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法拉第發電機發明過程
1820年奧斯特成功地完成了通電導線能使磁針偏轉的實驗后，不少科學家進行了進一步研究，既然電能產生磁，那么磁能不能產生電呢？科學家安培就是這些研究者中的一個，他實驗的方法很多，但犯了根本性錯誤，實驗沒有成功。
另一位科學家科拉頓在1825年做了這樣一個實驗：把一塊磁鐵插入繞成圓筒狀的線圈中。他想，這樣或許能得到電流。為了防止磁鐵對檢測電流的電流表產生影響，他用了很長的導線把電流表接到隔壁的房間里。他沒有助手，只好把磁鐵插到線圈中以后，再跑到隔壁房間里看電流表指針是否偏轉。他的裝置是正確的，實驗的方法也是對的，但是他犯了一個實在令人遺憾的錯誤，這就是電流表指針的偏轉只發生在磁鐵插入或撥出線圈這一瞬間，一旦磁鐵插進線圈不再運動，電流表指針就會回到原來的位置。所以等他插好磁鐵再趕緊跑到隔壁房間里去看電流表時，無論怎樣快也看不到電流表指針偏轉的現象。要是他有個助手，要是他把電流表放在同一個房間里，他就是個發現磁生電的人了。
拉第的電磁旋轉裝置示意圖
在同一時期英國物理學家法拉第自1821年就開始了磁生電的研究。他用磁鐵與銅線圈做實驗，經過了無數次失敗，但他沒有氣餒。1831年10月17日，法拉第拿起磁鐵慢慢地把它的一端靠近線圈，身邊的電流表未見擺動。他靈機一動，把磁鐵很快地插入線圈里，突然指針奇跡般地擺動了一下，又回到零刻度線。他以為自己看花了眼，又急忙把磁鐵從線圈中拔出來，想再試一次，不料，這一拔，奇跡又重新出現了，不過這一次指針是向相反方向擺動的，他成功了。[3] 法拉第發電機工作原理
拉第圓盤發電機原理圖
1831年，法拉第發現了變化磁場能夠在封閉電路中產生電動勢，就是的電磁感應現象，即閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流，產生的電流稱為感應電流，產生的電動勢（電壓）稱為感應電動勢。他當時總結出五種情況下，即變化的電流、變化的磁 場、運動的恒定電流、運動的磁鐵、在磁場中運動 的導體，會在導體中產生感應電流。法拉第用一個可轉動的金屬圓盤置于磁鐵的磁場中，并用電流表測量圓盤邊沿(A)和軸心(O) 之間的電流，如《拉第圓盤發電機原理圖》所示。實驗表明，當圓盤旋轉時，電流表發生了偏轉，證實回路中出現了電流，也就是說實現了機械能轉變為電能，這是歷臺發電機。[2] 法拉第發電機的工作原理
當銅盤的邊緣和軸分別接電刷作為輸出端時，銅盤可視為許多同樣的金屬輻條并聯組成，輻條的長度就是圓盤的半徑 R ，當銅盤以角速度ω在磁感應強度為B的勻強磁場中轉動時，每一根金屬輻條均因切割磁感線而產生感應電動勢該電動勢的 大小為當圓盤在轉動過程中，每一條沿半徑方向的導體都會切割磁感線，所以都相當于電源，由右手定則可知都是圓盤邊緣的點電勢高，圓心的點電勢低。由法拉第電磁感應定律可解得每個電源的電動勢，這一個個的電源是并聯關系，對外輸出的電動勢也是。
法拉第發電機制作方法
法拉第發電機制作材料
黃銅板、有機玻璃板、木板、試管膠塞、導線、各種規格的螺絲若干、角鋁、銅管、轉動皮帶輪軸
法拉第發電機制作過程
轉盤：取材用厚0.6 mm銅板，裁剪出直徑21 cm的銅圓盤；另用厚3 mm的有機玻璃板，裁剪出直徑18.5 cm的圓盤．用膠將有機玻璃圓盤粘合在銅盤的中心對齊，留出邊緣的1.5 cm的銅圓環，中心鉆一個0.5 cm孔讓0.5 cm的螺絲穿過，用螺母把轉盤與螺絲固定好。
