電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的鼻祖法拉第

陳仁政

當(dāng)今世界，無(wú)處不“電”—電話(huà)、電燈，裝有發(fā)光二極管（LED）的衣褲鞋帽、童車(chē)和童椅，連小小的眼鏡也配上了用來(lái)驗(yàn)鈔的紫光LED和用來(lái)照明的白光LED……在這個(gè)電氣時(shí)代，電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)是兩大“明星”。那么，電動(dòng)機(jī)與發(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”，是我們非常熟悉的字眼。然而，它們之間是否有聯(lián)系呢？對(duì)于這一問(wèn)題的研究直到19世紀(jì)才有重大進(jìn)展。

古人發(fā)現(xiàn)的“頓牟掇芥”的電現(xiàn)象和“磁石引針”的磁現(xiàn)象，引發(fā)了人們的思考：電和磁之間究竟有沒(méi)有聯(lián)系？曾當(dāng)過(guò)御醫(yī)的英國(guó)著名醫(yī)生、物理學(xué)家吉爾伯特在他1600年出版的巨著《論磁》中斷言，電和磁之間沒(méi)有因果關(guān)系。

在1731年7月的一次驚雷閃電之后，英國(guó)威克菲爾德的一名商人偶然發(fā)現(xiàn)他的新刀、叉、鋼針竟然有了磁性。意大利一家五金商店的鋼刀也出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似現(xiàn)象。1751年，美國(guó)物理學(xué)家富蘭克林偶然發(fā)現(xiàn)萊頓瓶（一種能貯電的裝置）放電之后，附近的縫紉針被磁化了。一艘航行在大西洋上的商船在一次雷電之后，3個(gè)羅盤(pán)全部失靈……

“是電生的磁嗎？”這些現(xiàn)象，促使德國(guó)巴伐利亞電學(xué)研究院于1774年特地以《電力和磁力是否存在實(shí)際的物理相似性？》為題，進(jìn)行有獎(jiǎng)?wù)魑摹５牵恢睕](méi)有人能給出滿(mǎn)意的答案。而在此時(shí)，法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵龅日J(rèn)為：“電就是電，磁就是磁，它們之間不可能有聯(lián)系。”

當(dāng)然，人們對(duì)這個(gè)問(wèn)題是要追尋到底的。例如，在1805年，兩位法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家讓·尼古拉斯和查爾斯，就用一根絕緣繩把伏打電池掛起來(lái)，觀察它是不是也像磁針那樣在地球磁場(chǎng)中改變方向，但顯然不能得到正確的結(jié)果。

丹麥物理學(xué)家、化學(xué)家?jiàn)W斯特受19世紀(jì)的一種科學(xué)思潮的影響，信奉德國(guó)哲學(xué)家、作家康德的哲學(xué)，認(rèn)為自然界的各種力可以相互轉(zhuǎn)化，也可以統(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、磁和我們所知的任何現(xiàn)象的零散匯總。我們將整個(gè)宇宙容納在一個(gè)體系之中。”所以，他也加入了實(shí)驗(yàn)探索的隊(duì)伍。

然而，奧斯特在導(dǎo)線前面放上磁針并給導(dǎo)線通電之后，磁針卻木然不動(dòng)—即使導(dǎo)線被強(qiáng)大的電流燒到紅熱甚至發(fā)光。

1812年，奧斯特在發(fā)表的論文《關(guān)于化學(xué)定律的見(jiàn)解》中疑惑地寫(xiě)道：“究竟電是不是以其最隱蔽的方式對(duì)磁體有作用……” 于是，找到“類(lèi)似的作用”，就成了他的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1820年4月21日晚，奧斯特同往常一樣，在哥本哈根給一些頗有教養(yǎng)的人講“伽伐尼電”。在助手的幫助下，用伏打電池給白金通電做電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)。快下課了，他無(wú)意識(shí)地扳動(dòng)電源開(kāi)關(guān)的時(shí)候，偶然發(fā)現(xiàn)一枚放在細(xì)長(zhǎng)鉑絲導(dǎo)線附近的小磁針輕微地晃動(dòng)了一下，然后停在與導(dǎo)線垂直的方向上。此時(shí)，他既驚又喜—這不正是他多年企盼的電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)的效應(yīng)嗎？他竟激動(dòng)得在講臺(tái)上摔了一跤，又連續(xù)試驗(yàn)了幾次—包括把小磁針移得稍近或稍遠(yuǎn)一些，都出現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象。

