法拉第的电磁感应现象与产生交流电方法

“电学之父”——法拉第

1791年9月22日是一个光辉的日子，一代科学巨匠迈克尔·法拉第降生在英国萨里郡纽因顿一个贫苦的铁匠家庭。他的父亲是个铁匠，体弱多病，收入微薄，仅能勉强维持生活的温饱。但是父亲非常注意对孩子们的教育，要他们勤劳朴实，不要贪图金钱地位，要做一个正直的人。这对法拉第的思想和性格产生了很大的影响。

由于贫困，法拉第家里无法供他上学，因而法拉第幼年时没有受过正规教育，只读了两年小学。1803年，为生计所迫，他上街头当了报童。第二年又到一个书商兼订书匠的家里当学徒。订书店里书籍堆积如山，法拉第带着强烈的求知欲望，如饥似渴地阅读各类书籍，汲取了许多自然科学方面的知识，尤其是《大英百科全书》中关于电学的文章，强烈地吸引着他。他努力地将书本知识付诸实践，利用废旧物品制作静电起电机，进行简单的化学和物理实验。他还与青年朋友们建立了一个学习小组，常常在一起讨论问题，交换思想。重视实践尤其是科学实验的特点，在法拉第一生的科学活动中贯彻始终。

法拉第不放过任何一个学习的机会，在哥哥的资助下，他有幸参加了学者塔特姆领导的青年科学组织——伦敦城哲学会。通过一些活动，他初步掌握了物理、化学、天文、地质、气象等方面的基础知识，为以后的研究工作打下了良好基础。法拉第的好学精神感动了一位书店的老主顾，在他的帮助下，法拉第有幸聆听了著名化学家汉弗莱·戴维的演讲。他把演讲内容全部记录下来并整理清楚，回去和朋友们认真讨论研究。他还把整理好的演讲记录送给戴维，并且附信，表明自己愿意献身科学事业。结果他如愿以偿，20岁做上了戴维的实验助手。从此，法拉第开始了他的科学生涯。戴维虽然在科学上有许多了不起的贡献，但他说，我对科学最大的贡献是发现了法拉第。

法拉第勤奋好学，工作努力，很受戴维器重。1813年10月，他随戴维到欧洲大陆国家考察，他的公开身份是仆人，但他不计较地位，也毫不自卑，而把这次考察当做学习的好机会。他见到了许多著名的科学家，参加了各种学术交流活动，还学会了法语和意大利语。大大开阔了眼界，增长了见识。

1815年5月法拉第回到皇家研究所，并且在戴维指导下做独立的研究工作并取得了几项化学研究成果。1816年法拉第发表了第一篇科学论文。1818年他和J.斯托达特合作研究合金钢，首创了金相分析方法。1820年他用取代反应制得六氯乙烷和四氯乙烯。1821年任皇家学院实验室总监。

1821年法拉第完成了第一项重大的电发明。在这两年之前，奥斯特已发现如果电路中有电流通过，它附近的普通罗盘的磁针就会发生偏移。法拉第从中得到了启发，认为假如磁铁固定，线圈就可能会运动。根据这种设想，他成功地发明了一种简单的装置。在装置内，只要有电流通过线路，线路就会绕着一块磁铁不停地转动。事实上法拉第发明的是第一台电动机，是第一台使用电流将物体运动的装置。虽然装置简陋，但它却是现今世界上使用的所有电动机的祖先。

1831年法拉第发现当一块磁铁穿过一个闭合线路时，线路内就会有电流产生，这个现象叫电磁感应，产生的电流叫感应电流，法拉第的电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献。法拉第还发现如果有偏振光通过磁场，其偏振作用就会发生变化。这一发现具有特殊意义，首次表明了光与磁之间存在某种关系。

迈克尔·法拉第的发现奠定了电磁学的基础，是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的先导。法拉第首次发现电磁感应现象，并进而得到产生交流电的方法。法拉第发明了圆盘发电机，是人类创造出的第一个发电机。

