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我們每天都離不開(kāi)電，也知道家用電是從發(fā)電廠發(fā)出來(lái)的。但是發(fā)電廠是如何發(fā)電的呢？是誰(shuí)第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)原理呢？要了解這些，我們首先要從一個(gè)人物——法拉第——說(shuō)起。

一.電磁感應(yīng)現(xiàn)象

丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)之后，英國(guó)物理學(xué)家法拉第就想到：既然電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，那么反過(guò)來(lái)，磁場(chǎng)是否能夠產(chǎn)生電流呢？因?yàn)樵诜ɡ诘臅r(shí)代，人們用電都是使用鋅、銅和鹽水制作的伏打電池，這種電池制作麻煩，電壓小，發(fā)出的電不適于普通人使用。但是自然界的磁鐵資源非常豐富，如果使用磁鐵發(fā)電，那么電就能進(jìn)入千家萬(wàn)戶了。

法拉第為了這個(gè)理想進(jìn)行了艱苦的實(shí)驗(yàn)，他最初的想法是將一塊磁鐵放在螺線管中，期待著電路中產(chǎn)生電流，但是一直沒(méi)有獲得成功。終于，在1831年，法拉第的實(shí)驗(yàn)獲得了突破，他發(fā)現(xiàn)：只有在磁鐵插入或者拔出螺線管的過(guò)程中，電路中才會(huì)產(chǎn)生電流。

我們用現(xiàn)代的方法可以把法拉第的實(shí)驗(yàn)等效成上面的情況：用一個(gè)螺線管連接電流表，將一根磁鐵插入螺線管的過(guò)程中，電流表就會(huì)產(chǎn)生示數(shù)。而且，插入的速度越快，電流表指針的偏轉(zhuǎn)就越大。同樣，在磁鐵拔出螺線管的過(guò)程中，電流表指針也會(huì)偏轉(zhuǎn)，只是方向相反。但是，如果磁鐵在螺線管中保持靜止不動(dòng)，電路中就沒(méi)有電流產(chǎn)生了。

法拉第終于明白：只有在運(yùn)動(dòng)和變化的過(guò)程中，磁鐵才能夠產(chǎn)生電流。法拉第將他的發(fā)現(xiàn)總結(jié)成五種情況，其中應(yīng)用在現(xiàn)代發(fā)電機(jī)的情況是：在磁場(chǎng)中切割磁感線的導(dǎo)體可以產(chǎn)生電流。

比如：我們將一根導(dǎo)線與電流表相連，并且使得導(dǎo)線向右運(yùn)動(dòng)，這樣導(dǎo)線就好像刀一樣切斷了磁感線，電路中就會(huì)出現(xiàn)電流。而且我們可以使用右手定則判斷電流的方向：如果磁感線穿過(guò)右手的手心，大拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)的方向，那么右手四指的方向就是產(chǎn)生的電流方向。

按照這個(gè)原理，法拉第制作了早期的發(fā)電機(jī)，而英國(guó)財(cái)政大臣對(duì)發(fā)電機(jī)的用途表示懷疑。他問(wèn)法拉第：你的發(fā)明很有趣，但是它有什么用呢？

法拉第說(shuō)：閣下，也許你很快就能對(duì)它收稅了。

果然，現(xiàn)在電已經(jīng)成了我們生活必不可少的一部分，誰(shuí)家用電不交錢(qián)呢？

二.直流電和交流電

早期的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的都是直流電。所謂直流電，就是電流方向不發(fā)生變化的電流?，F(xiàn)在我們的家用電都是交流電，所謂交流電，就是方向周期性變化的電流。

具體來(lái)說(shuō)，兩孔插座中有一根線稱為“零線”，零線電壓與大地相同，所以觸摸零線不會(huì)觸電。另一根線稱為“火線”，火線電壓一會(huì)兒比大地高，一會(huì)兒比大地低。由于電流從高電壓流向低電壓，所以電流有時(shí)候從火線流過(guò)用電器，再流回零線，有時(shí)候從零線流過(guò)用電器再流回火線，每個(gè)周期是1/50s，稱為50Hz的交流電。交流電與直流電相比最大的優(yōu)點(diǎn)就是改變電壓十分方便，從而可以進(jìn)行高壓傳輸以減小損耗。

