法拉第圆盘发电机原理

世界上第一台发电机的诞生

1831年，法拉第发现了电磁感应现象之后不久，他又利用电磁感应发明了世界上第一台发电机──法拉第圆盘发电机。这台发电机制构造跟现代的发电机不同，在磁场所中转动的不是线圈，而是一个紫铜做的圆盘。圆心处固定一个摇柄（图9－3），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。如图9－4所示，当辐条转到OA位置时，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OA位置，因此外电路中便有了持续不断的电流。

当法拉第在英国皇家学会上表演他的发电机时，一位贵夫人问他：“这玩艺有什么用呢？”法拉第非常有礼貌地回答道：“夫人，新生的婴儿又有什么用处呢？”这一绝妙的回答受到大家的交口称赞。

图1 法拉第实验装置原理图(1831年8月29日)

图2 法拉第感应线圈

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。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。目前，即使功率为100万千瓦的特大发电机，也是根据法拉第圆盘发电机的基本原理──电磁感应制成的。

法拉第圆盘发电机原理

法拉第圆盘发电机原理

电机学发展史

一、直流电机的产生与形成

1820年奥斯特发现了电流磁效应，随后安培通过总结电流在磁场中所受机械力的情况建立了安培定律；

1821 年 9 月法拉第发现通电的导线能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型，被认为是世界上第一台电机，其原理如图 1 所示，在一个盘子内注入水银，盘子中央固定一个永磁体，盘子上方悬挂一根导线，导线的一端可在水银中移动，另一端跟电池的一端连接在一起，电池的另一端跟盘子连在一起，构称导电回路，载流导线在磁场中受力运动。

图 1 第一台电机的原理图

1822年，法国的阿拉戈.盖.吕萨克发明电磁铁，即用电流通过绕线的方法使其中铁块磁化。

1826年 德国G.S.欧姆提出电路实验定律――欧姆定律。

1831 年，法拉第发现了电磁感应现象之后不久，他又利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机──法拉第圆盘发电机，如图 2 所示。这台发电机制构造跟现代的发电机不同，在磁场所中转动的不是线圈，而是一个紫铜做的圆盘。圆心处固定一个摇柄，圆盘的边缘和圆心处各与一个电刷紧贴，用导线把电刷与电流表连接起来；铜圆盘放置在蹄形永磁体的磁场中，当转动摇柄使铜圆盘旋转起来时，电流表的指针偏向一边，电路中产生了持续的电流。

图 2 法拉第圆盘发电机

同年夏天，亨利对法拉第的电动机模型进行了改进，制作了一个简单的装置（振荡电动机），如图 3 所示，该装置的运动部件是在垂直方向上运动的电磁铁，当它们端部的导线与两个电池交替连接时，电磁铁的极性自动改变，电磁铁与永磁体相互吸引或排斥，使电磁铁以每分钟 75 各周期的速度上下运动。亨利的电动机的重要意义在于这是第一次展示了由磁极排斥和吸引产生的连续运动，是电磁铁在电动机中的真正应用。

　　

(a)亨利的振荡电动机照片 (b)原理图

图 3亨利的振荡电动机

1832年， 斯特金 发明了换向器,据此对亨利的振荡电动机进行了改进，并制作了世界上第一台能产生连续运动的旋转电动机，其原理如图4所示.后来他还制作了一个并励直流电动机。

图 4 斯特金 的旋转电动机原理示意图

1832年， 法国A.H.皮克西在巴黎公开了一台永久磁铁型旋转式交流发电机,如图5所示。一年后，他在发电机上安装整流子，将交流电变为直流电。 同年， 俄籍德国人H.F.E.楞次提出“电动机－发电机”原理――楞次定律 ，证明发电机和电动机是可逆的。但1870年以前，直流发电机与电动机一直在独立发展着。

图 5 皮克西发明的永久磁铁型旋转式交流发电机

1834年，德国的雅可比成了一种简单的装置：在两个U型电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒型磁铁，通电后，棒型磁铁与U型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用 ，带动轮轴转动，如图6所示。后来，雅可比做了一具大型的装置，安在小艇上，用320个丹尼尔电池供电，1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2公里，与此同时，美国的达文波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刑《电磁和机械情报》。但这两种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。

