基本介紹
- 中文名：法拉第發電機
- 外文名：Faraday Generator
- 發明者：法拉第
- 原理：法拉第電磁感應
- 歷史意義：第一台發電機
發明過程,工作原理,製作方法,製作材料,製作過程,發展歷程,前景展望,
發明過程
1820年奧斯特成功地完成了通電導線能使磁針偏轉的實驗後，不少科學家進行了進一步研究，既然電能產生磁，那么磁能不能產生電呢？著名科學家安培就是這些研究者中的一個，他實驗的方法很多，但犯了根本性錯誤，實驗沒有成功。
另一位科學家科拉頓在1825年做了這樣一個實驗：把一塊磁鐵插入繞成圓筒狀的線圈中。他想，這樣或許能得到電流。為了防止磁鐵對檢測電流的電流表產生影響，他用了很長的導線把電流表接到隔壁的房間裡。他沒有助手，只好把磁鐵插到線圈中以後，再跑到隔壁房間裡看電流表指針是否偏轉。他的裝置是完全正確的，實驗的方法也是對的，但是他犯了一個實在令人遺憾的錯誤，這就是電流表指針的偏轉只發生在磁鐵插入或撥出線圈這一瞬間，一旦磁鐵插進線圈不再運動，電流表指針就會回到原來的位置。所以等他插好磁鐵再趕緊跑到隔壁房間裡去看電流表時，無論怎樣快也看不到電流表指針偏轉的現象。要是他有個助手，要是他把電流表放在同一個房間裡，他就是第一個發現磁生電的人了。
在同一時期英國物理學家法拉第自1821年就開始了磁生電的研究。他用磁鐵與銅線圈做實驗，經過了無數次失敗，但他沒有氣餒。1831年10月17日，法拉第拿起磁鐵慢慢地把它的一端靠近線圈，身邊的電流表未見擺動。他靈機一動，把磁鐵很快地插入線圈裡，突然指針奇蹟般地擺動了一下，又回到零刻度線。他以為自己看花了眼，又急忙把磁鐵從線圈中拔出來，想再試一次，不料，這一拔，奇蹟又重新出現了，不過這一次指針是向相反方向擺動的，他成功了。
拉第的電磁旋轉裝置示意圖
拉第的電磁旋轉裝置示意圖根據這個效應，法拉第設計製造了 一個磁棒繞通電導線旋轉和通電導線繞磁棒旋轉的對稱實驗裝置，左邊的導線固 定，當導線與水銀接觸而有電流通過時，導線周圍產生了環形磁場，使得可動磁鐵繞導線不停轉動； 右邊的磁鐵固定在水銀槽里，當可動導線接觸水 銀表面而有電流通過時，因為反作用，使得導線也 不停地轉動起來。法拉第的這個“電磁旋轉”實驗，實現了電能向機械能的轉化，同時也實現了連續的轉動，成為了人類歷史上第一台電動機，標誌著人類從蒸汽時代進入了電氣時代。此後的各類直流電動 機，雖然在結構上有了很大的變化，但原理卻沒有本質區別。
工作原理
1831年，法拉第發現了變化磁場能夠在封閉電路中產生電動勢，就是著名的電磁感應現象，即閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流，產生的電流稱為感應電流，產生的電動勢（電壓）稱為感應電動勢。他當時總結出五種情況下，即變化的電流、變化的磁 場、運動的恆定電流、運動的磁鐵、在磁場中運動 的導體，會在導體中產生感應電流。法拉第用一個可轉動的金屬圓盤置於磁鐵的磁場中，並用電流表測量圓盤邊沿(A)和軸心(O) 之間的電流(如圖2)。實驗表明，當圓盤旋轉時，電流表發生了偏轉，證實迴路中出現了電流，也就是說實現了機械能轉變為電能，這是歷史上第一台發電機。
拉第圓盤發電機原理圖
拉第圓盤發電機原理圖當銅盤的邊緣和軸分別接電刷作為輸出端時，銅盤可視為許多同樣的金屬輻條並聯組成，輻條的長度就是圓盤的半徑 R ，當銅盤以角速度ω在磁感應強度為B的勻強磁場中轉動時，每一根金屬輻條均因切割磁感線而產生感應電動勢該電動勢的 大小為
法拉第發電機的工作原理當圓盤在轉動過程中，每一條沿半徑方向的導體都會切割磁感線，所以都相當於電源，由右手定則可知都是圓盤邊緣的點電勢高，圓心的點電勢低。由法拉第電磁感應定律可解得每個電源的電動勢，這一個個的電源是並聯關係，對外輸出的電動勢也是。
製作方法
製作材料
黃銅板、有機玻璃板、木板、試管膠塞、導線、各種規格的螺絲若干、角鋁、銅管、轉動皮帶輪軸
製作過程
轉盤：取材用厚0.6 mm銅板，裁剪出直徑21 cm的銅圓盤；另用厚3 mm的有機玻璃板，裁剪出直徑18.5 cm的圓盤．用萬能膠將有機玻璃圓盤粘合在銅盤的中心對齊，留出邊緣的1.5 cm的銅圓環，中心鑽一個0.5 cm孔讓0.5 cm的螺絲穿過，用螺母把轉盤與螺絲固定好。
電刷：用粗導線的銅絲做電刷，先做兩個能固定導線位置並能調節伸出長度的固定套管，4x2cm的銅板，中間用大功率的電鉻鐵焊接上一個4cm長的銅管，銅管上鑽兩個孔，並鉸上螺紋讓螺絲能旋進，導線從銅管穿進，穿出導線的一端剝出3 cm長的銅絲團成個銅絲餅，調好伸出長度後，可用這兩個螺絲固定．兩個固定套管各用4個螺絲釘固定在一個21 X4 cm長木板上，相距10.5cm，做成兩個電刷。
磁場：鋸出一塊9 X 6 X 1.3 cm的木板，中間鑽出直徑4cm的圓孔，套入直徑4 cm高6.7 cm的塑膠管，把u形磁鐵的底部扣在管上，保證它的穩定．
整體組裝：底板40 x24 cm的木板，用試管膠塞做四個腳；先裝皮帶輪軸，將轉盤裝到轉軸上；電刷的木板用角鋁固定在底板，調節導線的銅絲餅一個在銅盤的邊緣夾緊上、下面和邊緣，另一個電刷頂在轉軸的中心；U形磁鐵的底部扣在管上，管的高度取於把銅盤盡可多地套入U形磁鐵的U形磁場內，組裝完畢。
發展歷程
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。最初的發電機設備比較笨重，它的原動力是人力，難以靠提高轉速來獲得大功率的電流。1833年至1835年間，薩史斯頓和克拉克等人相繼發明了旋轉線圈電樞、靜止磁鐵結構等新裝置，這些新裝置的引入，使發電機的運轉設備大大減輕，從而提高了發電機的轉速。
1867年，德國發明家西門子對發電機進行了重大改進，製成了電磁鐵式發電機。電磁鐵式發電機是用電磁鐵代替永久磁鐵，使磁力增強，能產生皮克希的發電機所遠不能相比的強大電流。
在西門子進行發電機改進期間，義大利物理學家帕其努悌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。
1869年，比利時學者古拉姆在法國巴黎研究電學時，採納了西門子的電磁鐵式發電機原理，利用了帕其努悌的環狀發電機電樞，製成了性能優良的發電機。古拉姆發電機的性能好，所以銷路很，一，他不僅發了一筆財，而且被人們譽為“發電機之父”。