1867年8月25日，法拉第因病医治无效逝世，享年76岁。

由于他在电磁学方面做出了伟大贡献，被称为“电学之父”和“交流电之父”。

表2.2.1　分层学习要求

法拉第的发现

1831年8月29日，法拉第（见图2.2.1）把两个线圈A和B绕在一个铁环上，线圈A接直流电源，线圈B接电流表，如图2.2.2所示。

法拉第发现，当线圈A的电路接通或断开的瞬间，线圈B中产生瞬时电流。法拉第还发现，铁环并不是必需的，拿走铁环再做这个实验，上述现象仍然发生，只是线圈B中的电流弱些。为了透彻研究这种现象，法拉第做了许多次实验。1831年11月24日，法拉第向皇家学会提交了一个报告，把这种现象定名为“电磁感应现象（Electromagnetic induction）”，并总结、归纳、发现了利用磁场产生电流的条件和规律。

图2.2.1　迈克尔·法拉第 （1791～1867）英国物理学家

图2.2.2　法拉第实验线圈

那么，到底什么情况下，磁场可以产生电流呢？我们从一根导线在磁场中运动的情况开始，寻找磁生电的规律。

实验探究：

探究导体在磁场中产生电流的条件

如图2.2.3所示，把导体AB的两端用导线分别连接在灵敏电流表的两个接线柱上，组成一个闭合电路。

图2.2.3　电磁感应现象探究装置

进行实验

1.使导线在磁场中静止，或向各个方向运动，进行各种尝试，观察电路中是否产生感应电流，并将实验情况记录在表2.2.2中。

表2.2.2　实验：探究导体在磁场中产生电流的条件

1.电流的磁效应和电磁感应现象有什么区别？分别是谁最先发现的呢？

2.如果用线圈替代直导体AB做实验，能否得到感应电流呢？

续表

2.尝试改变导线运动方向和磁场方向，观察电路中产生的电流方向如何变化并记录在表2.2.3中。

表2.2.3　实验：探究感应电流方向与磁场方向和导线运动方向的关系

分析实验中看到的现象，可以得出以下结论：闭合电路的一部分导体在磁场中切割磁感线时，导体中就会产生电流，这种由于导体在磁场中运动而产生电流的现象叫做电磁感应现象，产生的电流叫做感应电流，切割磁感线的那部分导体就相当于电源。

感应电流的方向与导体运动方向和磁场方向都有关系，可以用右手的手掌和手指方向来判断导线切割磁感线时产生的感应电流的方向，如图2.2.4所示，即：伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，并使拇指指向导线运动的方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向。这就是判定导线切割磁感线时感应电流方向的右手定则。

图2.2.4　右手定则

3.如果电流和磁场方向不垂直，感应电流方向又该如何判断呢？

发电机

电磁感应现象的发现说明，机械能转化成电能是可行的。1831年10月28日，法拉第在一次会议上展示了他发明的圆盘发电机，如图2.2.5（a）所示。它是利用电磁感应的原理制成的，是人类历史上的第一台发电机。

图2.2.5（b）是这个圆盘发电机的示意图。圆盘安装在水平的钢轴上，它的边缘正好在两磁极之间，两块铜片C、D分别与转动轴和铜盘的边缘接触。使铜盘转动，电阻R中就有电流通过。

4.法拉第发明的圆盘发电机是哪个部分在切割磁感线呢？

图2.2.5　法拉第的圆盘发电机

除了法拉第的圆盘发电机以外，我们还能怎样让线圈产生持续的电流呢？我们尝试制作一个发电机。

制作一个小小发电机

1.如图2.2.6所示，用漆包线，绕一个宽约1.5 cm，长约2 cm的矩形线圈，匝数10圈左右，两线头伸直，留出约1 cm。

5.圆盘如图示方向转动，如何判断通过电阻R的电流方向？

图2.2.6　小小发电机

2.用刀片将漆皮刮掉，做转动轴，再将其放置在用曲别针做的支架上，并在线圈下面放一块小磁铁。(www.xing528.com)

3.用纸做一个小风轮固定在转动轴上，将小发电机与灵敏电流计相连。

4.观察灵敏电流计，指针方向的变化。

你应该已经发现，随着线圈的转动，发电机产生的感应电流的大小和方向，也在周期性地变化，如图2.2.7，这样的电流叫做交变电流，简称交流电（AC）。在交变电流中电流周期性变化的次数与所用时间的比，叫做这一交变电流的频率，单位是赫兹（Hz），我国电网的交流电频率是50 Hz。

实际的发电机结构复杂，但它们都和上面制作的发电机一样，由定子（不动部分）和转子（转动部分）组成。所有发电机也都是依据电磁感应来发电的。

在电的应用和发展历程中，电流方向不变的直流电是最早被应用的。19世纪90年代，主张直流电的爱迪生和偏爱交流电的西屋之间发生了激烈的辩论，大家可以在本节内容后面的物理之光中详细了解。