图 6 雅可比的电动机

1845年， 英国的惠斯通（G.Wheatsto ne）用电磁铁代替永久磁铁， 并取得了专利权 。这是增强发电机输出功率的一个重要措施。

1857年， 英国的惠斯通 发明自激电磁铁型发电机。

1866年 西门子的创始人维尔纳 .冯.西门子 （ W.vonSiemens，1816～1892）制成直流自激、并激式发电机。制成了一架大功率直流电机。1867年在巴黎世界博览会上展出第一批样机。这样，西门子就首次完成了把机械能转换成为电能的发明，从而开始了19世纪晚期的 “ 强电 ” 技术时代。

1870年格拉姆（Z.T.Gr omme，1826～1901）将T形电枢绕组改为环形电枢绕组,发明了直流发电机，在设计上，直流发电机和电动机很相似。后来，格拉姆证明向直流发动机输入电流，其转子会象电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大量制造出来。效率也不断提高。与此同时，德国的西门子接制造更好的发电机，并着手研究由电动机驱动的车辆，于是西门子公司制成了世界电车。1879年，在柏林工业展览会上，西门子公司不冒烟的电车赢得观众的一片喝彩。西门子电机车当时只有3马力，后来美国发明大王爱迪生试验的电机车已达12─15马力。但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车。

1873年，英国 詹 · 麦克斯韦完成了经典电磁理论基础《电和磁》 ; 电机绕组发展为鼓型绕组，直流电机具备了现代直流电机的基本型式；

1875年 比利时Z.T.格拉姆将改造后的发电机安装在法国巴黎北火车站发电厂，该厂是世界第一座火电厂

1880年，爱迪生观察到用叠片铁芯可以减少温升和能耗。

1880年，霍普金森（J.Hopkinson，1849～1898）确立了磁路的欧姆定律。

1882年，德国将米斯巴哈水电站发出的2千瓦直流电通过57千米 1500～2000伏 电线输送到慕尼黑，证明直流远距离输电的可能性。这一方面成为直流发电机与电动机发展中的大事，促进了它们的广泛利用，另一方面暴露出直流在传输中的缺点：原来电压越高，电能的传输损失越小，但高压直流发电机困难较大，而且单机容量越大，换向也越困难，换向器上的火花使工作不稳定。因而人们就把目光转向交流电机。美国的戈登制造出了输出功率447KW，高3米，重22吨的两相式巨型发电机。

1891年，阿诺尔德（Arnold）建立直流电枢绕组理论。

二、交流电机的产生与形成

1824年，法国人阿拉果（D．F．J．Arago，1786～1853）在转动悬挂着的磁针时发现其外围环上受到机械力。次年，他重复这一实验时，发现外围环的转动又使磁针偏转，这些实验导致了后来感应电动机的出现。年，出现了单相交流发电机。

1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，因此被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。 美国的特斯拉在爱迪生公司的时候就决心开发交流电机，但由于爱迪生坚持只搞直流方式，因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。

1876年，雅布洛奇科夫（ П ． Н ． Яблочков ， 1847～1894）用交流发电机和开磁路式串联变压器为其 “ 电烛 ” 供电，这是交流电用于照明的开始。不久出现了原始型式的同步发电机和变压器。

1879年英国人拜依莱（Bailey）用依次变动四个磁极上的励磁电流而得到旋转磁场。1883年，德普勒（M．Deprez，1843～1918）在巴黎科学院提出 a =1/4周期的交流磁场公式。

1882 — 1885年，匈牙利工程师代里等3人首创变压器。

1884年，闭合磁路的变压器制成，并推广使用

1885年，费拉里斯提出两相交流感应电动机的模型。

1886年特斯拉（N．Tesla，1856～1943）也制成两相绕线式交流异步电动机模型，1888他又在意大利科学院提出《利用交流电产生旋转磁场》的论文。 他在爱迪生公司工作，但由于爱迪生坚持只搞直流方式，因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。

1889年，多利沃-多布罗沃利斯基提出了三相制并制成鼠笼式交流异步电动机。

1889年，西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂，1892年成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德。

1890年，德国人米夏埃尔 · 冯 · 多里沃一多勃鲁沃尔斯基制成一架三相电流变压器。

1891年，慕尼黑人奥斯卡 · 冯 · 米勒在法兰克福世界电气博览会上宣布：他与多里沃合作架设的从劳芬到法兰克福的三相交流输电电路，可把劳芬的一架 300 × 735.5W（300马力）55伏三相交流发电机的电流经三相变压器提高到了万伏，输运175千米，顺利通电，从此三相交流电机很快代替了工业上的直流电机，因为三相制的优点十分明显：材料可靠，结构简单，性能好，效率高，用铜省，在电力驱动方面又有重大效益。从此，各种各样的电机迅速发展起来。

