【矩道物理虚拟实验室】发电机的工作原理(下)

2022/8/22 9:18:46 矩道科技 产品动态




法拉第电磁感应现象的发现进一步揭示了电现象和磁现象之间的联系。后来的人们就是根据这个发现发明了发电机,使人类大规模用电成为可能,开辟了电气化的时代。


虚拟仿真实验平台--电磁感应现象

今天,无论我们日常生活中使用的电还是工农业生产中使用的电,大多是由电网提供的,是从发电厂里的发电机中产生的,经过远距离的传输,到达工厂、农村、学校和家庭。火力发电中,是汽轮机带动发电机;水力发电中,是水轮机带动发电机;风力发电中,是风车带动发电机。
      无论是火力发电、水力发电还是风力发电,都是通过发电机发电的。

那么发电机是如何发电的呢?就在法拉第发现电磁感应现象之后不久,他又利用这一现象发明了世界上第一台发电机──法拉第铜盘发电机。


为了方便介绍,我们来看一个现代铜盘发电机模型。


圆心处固定一个摇柄,圆盘的边缘和圆心处各与一个黄铜电刷紧贴,用导线把电刷与电流表连接起来;紫铜圆盘放置在蹄形磁铁的磁场中。当法拉第转动摇柄,使紫铜圆盘旋转起来时,电流表的指针偏向一边,这说明电路中产生了持续的电流。
      法拉第圆盘发电机是怎样产生电流的呢?我们可以把圆盘看作是由无数根长度等于半径的紫铜辐条组成的,在转动圆盘时,每根辐条都做切割磁力线的运动。辐条和外电路中的电流表恰好构成闭合电路,电路中便有电流产生了。随着圆盘的不断旋转,总有某根辐条到达切割磁感线的位置,因此外电路中便有了持续不断的电流


法拉第圆盘发电机虽然简单,有人说它像一只简陋可笑的儿童玩具,产生的电流甚至不能让一只小灯泡发光。但这是世界上第一台发电机,是它首先向人类揭开了机械能转化为电能的序幕。当年还有一个广为流传的故事:在1831 年圣诞节前夕的一次科学报告会上,法拉第当众展示了他发明的发电机,当他摇动手柄使铜盘在磁极之间旋转,电流随之产生。当时在场的一位贵妇人取笑地问 :“先生,您发明的这个东西有什么用呢?”法拉第平静地反问 :“夫人,新生的婴儿又有什么用呢?”
       后来,人们在此基础上,将蹄形永久磁铁改为能产生强大磁场的电磁铁,用多股导线绕制的线框代替紫铜圆盘,电刷也进行了改进,就制成了功率较大的可供实用的发电机。法拉第铜盘发电机这个新生的“婴儿”,果然成长为电厂里巨大的发电机这一改变世界面貌的“巨人”,开辟了人类社会的电气化时代。
       现在,我们用通过矩道物理仿真实验室来看一下教学用发电机产生的电流是什么样的。
       我们看到发电机中有一个线圈放置在磁场中,线圈可以通过手柄转动,线圈的两端连接在铜环上,然后通过电刷与外电路连接。当线圈转动时,我们看到电路中两个连接方向不同的二极管交替发光,而电流的曲线也是一条大小和方向不断变化的交变电流曲线



这样的发电机我们称之为交流发电机。

实际上,当时人类一直使用的是直流电,因此发明使用的发电机都是直流发电机。而直流发电机实际上就是将交流发电机的两个铜环变为两个铜半环(类似于直流电动机的换向器结构),将交流转化为直流。

 但是随着电力的大规模社会应用,人们越来越发现交流电在变压及远距离传输中等方面的优势,交流电逐渐取代了直流电成为了供电系统的主流。(关于交直流之争的故事也相当精彩,感兴趣的读者可以查阅资料了解)
       实际上,发电厂里的交流发电机的构造要复杂的多,但是基本组成部分也是两部分,即产生感应电动势的线圈(通常叫做电枢)和产生磁场的磁体。
       电枢转动,磁极不动的发电机,叫作旋转电枢式发电机。如果磁极转动,电枢不动,线圈中同样会产生感应电动势,这种发电机叫作旋转磁极式发电机。不论哪种发电机,转动的部分都叫转子,不动的部分都叫定子。
       旋转电枢式发电机转子产生的电流,必须经过裸露的滑环和电刷引到外电路,如果电压很高,可能发生火花放电,滑环和电刷很快会烧坏。同时,转动的电枢无法做得很大,线圈匝数也不可能很多,所以产生的感应电动势也不能很高。旋转磁极式发电机克服了上述缺点,能够产生几千伏到几万伏的电压,输出功率可达几百兆瓦。所以,大多数发电机是旋转磁极式的。
       发电机的转子由蒸汽轮机、水轮机等带动。蒸汽轮机、水轮机等将机械能传递给发电机,发电机将机械能转化为电能,输送给外电路。
       这就是发电厂发电的整个过程。


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