电是怎么生产出来的

一、前言

  电是从哪来的？绝大部分我们所使用的电来自于发电厂中的发电机。那么发电机又是如何产生电的呢？ 是一些靠近线圈旋转的电磁铁产生的。那么，其中的原理是什么呢？最初人们是如何发明发电机的呢？ 下面让我们听听 Kathy老师的讲法吧。

二、第一台发电机

  所有一切起源于1832年，那一年法拉第发表了一篇论文，给出了多种利用磁铁来产生感应电流的方法。当一个磁铁进入或者远离一个线圈时，会产生电流脉冲。一个在磁铁旁旋转的铜盘会产生持续，但弱得多的电流。

▲ 图1.1.1 法拉第感应电流方法

  一位法国仪器制作者，名字为希波吕忒·皮克西读到了法拉第的论文，并进一步结合相关特性，将其组合成单个发电机。他将一个U型磁铁靠近线圈旋转。旋转磁铁之后有趣的事情发生了，电流开始流向一个方向，然后又反方向流动。磁铁旋转越快，输出电流越强，但来回切换方向的频率越大。皮克斯由此产生了交流电。

▲ 图1.1.2 皮克西的发电机

  那个时候交人们认为流电没有什么用途。他找到当时法国顶尖电气专家，安德烈·安培求助。安培给出了一个建议，使用一个有趣的装置可以解决这个问题，这个装置被称为换流器。换流器包括有电刷，与线圈相连，只是有的时候连接 一个方向，另外时候连接反方向。通过这种方式可以将直流电转换成单向脉动直流电。即使利用了换流器，这种发电机对于电报系统来说还是无法使用，电压波动太厉害了。这位皮克西老兄很可怜，在两年后的一次车祸中不幸去世，他也没有因为这个发明赚到一分钱。

三、大功率发电机

  之后的16年终没有什么重要的事情发生。一名来自于布鲁塞尔的教授，弗劳利斯·诺莱发明了一个带有更多线圈的发电机，整个发电机看起来像一个怪兽，上面有40个磁铁，16个线圈，他称其为同盟线圈。它可以产生50V的电压。

▲ 图1.1.3 弗劳利斯·诺莱的发电机

  那个时候唯一能够点亮的电灯是电弧灯，可以在两个碳棒之间产生非常明亮的光芒。同盟发电机也可以点亮电弧灯，但这个发电机还不实用，因为其中的换流器会产生火花、因旋转的电刷磨损而断裂。

  七年之后，正在垂头丧气的他们偶然间没有使用换流器来测试，他们惊讶的发现交流电也可以点亮电弧灯。这是人类第一次利用交流电来工作，而不是将交流电转换成直流电再来应用。这是第一次利用交流电来产生灯光。

▲ 图1.3.2

四、电磁铁发电机

  这个时期关于发电机最重要的发明是与电磁铁有关系。在1931年美国科学家约瑟夫·亨利展示了使用简单的电池可以产生强大的磁铁，只要使用漆包线绕制成密集的线圈套在铁棒上，只需很少的电流即可产生强的磁场。到了1850年左右，两个人声称他们各自独立发明了利用电磁铁来制作发电机。

▲ 图1.4.1

  塞缪尔·瓦力，35岁，是一名英国电报发报员， 麦克·法拉第的信徒。他从17岁就觉得好玩制作自己的发电机.。在1856年，他利用电磁铁制作了发电机，10年后他申请了专利。也许瓦力是第一个发明电磁铁发电机的，但由于他与外界没有多少联系所以被人们忽略，他的哥哥 科隆威尔·瓦力社交圈子广泛，他的名声掩盖了塞缪尔的成就。

▲ 图1.4.2

  另外一个发明人王尔德，他具有很宽的人脉，他的兄弟姐妹没有能够超过他的。在1864年他发表了一篇论文描述了如何使用电磁铁来制作发电机。那么，他是怎么想到这个点子的呢？

  他说，既然电磁铁可以由小的电流产生很强的磁场。发电机使用旋转的磁铁可以产生大的电流。所以基本上可以利用这些效应来制作发电机。他的最初想法是利用一个带有永磁铁的发电机生成的电流推动一个大的电磁铁，然后可以产生更大的电流。王尔德发现他的结果非常好。他满怀喜悦描述他的发电机可以产生巨量的电流，从而实现更亮的灯光，甚至将金属棒融化了。