1896年，特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运，3750KW，5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。

1902年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。

100多年过去了，正是这简陋、不成熟的圆盘发电机把人类带入了电气时代。

发电机模型

相关知识——安培定律

安培定律 (Ampere law)是由实验得出：

长为 L 载流 I 的直导线和均匀磁场 B 的夹角为 θ ，则导线受力的大小：

　　, 方向垂直 B 和 I L 组成的平面。用矢量表示： F = I L × B

导线受力的大小：

当除I 的大小外其它参数不变时, F 正比于I。 当除B 的大小外其它参数不变时, F 正比于B。

当除L 的大小外其它参数不变时, F 正比于L 。    当I 、L和B 的大小不变时, 改变IL 和B 夹角θ,F 的大小变化

如图所示：

如导线是曲线，磁场不均匀，则用积分：F =∫dF =∫LIdl × B

　　法拉第

自然科学家应当是这样一种人：他愿意倾听每一种意见，却要自己下决心做出判断。他应当不被表面现象所迷惑，不对每一种假设有偏爱，不属于任何学派，在学术上不盲从大师。他应该重事不重人。真理应当是他的首要目标。如果有了这些品质，再加上勤勉，那么他确实可以有希望走进自然的圣殿。”——法拉第。 贫寒的家庭

迈克尔·法拉第就在这时候出生了——他出生在一个贫穷的铁匠家庭。

法拉第从小就过着贫穷清苦的生活，正像很多穷人家的孩子一样，他比较早熟。13岁时，由于家庭经济越来越困难，他不能再上学了，便成了一个装订印刷作坊的徒工。从此，法拉第走上了自己谋生的道路。法拉第手脚勤快、聪明伶俐，还很注意学习。他很快就学会了书籍装订的手艺，而且装订得又快又好，这样，他就可以抽空看看装订的那些书了。谁能想到，读书引导、培养并造就了一个未来的大科学家。

慢慢地，法拉第的头脑像一块巨大的海绵，贪婪地吸取着知识。他读了很多书，像莎士比亚的《哈姆雷特》、《李尔王》，还有《一千零一夜》，都让他大饱眼福。不过，最吸引法拉第的是《大英百科全书》中讲的那些电的现象和《化学漫谈》中讲的那些化学实验。法拉第被迷住了。

拿一根玻璃棒在毛皮上摩擦几下，玻璃棒就能吸引纸屑，这就是电。这个他知道，他在别的书上看到过而且自己也试验过小小的电的吸引力。可是现在《大英百科全书》上说，可以把这些细微的电一点一滴地贮存起来，贮存多了就可以“啪”地一下放出一个火花，像天上的雷鸣、闪电一样。在自己家里就可以制造出雷声和闪电，真是太有趣了！

还有，《化学漫谈》中说，只要把一片铜片和一块锌片浸在盐水里，就能做一个伏打电池，使电源源不断地流动起来。用许多伏打电池串联起来，就能使水分解成两种气体，而这两种气体混合在一起，一点火，又会“轰”的一声爆炸，重新再变成水。啊！电，化学，太神奇了。

从此以后，法拉第经常到外面捡些旧瓶子之类的，统统用于实验。他把书上的每个实验都做了一遍，亲眼看到那些神奇的现象在自己眼前出现。科学引起了法拉第浓厚的兴趣，各种实验的操作培养了法拉第极强的动手实验能力，这些都为他以后从事科学研究打下了初步的基础。

逐渐地，他身边的书已经不能满足他的要求了，他开始去追寻更深奥的知识。

步入科学圣殿

按书本上讲的做实验已使法拉第不满足了。几年来，他的知识丰富多了，对于电方面的浓厚兴趣，已使他把自己能找到的有关电气方面的论述搜集起来，并进行了一定的分析和研究。法拉第期待着更新的科学知识，他20岁这年，强烈的求知欲望使得他把渴望的目光投向了英国皇家学会的科学演讲报告会。

法拉第坐在皇家学会富丽堂皇的大厅里。阶梯形的大厅里座无虚席，谁也没注意第7排中间位置上的法拉第。他穿得很旧，薄呢大衣早已磨得露出经纬，和满厅的听众相比，他显得很寒酸。