直流发电机的构造与交流发电机类似，它多了一个换向器，如图2.2.8所示，使电流总是朝着一个方向流动，如图2.2.9所示。

图2.2.7　交流电

图2.2.8　换向器

图2.2.9　换向后电流

6.你知道常见家用电器的功率吗？你能估算出这些用电器工作时的电流吗？

7.你知道哪些地方使用交流电，哪些地方使用直流电吗？

发电机的能量转化

从能量转化的角度来分析，发电机都是把机械能转化成电能。这些机械能的来源可以是风、高处下落的水、蒸汽机等。如今，发电机的种类千差万别，从只能点亮LED灯泡的自行车发电机（见图2.2.10），到大大小小的各类发电厂的发电机组（见图2.2.11），已遍布世界各地，发电机的出现是人类历史上一次重大革命。

图2.2.10　天七校园内的自行车发电机

图2.2.11　发电厂的发电机组

8.你知道有哪些种类的发电站吗？

自我评价

1.发电机是利用________________现象制成的。发电机主要由__________和__________两部分组成。发电机工作时把__________能转化为__________能。

2.________________________的电流叫做交变电流。我国发电厂发出的交变电流的周期是______s，频率是_______Hz。

3.电磁感应现象的发现，经历了漫长的实验探究过程，这是因为电磁感应现象的产生必须符合一定的条件，这就是__________电路中的__________导体，在_______中做__________的运动时，导体中才会有电流产生，这种电流称为__________。感应电流的向不仅跟__________的方向有关，还跟________的方向有关，在上述两个因素中，如果其中之一的方向改变，则感应电流的方向将__________，如果两者的方向都改变，则感应电流的方向将__________。

直流电与交流电的相爱相杀

直流电和交流电的选择是从整个电力系统方面综合考虑的，而非仅仅考虑到发电机成本问题。交直之争即使放到现在，也不仅仅是以交流电的胜出而终止。就现在的电力系统而言，高压输电是交直并存、相辅相成的状况。甚至，随着电力电子技术的发展，直流输电也有可能会再次强势回归主导地位。总而言之，交直流的发展过程是：

直流（1882）——交直相争——交流胜出（1893）——直流回归，交直并存（1954至今）

一、直流王朝的开辟

第一个完整的电力系统（由发电机、电缆、熔丝、电表和负荷组成）是托马斯·爱迪生在纽约城皮埃尔大街站（Pearl Street station）建成并于1882年9月投入运行。这是一个直流电力系统，由一台蒸汽机拖动直流发电机给半径为1.5 km面积内的59个用户供电。负荷全部由白炽灯组成，通过110 V地下电缆输电，在此后几年内，类似的电力系统在世界上大多数城市投入运行，随着1884年福兰克·斯普莱克（Frank Sprague）对发电机的开发，电动机负荷也加入到这样的系统中。这是电力系统发展成为世界最大工业之一的开端。

二、交直相争，“交流”一战成名

尽管初期直流系统得到广泛应用，但后来它几乎完全被交流系统替代。

1886年，直流系统的局限性明显露出来，因为它只能在很短的距离内从发电机向外送电。为了将输电损耗和电压降落限制到可以接受的水平（例如低压直流输电采用110 V，那么到最末端的时的电压可能只有80 V了），长距离输电系统必须采用高电压。而这样高的电压是发电机和用户都不能接受的，因此必须采用适当的方法进行电压变换。

L.高拉德（L.Gaulard）和法国巴黎的J.D.吉布（J.D.Gibbs）开发了变压器和交流输电技术，由此产生了交流电力系统。乔治·西屋（George Westinghouse）获得了这些新设备在美国的应用权利。1886年，西屋的助手威廉·斯坦利（William Stanley）开发和实验了商业实用的变压器和在马萨诸塞州大白灵顿的由150个电灯组成的交流配电系统。1889年，北美洲第一个交流输电线在俄勒冈州威拉姆特州瀑布和波特兰之间建立并投入运行，这是一条单相的线路，输电电压4 000 V，输送距离21 km。

