當今世界，到處都有3354部裝有發(fā)光二極管(led)的電話(huà)、電燈、衣服、鞋子、帽子、嬰兒車(chē)和兒童座椅。即使是小玻璃杯也配有用于驗鈔的紫色led和用于照明的白色led.在這個(gè)電氣時(shí)代，電動(dòng)機和發(fā)電機是兩顆“明星”。那么，電動(dòng)機和發(fā)電機是怎么發(fā)明的呢？

電動(dòng)機、發(fā)電機的源頭——

奧斯特發(fā)現“電生磁”

“電”和“磁”是我們非常熟悉的詞。但是，它們之間有聯(lián)系嗎？對這個(gè)問(wèn)題的研究直到19世紀才取得重大進(jìn)展。

古人發(fā)現的“止芥”電現象和“磁鐵引針”磁現象，引起了人們的思考：電和磁有什么聯(lián)系嗎？吉爾伯特，英國著(zhù)名的醫生和物理學(xué)家，曾經(jīng)是皇家醫師，他在1600年出版的巨著(zhù)《論磁》中斷言，電和磁之間沒(méi)有因果關(guān)系。

1731年7月的一次雷電過(guò)后，英國韋克菲爾德的一位商人意外地發(fā)現他的新刀叉和鋼針具有磁性。意大利一家五金店的鋼刀也出現了類(lèi)似的現象。1751年，美國物理學(xué)家富蘭克林偶然發(fā)現萊頓瓶(一種可以?xún)Υ骐娔艿难b置)放電后，附近的縫衣針被磁化。一艘在大西洋上航行的商船在一次雷擊后失去了所有三個(gè)指南針.

"這是電產(chǎn)生的磁力嗎？"這些現象促使德國巴伐利亞電力學(xué)院在1774年征集一篇題為《電力和磁力是否存在實(shí)際的物理相似性？》的論文。然而，沒(méi)有人能夠給出一個(gè)滿(mǎn)意的答案。這時(shí)，法國物理學(xué)家庫侖等人認為：“電就是電，磁就是磁，兩者之間不可能有聯(lián)系。”

當然，人們應該把這個(gè)問(wèn)題追究到底。例如，1805年，兩位法國數學(xué)家、物理學(xué)家和化學(xué)家讓尼古拉斯和查爾斯用絕緣繩掛上伏打電池，看看它是否也像磁針一樣在地球磁場(chǎng)中改變方向，但顯然他們無(wú)法得到正確的結果。

丹麥物理學(xué)家、化學(xué)家?jiàn)W斯特受19世紀一股科學(xué)思潮的影響，信奉德國哲學(xué)家、作家康德的哲學(xué)，認為自然力可以相互轉化或統一。例如，他認為：“我們的物理學(xué)將不再是運動(dòng)、熱、空氣、光、電、磁以及我們所知道的任何現象的分散概括。我們將整個(gè)宇宙包含在一個(gè)系統中。”因此，他也加入了實(shí)驗探索的隊伍。

奧斯特

然而，在奧斯特將一根磁針?lè )旁趯Ь€(xiàn)前面并給導線(xiàn)通電后，磁針仍然保持不動(dòng)，即使導線(xiàn)被強電流加熱甚至發(fā)光。

1812年，奧斯特在他發(fā)表的論文《關(guān)于化學(xué)定律的見(jiàn)解》中疑惑地寫(xiě)道：“電是不是以它最隱蔽的方式作用于磁鐵……”于是，尋找一種“類(lèi)似的功能”成了他實(shí)驗的內容。

1820年4月21日晚上，奧斯特像往常一樣，給哥本哈根一些受過(guò)教育的人做了一個(gè)關(guān)于“伽伐尼電”的講座。在助手的幫助下，白金用伏打電池通電，做電學(xué)演示實(shí)驗。快下課了，當他不自覺(jué)地扳動(dòng)電源開(kāi)關(guān)時(shí)，意外地發(fā)現一根放置在細長(cháng)的鉑絲附近的小磁針微微晃動(dòng)了一下，然后停在了與金屬絲垂直的方向。這時(shí)，他既驚訝又高興。這不就是他多年來(lái)一直希望的電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)的效果嗎？他激動(dòng)得倒在平臺上，連續試了幾次3354，包括把小磁針移近或移遠，都出現了類(lèi)似的現象。