马蹄形的大讲台旁边，正站着一个漂亮的中年人，他讲得那么轻松，却又那么透彻，他精神抖擞，神采奕奕；天才的光华和势热力，似乎正从他的身上向外辐射。

他是戴维教授，当时英国科学界的巨子。他23岁时就被任命为皇家学会化学教授。他还不到25岁就当选为皇家学会会员，两年后又获得英国皇家学会的的最高荣誉——柯普莱奖。现在，戴维教授已成为皇家学会的灵魂。由于他的努力，虽然只有33岁，已经赢得了崇高的国际声誉。他对于氯气的研究，他所发现的钠和钾，给全世界留下了深刻的印象。

法拉第被迷住了，激动得有些发抖的手正用笔飞快地记录着戴维教授的每一句话、每一个字的意图。周围的人觉得他挺可笑，那么认真干什么，听听不就行了吗！

然而，人们没有想到，这以后不久，这个贫寡的青年成了戴维的得力助手，更没想到他最终成为一代伟大的科学家。

戴维教授的讲演开拓了法拉第的视野，法拉第连续听了4次戴维教授的讲演。出于对科学和大科学家的虔诚，法拉第认真地把戴维教授的4次讲演纪录整理好，配上精致的插图，并精心地装订成册，书脊上用烫金字写着

“亨·戴维爵士讲演录”

不久，法拉第学徒期满了。出于对科学的向往，法拉第鼓起勇气给皇家学会会长约瑟夫·班克斯爵士写了一封求职信，表示愿意到皇家学会来工作，不管干什么都行，只要是为科学服务，他就满足了。然而，他只得到了班克斯爵士的一个仆人的一句话：“不予回复！”

当时，命运决不愿对穷苦出身的人露出笑脸，它永远是一副威严、凶恶的面孔，叫你对它屈服、膜拜。然而，法拉第决不屈从命运，他顽强地与之搏斗。法拉第又给戴维教授写了一封信，恳切地表达了自己的愿望和追求，他把信和自己整理、装订的戴维的讲演纪录，一起送到了皇家学会。

戴维教授觉得很奇怪，自己从来没有出版过什么讲演录，哪来这么一本书呢？难道是欧洲大陆上的国家抢在英国前面，出版了他的讲演录？看完信，原来是一个叫法拉第的小伙子编的，他的信就像这本书一样，清晰明了。戴维教授被感动了，从法拉第身上，戴维看到了自己的前尘影事——敢于向命运挑战，勇于追求理想，以及青春、奋斗、憧憬……

看，这本装订好的讲演录，它的记录、整理、撰抄、装订，做得多么漂亮！那是有条不紊、严密细致的工作作风的产物。戴维教授十分懂得，这样的习惯和作风在科学研究中有多么大的价值。

从此，法拉第进入了科学的殿堂。

了不起的成就

法拉第刚进入皇家学会是从洗瓶子开始做起的。他工作勤奋，很快地掌握了实验技术，成了戴维教授的得力助手。法拉第虚心好学，潜心研究，在科学研究上进展很快。1821年，这是他来到皇家学会的第9个年头，他以其卓越的成就就任皇家学会实验室总监和代理实验室主任。此时正值很多科学家努力探索电与磁的奥秘之时，法拉第也以浓厚的兴趣开始了电和磁的研究。

经过几个月的努力，法拉第成功地实现了电磁转动——制造了世界上第一个电动机。这就意味着，人类的工农业生产以至人们的生活，将要有巨大的改观。

这时，丹麦科学家奥斯特教授得到一个有趣的发现。奥斯特和当时的许多科学家一样，认为电和磁之间互相有联系，比如说，在雷电轰鸣的时候，磁针有偏转现象。因此，奥斯特认为，利用通过电流的导线，可以使磁针绕着磁针偏转。

他设计了一个实验，立着一根导线，在与导线垂直的方向放着一根磁针，接通电源，根据他的设想，磁针将会发生偏转。不料实验时，磁针并没有偏转。奥斯特疑惑了，他又将导线转动了90度，使之与磁针旋转的方向平行，然后接通了电源。这一刹那间，磁针明显地转动了，从原来指向南北方向转为指向东西方向，并停在这个方向上。

奥斯特发表了这一实验报告，并且把它寄给了他所知道的著名科学家。这个实验引起了许多科学家的注意，他们都根据奥斯特的报告重复了他的实验，并且也都陆续得到一些关于电磁现象的新发现。