随着尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的多相系统的开发，交流系统变得越来越具有吸引力。1888年，特斯拉持有关于交流发电机、变压器和输电系统的若干专利。慧眼识珠的西屋购买了这些早期发明专利，这些发明奠定了当今交流电力系统的基础。在19世纪90年代，曾有过关于电力系统采用直流还是交流作为标准的相当大的争论。在主张直流的爱迪生和偏好交流的西屋之间发生了激烈的辩论（爱迪生还允许助手通过使用交流电电死大象、试验电椅等的试验来证明交流电的危害）。

在世纪之交，交流系统对直流系统取得了胜利，其主要原因是：

1.交流系统的电压水平更容易地转换，因此提供了使用不同电压的发电、输电和用电的灵活性。

2.交流电动机.交流发电机相对更简单、更便宜。

1893年，南加州一条12 km长的2 300 V电力线路投入使用。它是北美洲第一条三相电力线路。大约在同一时期尼亚加瀑布也选择了交流送电，因为采用直流不可能将电力送电送往30 km以外的布法罗。这一结果结束了交直之争并奠定了交流系统获胜的基础。

日益增长的向更远距离输送大量电力的需求是推动逐渐采用更高电压水平的动因。早期交流系统采用了12.44 kV和60 kV，1922年采用了165 kV，1923年提高为220 kV，1935年提高为287 kV，1953年提高为330 kV，1965年提高到500 kV。魁北克电力局的第一条735 kV线路于1966年送电，美国765 kV线路则于1969年投入运行。

三、“直流”回归，是百日王朝还是东山再起？

随着汞弧阀于20世纪50年代的发展，高压直流（HVDC）输电系统在某些情况下变得更经济。高压直流输电对于大容量远距离输电更有吸引力。与交流电相比直流输电方案变得更具有竞争力的输电距离交叉点对架空线路大约是800 km。第一个现代商用的高压直流输电于1954年在瑞典建成，它通过96 km的海底电缆将瑞典本土与哥特兰岛互联起来。随着晶闸管阀的发展，高压直流输电变得更具有吸引力。第一个采用晶闸管阀的高压直流系统是1972年在伊尔河的背靠背工程。它提供了魁北克和新不伦瑞克之间的非同步电网互联。伴随着交流设备价格的降低、尺寸的缩小和可靠性的提高，高压直流输电的应用正在逐步扩大。20世纪90年代以后，一种新型氧化物半导体器件——绝缘栅双极晶体管（IGBT）在工业驱动装置上得到广泛应用，并引入了直流输电领域。1997年，第一个采用IGBT阀组成的电压源换流器的直流输电工业性试验工程（3 MW、10 kV、10 km）在瑞典投运，更是为直流输电的发展带来了崭新的面貌，如图2.2.12所示。若从对系统的稳定性角度来看，随着电力电子技术的发展，电力电子设备的成本下降，那么直流输电的优越性会更大程度地提高，而直流输电回归霸主的地位就完全是有可能的。

图2.2.12　直流输电的基本原理

我国高压直流输电工程起步虽然比较晚，但是发展却非常迅速，步入世界先进行列。我国第一个HVDC工程是浙江舟山HVDC工程（为工业试验性工程），葛沪HVDC工程是我国第一个远距离大容量HVDC工程，三常HVDC工程是我国第一个输送容量最大（3 000 MW）的HVDC工程，灵宝（河南省灵宝县）背靠背HVDC工程是我国第一个背靠背HVDC工程。

三峡水利枢纽

三峡大坝，位于中国湖北省宜昌市三斗坪镇境内，距下游葛洲坝水利枢纽工程38千米，是当今世界最大的水力发电工程，如图2.2.13所示。三峡大坝发电工作原理是：水能转化成电能。利用水位落差和流量通过进水口12.4米直径的压力钢管流入涡壳，水流巨大的冲击力使水轮机以每分钟75转的速度转动，如图2.2.14所示，与水轮机在同一根主轴上的发电机也以同样的速度旋转，即可发出强大的电力。

图2.2.13　三峡大坝

图2.2.14　三峡大坝泄洪

三峡水电站大坝高181米，正常蓄水位175米，大坝长2 335米，安装32台单机容量为70万千瓦的水电机组，如图2.2.15所示。2012年7月4日，三峡电站最后一台水电机组投产，装机容量达到2 240万千瓦，标志着三峡水电站成为全世界最大的水力发电站和清洁能源生产基地。

图2.2.15　三峡水利枢纽工程示意图