當(dāng)今世界，到處都有3354部裝有發(fā)光二極管(led)的電話、電燈、衣服、鞋子、帽子、嬰兒車和兒童座椅。即使是小玻璃杯也配有用于驗(yàn)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(jī)和發(fā)電機(jī)是兩顆“明星”。那么，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)是怎么發(fā)明的呢？

電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的源頭——

奧斯特發(fā)現(xiàn)“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(duì)這個(gè)問題的研究直到19世紀(jì)才取得重大進(jìn)展。

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

1731年7月的一次雷電過后，英國韋克菲爾德的一位商人意外地發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了類似的現(xiàn)象。1751年，美國物理學(xué)家富蘭克林偶然發(fā)現(xiàn)萊頓瓶(一種可以儲(chǔ)存電能的裝置)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(xiàn)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，沒有人能夠給出一個(gè)滿意的答案。這時(shí)，法國物理學(xué)家?guī)靵龅热苏J(rèn)為：“電就是電，磁就是磁，兩者之間不可能有聯(lián)系。”

當(dāng)然，人們應(yīng)該把這個(gè)問題追究到底。例如，1805年，兩位法國數(shù)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中改變方向，但顯然他們無法得到正確的結(jié)果。

丹麥物理學(xué)家、化學(xué)家奧斯特受19世紀(jì)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(rèn)為自然力可以相互轉(zhuǎn)化或統(tǒng)一。例如，他認(rèn)為：“我們的物理學(xué)將不再是運(yùn)動(dòng)、熱、空氣、光、電、磁以及我們所知道的任何現(xiàn)象的分散概括。我們將整個(gè)宇宙包含在一個(gè)系統(tǒng)中。”因此，他也加入了實(shí)驗(yàn)探索的隊(duì)伍。

奧斯特

然而，在奧斯特將一根磁針放在導(dǎo)線前面并給導(dǎo)線通電后，磁針仍然保持不動(dòng)，即使導(dǎo)線被強(qiáng)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)定律的見解》中疑惑地寫道：“電是不是以它最隱蔽的方式作用于磁鐵……”于是，尋找一種“類似的功能”成了他實(shí)驗(yàn)的內(nèi)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(yàn)。快下課了，當(dāng)他不自覺地扳動(dòng)電源開關(guān)時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)一根放置在細(xì)長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。這不就是他多年來一直希望的電流能產(chǎn)生磁場的效果嗎？他激動(dòng)得倒在平臺(tái)上，連續(xù)試了幾次3354，包括把小磁針移近或移遠(yuǎn)，都出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。

第二天，奧斯特和他的助手用20個(gè)伏打電池給電線通電，產(chǎn)生了更強(qiáng)的電流。對(duì)能在平面上自由旋轉(zhuǎn)的磁針和能在空間自由旋轉(zhuǎn)的懸浮磁針進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，電流確實(shí)可以產(chǎn)生磁場3354，被玻璃、木頭、水、樹脂、石頭隔離，無法阻止這個(gè)磁場吸引小磁針。這就是著名的“電流磁效應(yīng)”，簡稱“電感磁”。后來人們稱之為“電磁第一定律”。

電動(dòng)機(jī)的發(fā)明

奧斯特發(fā)現(xiàn)“電產(chǎn)生磁”后，很遺憾沒能利用它發(fā)明出由電驅(qū)動(dòng)、能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置——電機(jī)。

1821年9月3日，英國物理學(xué)家、化學(xué)家法拉第重復(fù)奧斯特的“電磁學(xué)”實(shí)驗(yàn)時(shí)，做出了人類歷史上最原始的電動(dòng)機(jī)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(dǎo)線)繞著固定的通電導(dǎo)線(或固定磁鐵)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

法拉第

下一步是電動(dòng)機(jī)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(tái)實(shí)用電機(jī)。這種自激式電磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)DC電機(jī)由三個(gè)主要部件(定子、轉(zhuǎn)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，旋轉(zhuǎn)繞組。這臺(tái)只用于教學(xué)的電動(dòng)機(jī)，后來被存放在布達(dá)佩斯應(yīng)用藝術(shù)博物館，現(xiàn)在還能運(yùn)轉(zhuǎn)。匈牙利和斯洛伐克稱贊他是馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的“幕后之父”。

世界上第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)

發(fā)電機(jī)的發(fā)明

奧斯特發(fā)現(xiàn)“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(shè)計(jì)多種“磁力發(fā)電”裝置。其中一個(gè)是這樣的：“在一個(gè)大的木制線軸上，纏繞著第一卷203英尺(約62米)長的銅線；在其匝間，纏繞具有相同長度但由棉紗絕緣的第二線圈。第一個(gè)線圈接電池，第二個(gè)線圈接電流表。”他試圖通過第一個(gè)線圈通電后產(chǎn)生的磁場使第二個(gè)線圈產(chǎn)生電流——，這可以通過電流表指針的偏轉(zhuǎn)看出。然而，無論他做了多少次實(shí)驗(yàn)，都沒有看到預(yù)期的現(xiàn)在這一代。

通電導(dǎo)線連續(xù)旋轉(zhuǎn)的裝置

從1822年開始的9年努力失敗了，但法拉第并沒有灰心。

1831年8月29日，法拉第將電池?cái)?shù)量增加到100個(gè)。在第一個(gè)線圈接在電池上的瞬間，他無意中看到電流表指針動(dòng)了一下，然后又回到了原來的位置。但是，接通電源后，電流表指針不偏轉(zhuǎn)。這時(shí)，他恍然大悟。原來之前的實(shí)驗(yàn)都是先打開電池再去電流表。此時(shí)第一個(gè)線圈回路中的電流處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以第二個(gè)線圈中的磁場不再發(fā)生變化，所以沒有電流產(chǎn)生。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，打開電池，觀察電流表。在接通的瞬間，第一個(gè)線圈回路中的電流從零開始變化，因此它產(chǎn)生的磁場也從零開始變化，從而導(dǎo)致第二個(gè)線圈中磁場的變化，最終產(chǎn)生“感應(yīng)電流”3354，一種電磁感應(yīng)(現(xiàn)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——由圓柱形線圈和磁棒組成的原始發(fā)電機(jī)。這臺(tái)發(fā)電機(jī)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(jù)法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)原理，成功研制出雙線圈交流發(fā)電機(jī)，是所有發(fā)電機(jī)的始祖。

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