那么，這種交流電又是如何產(chǎn)生的呢？

交流電可以通過(guò)一個(gè)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生。比如圖中這種情況：在線圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)導(dǎo)線向上運(yùn)動(dòng)，根據(jù)右手定則，產(chǎn)生的交流電從c流向d；左側(cè)導(dǎo)線向下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的交流電從a流向b，所以整個(gè)電路中的電流流向是c-d-a-b方向。在線圈外端通過(guò)兩個(gè)電刷與外部電路相連，于是電流就可以通過(guò)電刷從上向下流過(guò)燈泡。

半個(gè)周期之后，線圈旋轉(zhuǎn)半周，ab與cd交換位置，電流方向就會(huì)變?yōu)閎-a-d-c，這樣一來(lái)，電流就會(huì)從下向上流過(guò)燈泡。于是就形成了交流電。如果線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，就形成了正弦交流電。

也就是說(shuō)，只要能讓線圈與磁鐵發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以產(chǎn)生電流。在現(xiàn)代發(fā)電機(jī)中，旋轉(zhuǎn)的其實(shí)不是線圈，而是磁鐵，稱為“轉(zhuǎn)子”。而線圈是不動(dòng)的，稱為“定子”。同時(shí)，出于工程商的需要，發(fā)電機(jī)線圈有三組，任意兩組線圈都夾60度角。

這樣一來(lái)，當(dāng)磁鐵在線圈中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，三組線圈中分別產(chǎn)生三個(gè)正弦交流電，而且每一個(gè)都比前一個(gè)滯后1/3周期。

這三個(gè)交流電會(huì)具有共同的零線（中性線）和不同的火線（輸出線）。在供電時(shí)，如果我們把一根火線和零線接入用電器，就是家用電220V，如果我們把兩根火線接入用電器，就變成了工業(yè)用電380V。

那么，我們?nèi)绾尾拍苁沟镁€圈或磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)呢？這就取決于發(fā)電機(jī)的種類。水力發(fā)電機(jī)是靠水的沖擊使得渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)是靠扇葉使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，火力發(fā)電機(jī)是靠燃燒加熱水蒸氣推動(dòng)渦輪機(jī)。這個(gè)過(guò)程需要消耗外界的能量?？傊l(fā)電機(jī)就是把其他形式能量轉(zhuǎn)化成電能的機(jī)器。

發(fā)電機(jī)被發(fā)明之后，各種用電器如雨后春筍般出現(xiàn)，人類由此進(jìn)入了電氣時(shí)代。

三.沒(méi)上過(guò)學(xué)的科學(xué)巨匠

我們還要再談?wù)劮ɡ凇@個(gè)將人類帶入電器時(shí)代的人。法拉第生于一個(gè)鐵匠家庭，由于家庭貧困，他只上了兩年小學(xué)就輟學(xué)了，成為了一名訂書(shū)匠的學(xué)徒。不過(guò)，這份工作讓他接觸到了大量的圖書(shū)，接觸了普通人無(wú)法接觸到的各種文獻(xiàn)，他被科學(xué)深深地迷住了。

在書(shū)店里一位老主顧的幫助下，20歲的法拉第有幸聆聽(tīng)了化學(xué)家戴維的演講。他還把整理好的演講記錄寫(xiě)信郵寄給戴維，并表示了自己愿意為科學(xué)獻(xiàn)身的想法。

戴維看過(guò)法拉第的簡(jiǎn)歷之后對(duì)他說(shuō)：“年輕人我要告訴你，科學(xué)是很辛苦的，而且沒(méi)有多少回報(bào)。”

法拉第回答道：“我認(rèn)為科學(xué)本身就是一種回報(bào)。”

戴維被感動(dòng)了，法拉第終于成為了戴維實(shí)驗(yàn)室的一名助手，他的科學(xué)夢(mèng)想從戴維實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始成為了現(xiàn)實(shí)。后來(lái)，法拉第在物理、化學(xué)方面都取得了驚人的成就，成為了那個(gè)時(shí)代最偉大的科學(xué)家。

法拉第還是一位品德高尚的人。由于自己早年的經(jīng)歷，他非常重視對(duì)年輕學(xué)者的培養(yǎng)，并且鼓勵(lì)了一批如麥克斯韋一樣的科學(xué)巨匠。他拒絕了對(duì)自己的封爵，還兩次拒絕成為皇家科學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，并表示不愿安葬在西敏寺——牛頓等人的長(zhǎng)眠地。于是，人們，將他安葬在其他墓園，卻在西敏寺牛頓的墓碑旁樹(shù)立了他的紀(jì)念碑。

順便一說(shuō)，他的入門(mén)恩師戴維也是一位著名化學(xué)家，人們認(rèn)為戴維最大的貢獻(xiàn)就是發(fā)現(xiàn)了法拉第……

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