銅盤發電機

在公元1831年，法拉第將一個封閉電路中的導線通過電磁場，導線轉動有電流流過電線，法拉第因此了解到電和磁場之間有某種緊密的關聯，他建造了第一座發電機原型，其中包括了在磁場中迥轉的銅盤，此發電機產生了電力。在此之前，所有的電皆由靜電機器和電池所產生，而這二者均無法產生巨大力量。但是，法拉第的發電機終於改變了一切。

基本介紹

• 中文名：銅盤發電機
• 外文名：Copper plate of the generator
• 首個出現時間：公元1831年
• 發明人：法拉第

發電機組成

發電機包括一個能在二個或二個以上的磁場間迅速旋轉的電磁鐵，當二個磁場相互交錯，就產生了電，由電線從發電機中導出。電子工程師依發電機線繞的方式和磁鐵的安排，而獲得交流電（AC）或直流電（DC），大部分發電機都是產生交流電，它比直流電更易由傳輸線作長距離的傳送。

發展歷程

電磁感應原理

學過物理課的人都會記得，英國科學家法拉第於1831 年發現了電磁感應原理。這一在人類社會發展過程中起到重要作用的原理是說：“當磁場的磁力線發生變化時，在其周圍的導線中就會感應產生電流。”

法拉第曾煞費苦心，通過研究和反覆實驗，終於發現了這一影響巨大的科學原理，而且他確信，利用此原理肯定能製造出可以實際發電的發電機。

就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，法國人皮克希套用電磁感應原理製成了最初的發電機。

皮克希的發電機

皮克希的發電機是在靠近可以旋轉的U 形磁鐵（通過手輪和齒輪使其旋轉）的地方，用兩根鐵芯繞上導線線圈，使其分別對準磁鐵的N 極和S 極，並將線圈導線引出。這樣，搖動手輪使磁鐵旋轉時，由於磁力線發生了變化，結果線上圈導線中就產生了電流。

由這種發電機的裝置可以知道，每當磁鐵旋轉半圈時，線圈所對應的磁鐵的磁極就改變一次，從而使電流的方向也跟著改變一次。為了改變這種情況，使電流方向保持不變，皮克希想出了一個巧妙的辦法：在磁鐵的旋轉軸上加裝兩片相互隔開成圓筒狀的金屬片，由線圈引出的兩條線頭，經彈簧片分別與兩個金屬片相接觸。另外，再用兩根導線與兩個金屬片接觸，以引出電流。這個裝置，就叫做整流子，在後來的發電機上仍得到套用。

整流子為什麼能保持電流方向不變呢？這是因為電流從線圈流入整流子，而整流子是和磁鐵一起旋轉的。當磁鐵轉過半圈，線圈中電流方向倒逆過來，整流子也正好轉過半周來而掉轉了方向，因而輸出的電流方向始終是不變的。

皮克希發明的這種發電機在世界上是首創，當然也有其不足之處。需要對它進行改進的地方，一是轉動磁鐵不如轉動線圈更為方便靈活；二是通過整流子可以得到定向的電流，但是電流強弱還是不斷變化的。為改變這種情況，人們採用增加一些磁鐵和線圈數量，並稍微錯開地將變化的電流一起引出的辦法，使輸出電流的強度變化控制在一定的範圍內。

從皮克希發明發電機後的30 多年間，雖然有所改進，並出現了一些新發明，但成果不大，始終未能研製出能輸出像電池那樣大的電流，而且可供實用的發電機。

西門子改進發電機

1867 年，德國發明家韋納·馮·西門子對發電機提出了重大改進。他認為，在發電機上不用磁鐵（即永久磁鐵），而用電磁鐵，這樣可使磁力增強，產生強大的電流。

西門子用電磁鐵代替永久磁鐵發電的原理是，電磁鐵的鐵芯在不通電流時，也還殘存有微弱的磁性。當轉動線圈時，利用這一微弱的剩磁發出電流，再反回給電磁鐵，促使其磁力增強，於是電磁鐵也能產生出強磁性。

