作用非凡的發電機

吳桂明

我們已經知道電流周圍存在磁場，通電導體在磁場中會受力而運動，科學家根據這一原理發明了電動機，電動機在生產生活中應用十分廣泛，在廣泛利用電動機的時候，你想到電動機消耗的電能是從哪里來的嗎？實際上我們生活和工農業生產中使用的電大多都是通過發電機產生的，下面就讓我們一起來了解作用非凡的發電機。

一、電磁感應現象

英國物理學家法拉第經過10年的探索，在1831年取得突破，發現了利用磁場也可以產生電流，進一步揭示了電現象和磁現象之間的關系，經過反復實驗，最終領悟出利用磁場產生電流的規律：閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，導體中就會產生電流，這種現象叫作電磁感應，所產生的電流叫作感應電流。

例1（2015·武漢）如圖1是一種充電鞋的結構示意圖，當人走動時，會驅動磁性轉子旋轉，使線圈中產生電流，產生的電流進入鞋面上鋰聚合物電池，這種充電鞋的工作原理是（ ）。

A.電磁感應現象

B.電流的磁效應

C，磁極問的相互作用

D，通電線圈在磁場中受力轉動

解析：充電鞋是利用人走動時，驅動磁性轉子旋轉，使線圈切割磁感線，從而產生感應電流，給鞋面上的充電電池充電，屬于電磁感應現象，故A正確；電流的磁效應指的是通有電流的導線，可以在其周圍產生磁場的現象，與充電鞋原理無關，故B錯誤；磁極間的相互作用指的是同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引，與充電鞋原理無關，故C錯誤；通電線圈在磁場中受到力的作用而轉動，是先由電流，與充電鞋原理無關，故D錯誤。

答案：A

二、磁生電的條件

通過實驗探究，在電磁感應現象中，產生感應電流需要同時具備三個條件：（1）閉合電路；（2）一部分導體；（3）切割磁感線運動。

以上三個條件需要說明的是：“閉合電路”指的是只有當電路閉合時，才可能產生感應電流，如果電路不是閉合的，即使一部分導體做切割磁感線運動，導體中也不會產生感應電流。

“一部分導體”指的是只有讓閉合電路中的一部分導體切割磁感線運動時，才能產生感應電流，若是全部導體都在磁場中，就不會產生感應電流，如圖2所示，閉合電路ABCD全部置于垂直于紙面向里的磁場中（“×”表示垂直于紙面向里的磁感線），以速度v向右運動，導體AB和CD在磁場中都做切割磁感線運動，但所處情況相同，且運動方向一致，產生的感應電流會互相抵消，AD和BC段沒有切割磁感線，不產生電流，因此閉合電路ABCD中不會產生感應電流。

“切割磁感線運動”指的是導體與磁場的相對運動，即磁場靜止，導體運動，可以切割磁感線；反之，導體靜止，磁場運動，也可以切割磁感線，理解切割磁感線時，我們可以想象為用鐮刀割麥子，將麥田里直立長著的一株株小麥看成磁場中上下方向的磁感線，把割麥子用的鐮刀看成是導體的一部分，不管鐮刀是水平運動，還是傾斜運動，都可以將小麥割掉，這就相當于切割磁感線，但鐮刀豎直上下運動就不能割掉了，也就不叫切割磁感線了，也就是說導體不一定必須垂直切割磁感線，只要導體運動方向與磁感線不平行，即可稱為切割磁感線，就可以產生感應電流。

感應電流的方向與導體切割磁感線的運動方向和磁場方向都有關，若只改變其一時，感應電流的方向發生改變，若二者同時改變，則感應電流的方向不變。

例2（2015·福州）小華在探究怎樣產生感應電流的實驗中，設計了如圖3所示的實驗裝置。

（1）將磁體向右插入螺線管中時，觀察到靈敏電流計的指針向右偏轉，由此可知____。

（2）將磁體從螺線管中向左拔出時，會觀察到靈敏電流計的指針向____（填“左”或“右”）偏轉。

（3）通過前兩步實驗，可得出感應電流的方向與____方向有關。

解析：（1）將磁體向右插入螺線管時，靈敏電流計的指針發生偏轉，說明電路中產生了電流，（2）由于感應電流的方向與導體切割磁感線的運動方向有關，將磁體從螺線管中向左拔出，相對于磁體，螺線管向右運動，切割磁感線的導體的運動方向變化，產生的電流方向也變化，因此靈敏電流計的指針向左偏轉，（3）在上面（1）（2）中，將磁體從螺線管中向右插入、向左拔出，磁場的方向不變，改變的是磁體的運動方向，產生的電流方向變化，由此可知感應電流的方向與磁體運動方向有關。

答案：（1）電路中產生電流 （2）左 （3）磁體運動

三、發電機的發明及工作原理

法拉第實現了磁生電的夢想，接著繼續研究，經過不斷努力于1831年9月23日發明了發電機，發電機是利用電磁感應現象的原理工作的，它的基本部件是磁體（定子）與線圈（轉子），當轉子轉動時，線圈便會切割磁感線而產生感應電流，因此發電機是把機械能轉化為電能的裝置，發電機產生電流的大小與轉子的轉速、磁場的強弱、線圈的匝數有關。

例3（2015·成都）如圖4所示為發電機的工作原理圖，下列說法中正確的是（ ）。

A.發電機的基本原理是通電導體在磁場中受力的作用

B.發電機的基本原理是電磁感應

C.線圈在轉動過程中，感應電流的大小不變

D.線圈在轉動過程中，感應電流的方向不變

解析：發電機是利用電磁感應現象制成的，在發電機工作時，發出的電是交流電，電流的大小和方向是時刻變化的，電動機的基本原理是通電導體在磁場中受力的作用。

答案：B

電動機和發電機的原理圖非常相似，主要區別是電路中是否有電源：電路中有電源的是電動機，電是因，動是果；電路中沒有電源的是發電機，動是因，電是果。

責任編輯：蔡華杰