第二天，奧斯特和他的助手用20個(gè)伏打電池給電線(xiàn)通電，產(chǎn)生了更強的電流。對能在平面上自由旋轉的磁針和能在空間自由旋轉的懸浮磁針進(jìn)行了類(lèi)似的實(shí)驗研究。結果表明，電流確實(shí)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)3354，被玻璃、木頭、水、樹(shù)脂、石頭隔離，無(wú)法阻止這個(gè)磁場(chǎng)吸引小磁針。這就是著(zhù)名的“電流磁效應”，簡(jiǎn)稱(chēng)“電感磁”。后來(lái)人們稱(chēng)之為“電磁第一定律”。

電動(dòng)機的發(fā)明

奧斯特發(fā)現“電產(chǎn)生磁”后，很遺憾沒(méi)能利用它發(fā)明出由電驅動(dòng)、能連續轉動(dòng)的裝置——電機。

1821年9月3日，英國物理學(xué)家、化學(xué)家法拉第重復奧斯特的“電磁學(xué)”實(shí)驗時(shí)，做出了人類(lèi)歷史上最原始的電動(dòng)機的第一個(gè)原型——3354，這是一種裝置，水銀杯中的固定磁鐵(或固定導線(xiàn))繞著(zhù)固定的通電導線(xiàn)(或固定磁鐵)連續旋轉。

法拉第

下一步是電動(dòng)機的誕生、改進(jìn)和發(fā)展。1828年，物理學(xué)家阿尼斯耶德里克展示了他發(fā)明的世界上第一臺實(shí)用電機。這種自激式電磁轉子旋轉DC電機由三個(gè)主要部件(定子、轉子和換向器)組成，采用水銀槽換向器，永磁體產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，旋轉繞組。這臺只用于教學(xué)的電動(dòng)機，后來(lái)被存放在布達佩斯應用藝術(shù)博物館，現在還能運轉。匈牙利和斯洛伐克稱(chēng)贊他是馬達和發(fā)電機的“幕后之父”。

世界上第一臺電動(dòng)機

發(fā)電機的發(fā)明

奧斯特發(fā)現“電產(chǎn)生磁”后，很多物理學(xué)家都在逆向思考：既然電能產(chǎn)生磁，那么它能通過(guò)磁產(chǎn)生電嗎？法拉第就是其中之一。

法拉第的研究始于1822年，致力于設計多種“磁力發(fā)電”裝置。其中一個(gè)是這樣的：“在一個(gè)大的木制線(xiàn)軸上，纏繞著(zhù)第一卷203英尺(約62米)長(cháng)的銅線(xiàn)；在其匝間，纏繞具有相同長(cháng)度但由棉紗絕緣的第二線(xiàn)圈。第一個(gè)線(xiàn)圈接電池，第二個(gè)線(xiàn)圈接電流表。”他試圖通過(guò)第一個(gè)線(xiàn)圈通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)使第二個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生電流——，這可以通過(guò)電流表指針的偏轉看出。然而，無(wú)論他做了多少次實(shí)驗，都沒(méi)有看到預期的現在這一代。

通電導線(xiàn)連續旋轉的裝置

從1822年開(kāi)始的9年努力失敗了，但法拉第并沒(méi)有灰心。

1831年8月29日，法拉第將電池數量增加到100個(gè)。在第一個(gè)線(xiàn)圈接在電池上的瞬間，他無(wú)意中看到電流表指針動(dòng)了一下，然后又回到了原來(lái)的位置。但是，接通電源后，電流表指針不偏轉。這時(shí)，他恍然大悟。原來(lái)之前的實(shí)驗都是先打開(kāi)電池再去電流表。此時(shí)第一個(gè)線(xiàn)圈回路中的電流處于穩定狀態(tài)，所以第二個(gè)線(xiàn)圈中的磁場(chǎng)不再發(fā)生變化，所以沒(méi)有電流產(chǎn)生。在這個(gè)實(shí)驗中，打開(kāi)電池，觀(guān)察電流表。在接通的瞬間，第一個(gè)線(xiàn)圈回路中的電流從零開(kāi)始變化，因此它產(chǎn)生的磁場(chǎng)也從零開(kāi)始變化，從而導致第二個(gè)線(xiàn)圈中磁場(chǎng)的變化，最終產(chǎn)生“感應電流”3354，一種電磁感應(現象)，即“磁發(fā)電”。

1831年10月17日，法拉第制成了一種磁能發(fā)電裝置——由圓柱形線(xiàn)圈和磁棒組成的原始發(fā)電機。這臺發(fā)電機仍作為皇家學(xué)會(huì )的珍貴科學(xué)文物向公眾展出。1832年，法國儀器制造商Hibert Pixii根據法拉第發(fā)現的電磁感應原理，成功研制出雙線(xiàn)圈交流發(fā)電機，是所有發(fā)電機的始祖。

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