電刷：用粗導線的銅絲做電刷，先做兩個能固定導線位置并能調節伸出長度的固定套管，4x2cm的銅板，中間用大功率的電鉻鐵焊接上一個4cm長的銅管，銅管上鉆兩個孔，并鉸上螺紋讓螺絲能旋進，導線從銅管穿進，穿出導線的一端剝出3 cm長的銅絲團成個銅絲餅，調好伸出長度后，可用這兩個螺絲固定．兩個固定套管各用4個螺絲釘固定在一個21 X4 cm長木板上，相距10.5cm，做成兩個電刷。
磁場：鋸出一塊9 X 6 X 1.3 cm的木板，中間鉆出直徑4cm的圓孔，套入直徑4 cm高6.7 cm的塑料管，把u形磁鐵的底部扣在管上，保證它的穩定．
整體組裝：底板40 x24 cm的木板，用試管膠塞做四個腳；先裝皮帶輪軸，將轉盤裝到轉軸上；電刷的木板用角鋁固定在底板，調節導線的銅絲餅一個在銅盤的邊緣夾緊上、下面和邊緣，另一個電刷頂在轉軸的中心；U形磁鐵的底部扣在管上，管的高度取于把銅盤盡可多地套入U形磁鐵的U形磁場內，組裝完畢。[4]
法拉第發電機發展歷程
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最初的發電機。最初的發電機設備比較笨重，它的原動力是人力，難以靠提高轉速來獲得大功率的電流。1833年至1835年間，薩史斯頓和克拉克等人相繼發明了旋轉線圈電樞、靜止磁鐵結構等新裝置，這些新裝置的引入，使發電機的運轉設備大大減輕，從而提高了發電機的轉速。
1867年，德國發明家西門子對發電機進行了重大改進，制成了電磁鐵式發電機。電磁鐵式發電機是用電磁鐵代替磁鐵，使磁力增強，能產生皮克希的發電機所遠不能相比的強大電流。
在西門子進行發電機改進期間，意大利物理學家帕其努悌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。
1869年，比利時學者古拉姆在法國巴黎研究電學時，采納了西門子的電磁鐵式發電機原理，利用了帕其努悌的環狀發電機電樞，制成了性能優良的發電機。古拉姆發電機的性能好，所以銷路很，一，他不僅發了一筆財，而且被人們譽為“發電機之父”。
隨著社會的發展，出現了多種類型的發電機，如直流發電機、交流發電機、柴油發電機、汽油發電機、同步發電機、異步發電機、汽輪發電機、水輪發電機、風能發電機、新型水冷式交流發電機等。盡管發電機的形式很多，但其工作原理都基于電磁感應原理。發電機是把其他形式的能轉化成電能的機械設備，在科學技術不斷發展中，發電機在工農業生產、國防及日常生活中有廣泛的用途。[5]
法拉第發電機前景展望
我國仍以燃煤為主進行火力發電，不但要消耗大量的能源，還造成很大的環境污染。要落實能源的可持續發展和環境保護戰略，就要研發*的發電設備，研制出新型的發電機。據載，中國國家納米科學中心海外主任王中林等成功地在納米尺度范圍內將機械能轉化成電能，研制出了小的發電機——納米發電機，它可以有效地將機械運動能(如人體的運動、肌肉的伸縮、血壓的變化等)、振動能(如聲波或超聲波等)以及水壓能(如人體內體液或血液的流動。血管的收縮與舒張甚至是自然界其他任何液體的流動)轉化成電能提供給納米器件。我們期待納米發電機未來能在生物醫學、國防和人民生活中有廣泛的應用。[5]
參考資料
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