英国皇家学会的化学家戴维，也看到了这份实验报告，并以极大的兴趣让法拉第和自己一起重复了这个实验。

这个实验给法拉第提供了一个新信息。这个信息表示的意义有多么深远、有多么伟大，尽管当时法拉第还不可能理解得很清楚，但是他充分地感觉到了。这就是后来法拉第说的：“它猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明。”

于是，法拉第在1822年的日记中写下了一个崭新的研究题目：“把磁转变成电”。

法拉第认识到：磁铁可以使铁块感应带磁，静电可以使导体感应带电，电流能产生磁，那么，必然地，磁也应该能产生电。

法拉第特别下了一番功夫去研究分析奥斯特实验。他发现这个实验有一个特点，就是当导线通过电流的时候，磁针都是绕着导线偏转，而不是磁针自己偏转，而许多重复奥斯特实验的科学家都没有注意到这一特点。于是，他从此入手开始了全面的研究分析，也经常做实验进行尝试，可每次都失败了。法拉第坚信自然界是统一的、和谐的，电和磁是彼此有关联的。法拉第反复实验，反复研究，并不断改进实验方案。

终于，在1831年10月17日——这是人类科学史上应当记住的一天，法拉第在圆形铁环上绕两2个铜线圈，一个接在电流计上，另一个接在串联的伏打电池上，当他把电路接通时，突然电流计的指针轻轻地动了一下，当他把电路断开时，指针向反方向又动了一下，法拉第的内心立刻明亮了。法拉第一次又一次地重复着实验，他注意到，由磁产生电流的必要条件是相对运动，他把这样产生的电流叫做感应电流。人们把法拉第由此总结出来的变化的磁场产生电流的规律，称为法拉第电磁感应规律。

法拉第的实验成功了。它说明，一根带电的导线，可以在它的周围产生磁场，这个磁场可以使磁针绕着导线转动。这是一个多么了不起的发现呀！在这以前，已经有许多科学家研究了自然界中的力，比如像万有引力、静电力和磁力，但是这些都表现为可以相互吸引的拉力，或者相互排斥的推力。而法拉第发现的力，是一种可以转动的力，多么不可思议！

然而，法拉第并没有就此止步，因为只有当磁棒在线圈中作往复运动的时候，才有电流感应出来，而磁棒的运动一停止，电流也就随之消失，他需要制造出稳定的电源来。因为法拉第成天跟伏打电池打交道，很清楚它的缺点，伏打电池很笨重，要产生强大的电流，必须用许多伏打电池，而且制造、搬运都很麻烦。更糟的是，伏打电池用不了多久就要更换。要是能用电磁感应原理制造出永久的稳定电源，那该多好！

两个月后，法拉第创造性地发明了变压器和发电机。虽然这还都是实验室的产物，还需要一个完善的过程，但这预告了电能够大规模地产生，并且输送到遥远的地方。电将从实验室走向工厂、矿山、农村，走进每一个家庭。

1931年，后人为纪念电磁感应发现100周年，在伦敦举行了盛大的庆祝活动。人们把法拉第的电磁感应称做他最伟大的发现——为人类打开了电能宝库。从此，人类迅速进入电气时代。

法拉第的名字被全世界传颂着，鲜花和荣誉向他飞来。法拉第没有上过大学，但世界各国赠给他的各种学位头衔达94个，几乎欧洲所有大学和研究机构都给过他学位证书和金质奖章。法拉第把所有的证书和奖章都收起来，连最亲近的朋友都没见过。他依旧围着围裙，在实验室里静静地进行着一个又一个新的研究。

他冒着生命的危险，证明了导体内外空间的区别；发明了贮存电的力法；发现了著名的电解定律……

1846年，由于他出色的贡献而获得伦福奖章和皇家奖章，在皇家学会的历史上，把两枚奖章授予同一个人，是罕见的。

法拉第的一生之所以能对科学作出如此巨大的贡献，除他的刻苦努力和富于创造精神外，更主要的是他具有唯物主义的物理观和辩证法思想。

法拉第说过：“自然科学家应当是这样一种人：他愿意倾听每一种意见，却要自己下决心做出判断。他应当不被表面现象所迷惑，不对每一种假设有偏爱，不属于任何学派，在学术上不盲从大师。他应该重事不重人。真理应当是他的首要目标。如果有了这些品质，再加上勤勉，那么他确实可以有希望走进自然的圣殿。”这就是法拉第为科学事业做出巨大贡献的真实写照。