要一些磁鐵來啟動這個自激過程。兩個人的方案中給出了啟動方案。要么使用來自電池的電流啟動發(fā)電機，或者利用小磁鐵來摩擦電磁鐵，甚至可以使用地球磁場。
▲ 圖1.5.1 西門子與查爾斯·惠斯通
??因此自激勵磁過程如下。電磁鐵先產(chǎn)生一個小的磁場，然后發(fā)電線圈在弱磁場中旋轉(zhuǎn)感應出電流，一部分電流又重新流到勵磁線圈中，增加了勵磁磁場強度，由此又增加了發(fā)電線圈感應電流，從而增加了勵磁電流。這種反饋過程最終使得發(fā)電及產(chǎn)生強大的電流。
▲ 圖1.1.4
六、實用的發(fā)電機
??自激勵磁以及電磁鐵是建造強大的發(fā)電機從而點亮整個城市的關(guān)鍵技術(shù)。在1866年發(fā)現(xiàn)自激勵磁技術(shù)的德國科學家維爾納·馮·西門子，他在20年前創(chuàng)建了西門子·哈爾斯克公司，在德國產(chǎn)生長距離電報電線。西門子是第一個生產(chǎn)自激勵磁發(fā)電機，Dynamos。這個詞來自于希臘語，dunamis，表示動力。這個單詞在之后的50年終被用于直流發(fā)電機的名稱。
▲ 圖1.1.5
??塞繆爾·瓦力，他的名氣掩蓋了他的弟弟科隆威爾·瓦力，在1850年發(fā)明了自激勵磁發(fā)電機。在申請專利方面早于西門子以及其他科學家，這是惠斯頓記錄下來的。但他的工作在當時的科學界被幾乎忽略。
??發(fā)明了直流發(fā)電機，各種發(fā)電廠猶如雨后春筍發(fā)放涌現(xiàn)，發(fā)出的電點亮了城市，也用于家庭照明。大部分都使用換流器來產(chǎn)生脈動直流電，而不是交流電。為什么呢？很多人都誤以為交流電比直流電更加危險，但實際上不是這個原因。因為發(fā)電機的自激勵磁電流只能使用直流電，若不能夠使用交流電。如果希望發(fā)出交流電，也需要另外使用一個勵磁直流發(fā)電機才行。所以西門子也說，沒有什么是純粹的交流電，那只是一個謊話。
▲ 圖1.1.6
七、交流電應用
??在19世紀晚期，只有為數(shù)不多有遠見卓識的人才想使用交流電。其中一個有遠見者就是尼古拉·特斯拉。在1887年特斯拉發(fā)明了被稱為多相交流發(fā)電機設備。同時也發(fā)明了多相交流電動機。在這個系統(tǒng)中，存在多個相互獨立的線圈，圍繞在點磁鐵外邊。這些線圈會產(chǎn)生相同的交流電，只是各自相位不同。
▲ 圖1.7.1
??多相發(fā)電機可以使用更多的電線傳輸更強的電力。比如三相發(fā)電機使用三根線傳輸電能，而不是像普通的直流電機使用兩根電線。但傳輸?shù)碾娔軇t是直流電機的三倍。
??另外三相電可以驅(qū)動更強的電機，因為不同相位的電流在可以在不同相位驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子。所以現(xiàn)在發(fā)電場都是用三相發(fā)電機產(chǎn)生電能。
▲ 圖1.1.7
??后來發(fā)明了二極管，是一個電子單向開關(guān)，我們可以從交流電產(chǎn)生自激勵磁發(fā)電機，這被應用到現(xiàn)代發(fā)電機當中。這就是電場發(fā)電機的原理。
八、發(fā)電廠
??在煤炭發(fā)電場中，通過燃燒煤炭產(chǎn)生水蒸氣驅(qū)動電磁鐵旋轉(zhuǎn)。外邊的線圈產(chǎn)生電能。核電廠則使用原子反應產(chǎn)生熱量加熱水蒸氣推動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)。水電站則利用攔河壩產(chǎn)生的水壓推動發(fā)電機中的電磁鐵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。風電機則利用風能旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子發(fā)電。它們的工作方式幾乎相同。這是電能生產(chǎn)的主要方式。
▲ 圖1.8.1
參考資料
[1]
閃電的馴服者：電學的歷史: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/128426612?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%22128426612%22%2C%22source%22%3A%22zhuoqingjoking97298%22%7D
[2]
Where Electricity Comes From: History of the Generator & How the Generator Works: https://www.youtube.com/watch?v=zzL_9aGBQ2I&list=PLepnjl2hm9tF-CxhyRFZi3Pujkq_V4pKP&index=26
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