第二天，奧斯特和助手用20個(gè)伏打電池給導(dǎo)線通電，產(chǎn)生了更強(qiáng)的電流，對(duì)包括能在平面上自由旋轉(zhuǎn)的磁針、懸掛的能在空間自由旋轉(zhuǎn)的磁針，都進(jìn)行了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，電流的確能產(chǎn)生磁場(chǎng)—連被玻璃、木材、水、樹(shù)脂和石頭等隔離，也不能阻擋這個(gè)磁場(chǎng)吸引小磁針。這就是著名的“電流的磁效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱(chēng)“電生磁”。后來(lái)，人們把它稱(chēng)為“電磁學(xué)第一定律”。

電動(dòng)機(jī)的發(fā)明

奧斯特發(fā)現(xiàn)“電生磁”之后，有一個(gè)遺憾，就是沒(méi)能以它來(lái)發(fā)明用電來(lái)驅(qū)動(dòng)的、能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置—電動(dòng)機(jī)。

1821年9月3日，英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家法拉第在重復(fù)奧斯特“電生磁”實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，制造出了人類(lèi)史上第一臺(tái)最原始的電動(dòng)機(jī)的雛形—一種在水銀杯中固定的磁鐵（或固定的導(dǎo)線）圍繞固定的通電導(dǎo)線（或固定的磁鐵）連續(xù)旋轉(zhuǎn)的裝置。

接下來(lái)就是電動(dòng)機(jī)的誕生、完善和發(fā)展。

1828年，物理學(xué)家阿尼斯·杰德里克展示了他發(fā)明的世界上第一臺(tái)實(shí)用的電動(dòng)機(jī)。這臺(tái)包含了3個(gè)主要組成部分（定子、轉(zhuǎn)子和換向器）的自激式電磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)直流電動(dòng)機(jī)，采用水銀槽換向器、用永久磁鐵產(chǎn)生的固定磁場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)繞組。這臺(tái)僅用于教學(xué)的電動(dòng)機(jī)，后來(lái)存放在布達(dá)佩斯應(yīng)用藝術(shù)博物館，現(xiàn)在仍能運(yùn)轉(zhuǎn)。匈牙利和斯洛伐克把他譽(yù)為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的“幕后之父”。

發(fā)電機(jī)的發(fā)明

奧斯特發(fā)現(xiàn)“電生磁”之后，許多物理學(xué)家都在逆向思考：既然電能生磁，那么能不能“磁生電”呢？

法拉第就是其中之一。他的研究始于1822年，潛心設(shè)計(jì)過(guò)許多種類(lèi)的“磁生電”裝置。其中有一個(gè)是這樣的：“在大的木制線軸上，繞著長(zhǎng)203英尺（約62米）銅線的第一個(gè)線圈；在它的匝間，繞著同樣長(zhǎng)度但用棉紗絕緣的第二個(gè)線圈。第一個(gè)線圈接電池，第二個(gè)線圈接電流表。”他試圖由第一個(gè)線圈通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)使第二個(gè)線圈產(chǎn)生電流—由電流表的指針偏轉(zhuǎn)看出來(lái)。但是，無(wú)論他實(shí)驗(yàn)多少次，也沒(méi)有看到期望的電流產(chǎn)生。

通電導(dǎo)線連續(xù)旋轉(zhuǎn)的裝置

從1822年開(kāi)始的9年努力都失敗了，但是法拉第卻沒(méi)有灰心。

1831年8月29日，法拉第將電池加到100個(gè)。他在第一個(gè)線圈接通電池的一剎那間，偶然看到電流表指針動(dòng)了一下，接著就回到了原位。但電源接通以后，電流表指針一直不偏轉(zhuǎn)。這時(shí)，他才恍然大悟。原來(lái)，以前實(shí)驗(yàn)時(shí)都是接通電池后再去看電流表，此時(shí)第一個(gè)線圈電路的電流已處于穩(wěn)定狀態(tài)，因而第二個(gè)線圈內(nèi)的磁場(chǎng)不再發(fā)生變化，因而沒(méi)有電流產(chǎn)生。而這次實(shí)驗(yàn)是接通電池的同時(shí)看電流表，這接通的一剎那，第一個(gè)線圈電路里的電流處于從無(wú)到有的變化，因而它產(chǎn)生的磁場(chǎng)也從無(wú)到有，進(jìn)而引起第二個(gè)線圈內(nèi)磁場(chǎng)發(fā)生從無(wú)到有的變化，最終產(chǎn)生“感生電流”—一種“電磁感應(yīng)（現(xiàn)象）”，即“磁生電”。

法拉第在1831年10月17日制成了磁生電的裝置—圓筒形線圈和磁棒組成的原始發(fā)電機(jī)。這個(gè)發(fā)電機(jī)，至今還作為皇家學(xué)會(huì)的珍貴科學(xué)遺物向公眾展出。

1832年，法國(guó)的儀器制造商希波特·皮克西根據(jù)法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)原理，研制成功了一種安裝了兩個(gè)線圈的交流發(fā)電機(jī)，它是所有發(fā)電機(jī)的始祖。