接著，西門子著手研究電磁鐵式發電機。很快就製成了這種新型的發電機，它能產生皮克發電機所遠不能相比的強大電流。同時，這種發電機比連線一大堆電池來通電要方便得多，因而它作為實用發電機被廣泛套用起來。　西門子的新型發電機問世後不久，義大利物理學家帕其努悌於1865 年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。

實際上，帕斯努悌早在1860 年就提出了發電機電樞的構想，但未能引起的人們的注意。1865 年，他又在一本雜誌上發表了這一獨創性的見解，仍未得到社會的公認。

古拉姆發電機

到了1869 年，比利時學者古拉姆在法國巴黎研究電學時，看到了帕其努悌發表的文章，認為這一發明有其優越性。於是，他就根據帕其努悌的設計方案，兼採納了西門子的電磁鐵式發電機原理進行研製，於1870 年製成了性能優良的發電機。

在帕其努悌的發明中，對發電機的整流子部分進行了重要改進，使發電機發出的電流強度變化極小。而採用帕其努悌設計方案製成的古拉姆式發電機，其發出的電流強度變化也很小。這是古拉姆發電機的優良性能的表現之一。

古拉姆發電機的性能好，所以銷路很廣，他不僅發了財，而且被人們譽為“發電機之父”。

阿特涅發電機

有些人看到古拉姆發明發電機獲得成功，也想對發電機進行改進從而製造出更先進的發電機。在這些人中，就有德國的西門子公司研究發電機的工程師阿特涅。他發明了古拉姆發電機不同的線圈繞線方式，製成了性能良好的發電機。

古拉姆發電機的電樞是將鐵絲繞成環狀，在環與環之間夾上紙進行絕緣，然後將環捆在一起作為鐵芯，在其上面繞上導線線圈，再由線圈的不同部位引出一些導線，接向帶整流子。而阿特涅發電機的電樞，是用許多薄圓鐵板以紙絕緣後重疊起來，製成鐵芯，然後在上面繞上導線線圈。人們把這種方法叫做“鼓卷”，意思是像鼓一樣的形狀。經過這種改進後，發電機無論是外觀或是性能，都比原來有了很大起色。

西門子公司由於阿特涅的這項發明而益發馳名。於是，德國以西門子公司為核心，大力研製各種發電機，從而使電力工業得到了迅速的發展。

隨著發電機的逐漸大型化，轉動發電機的動力也發生了變化。其中以水力作動力更使人們感興趣。這是因為用水力轉動大型發電機較方便，而且不消耗燃料，成本低。因此，西門子公司又投入水力發電的研究工作。

利用水力發電與水力發電不同，前者必須將發電機安裝在水流湍急的地方，也就是水流落差大的地方。這樣，就必須在山中河川的上游發電，然後再輸送到遠方的城市。

為了遠距離輸送電，就要架設很長的輸電線。但是，在輸電線中通過很強的電流時，電線就要發熱，這樣，好不容易發出的電能在送向遠方的途中，卻因為電線發熱而損耗掉了。

為了減少電能在長距離輸送中的發熱損耗，可以採用的辦法有兩個：一是增加電壓的截面積，即將電線加粗，減小電阻；二是提高電壓而減小電流。

前一個措施因需要大量的金屬導線，而且架設很粗的導線有很多困難，因而很難得到採用。比較起來，還是後一個措施有實用價值。然而，對於當時使用的直流電來說，使其電壓提高或降低都是難以實現的。於是，人們只得開始考慮利用電壓很容易改變的交流電。

看來，將直流發電機改為交流電發電機比較容易，主要是取掉整流子就行了。所以，西門子公司的阿特涅便於1873 年發明了交流發電機。此後，對交流發電機的研究工作便盛行起來，從而使這種發電機得到了迅速的發展