▲ 图1.4.3

五、自激励磁

  你知道无法无中生有获得电能，产生更多的电能意味着推动发电机旋转更加困难，王尔德的论文非常成功。并激发了另外个科学家去设计一个可以利用发电机自己产生的电流来驱动电磁铁的方案。这个思路是将发电机自己产生的电流一部分重新接入电磁铁线圈，从而产生磁场。这个模式被称为自激励磁。

  问题来了，如果仅仅将线圈在另外一个线圈附近旋转，开始的时候无法产生电流。需要一些磁铁来启动这个自激过程。两个人的方案中给出了启动方案。要么使用来自电池的电流启动发电机，或者利用小磁铁来摩擦电磁铁，甚至可以使用地球磁场。

▲ 图1.5.1 西门子与查尔斯·惠斯通

  因此自激励磁过程如下。电磁铁先产生一个小的磁场，然后发电线圈在弱磁场中旋转感应出电流，一部分电流又重新流到励磁线圈中，增加了励磁磁场强度，由此又增加了发电线圈感应电流，从而增加了励磁电流。这种反馈过程最终使得发电及产生强大的电流。

▲ 图1.1.4

六、实用的发电机

  自激励磁以及电磁铁是建造强大的发电机从而点亮整个城市的关键技术。在1866年发现自激励磁技术的德国科学家维尔纳·冯·西门子，他在20年前创建了西门子·哈尔斯克公司，在德国产生长距离电报电线。西门子是第一个生产自激励磁发电机，Dynamos。这个词来自于希腊语，dunamis，表示动力。这个单词在之后的50年终被用于直流发电机的名称。

▲ 图1.1.5

  塞缪尔·瓦力，他的名气掩盖了他的弟弟科隆威尔·瓦力，在1850年发明了自激励磁发电机。在申请专利方面早于西门子以及其他科学家，这是惠斯顿记录下来的。但他的工作在当时的科学界被几乎忽略。

  发明了直流发电机，各种发电厂犹如雨后春笋发放涌现，发出的电点亮了城市，也用于家庭照明。大部分都使用换流器来产生脉动直流电，而不是交流电。为什么呢？很多人都误以为交流电比直流电更加危险，但实际上不是这个原因。因为发电机的自激励磁电流只能使用直流电，而不能够使用交流电。如果希望发出交流电，也需要另外使用一个励磁直流发电机才行。所以西门子也说，没有什么是纯粹的交流电，那只是一个谎话。

▲ 图1.1.6

七、交流电应用

  在19世纪晚期，只有为数不多有远见卓识的人才想使用交流电。其中一个有远见者就是尼古拉·特斯拉。在1887年特斯拉发明了被称为多相交流发电机设备。同时也发明了多相交流电动机。在这个系统中，存在多个相互独立的线圈，围绕在点磁铁外边。这些线圈会产生相同的交流电，只是各自相位不同。

▲ 图1.7.1

  多相发电机可以使用更多的电线传输更强的电力。比如三相发电机使用三根线传输电能，而不是像普通的直流电机使用两根电线。但传输的电能则是直流电机的三倍。

  另外三相电可以驱动更强的电机，因为不同相位的电流在可以在不同相位驱动电机转子。所以现在发电场都是用三相发电机产生电能。

▲ 图1.1.7

  后来发明了二极管，是一个电子单向开关，我们可以从交流电产生自激励磁发电机，这被应用到现代发电机当中。这就是电场发电机的原理。

八、发电厂

  在煤炭发电场中，通过燃烧煤炭产生水蒸气驱动电磁铁旋转。外边的线圈产生电能。核电厂则使用原子反应产生热量加热水蒸气推动发电机旋转。水电站则利用拦河坝产生的水压推动发电机中的电磁铁转子旋转产生电能。风电机则利用风能旋转转子发电。它们的工作方式几乎相同。这是电能生产的主要方式。

▲ 图1.8.1

参考资料

[1]

闪电的驯服者：电学的历史: ***/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: ***/watch?v=zzL_9aGBQ2I&list=PLepnjl2hm9tF-CxhyRFZi3Pujkq_V4pKP&index=26