交流电是怎么来的?
每天我们都离不开电,我们也知道家用电是从发电厂发出来的。但是发电厂是如何发电的呢?是谁第一个发现了这个原理呢?要了解这些,我们首先要从一个人物法拉第说起
每天我们都离不开电,我们也知道家用电是从发电厂发出来的。但是发电厂是如何发电的呢?是谁第一个发现了这个原理呢?要了解这些,我们首先要从一个人物法拉第说起。
丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应之后,英国物理学家法拉第就想到:既然电流能够产生磁场,那么反过来,磁场是否能够产生电流呢?因为在法拉第的时代,人们用电都是使用锌、铜和盐水制作的伏打电池,这种电池制作麻烦,电压小,发的电不适于普通人使用。但是自然界的磁铁资源非常丰富,如果使用磁铁发电,那么电就能进入千家万户了。
法拉第为了这个理想进行了艰苦的实验,他最初的想法是将一块磁铁放在螺线管中,期待着电路中产生电流,但是一直没有获得成功。终于,在1831年法拉第的实验获得了突破:他发现:只有在磁铁插入或者拔出螺线管的过程中,电路中才会产生电流。
我们用现代的方法可以把法拉第的实验等效成上面的情况:用一个螺线管连接电流表,将一根磁铁插入螺线管的过程中,电流表就会产生示数。而且,插入的速度越快,电流表指针的偏转就越大。同样,在磁铁拔出螺线管的过程中,电流表指针也会偏转,只是方向相反。但是,如果磁铁在螺线管中保持静止不动,电路中就没有电流产生了。
法拉第终于明白:只有在运动和变化的过程中,磁铁才能够产生电流。法拉第将他的发现总结成五种情况,其中应用在现代发电机的情况是:在磁场中切割磁感线的导体可以产生电流。
比如:我们将一根导线与电流表相连,并且使得导线向右运动,这样导线就好像切韭菜的刀一样切断了磁感线,电路中就会出现电流。而且我们可以使用右手定则判断电流的方向:如果磁感线穿过右手的手心,大拇指指向导线运动的方向,那么右手四指的方向就是产生的电流方向。
按照这个原理,法拉第制作了早期的发电机:让一个金属圆盘在一块马蹄形磁铁之间转动,由于金属圆盘的每一条半径都可以看作切割磁感线的导体,因此圆盘中心和边缘之间就会形成电流。
法拉第制作了发电机之后,英国财政大臣问他:你发现的这些东西很有趣,但是,它有什么用呢?法拉第回答道:哦,阁下,也许过不了多久,你就会对它收税了。果然,现在电已经成了我们生活必不可少的一部分,谁家用电不交钱呢?
早期的发电机,产生的都是直流电。所谓直流电就是电流方向不发生变化的电流。现在我们的家用电都是交流电,所谓交流电就是方向周期性变化的电流。
具体来说,两孔插座中有一根线称为“零线”,零线电压与大地相同,所以触摸零线不会触电。另一根线称为火线,火线电压一会儿比大地高,一会儿比大地低。由于电流从高电压流向低电压,所以电流有时候从火线流过用电器再流回零线,有时候从零线流过用电器再流回火线,每个周期是1/50s,称为50Hz的交流电。交流电与直流电相比最大的优点就是改变电压十分方便,从而可以进行高压传输以减小损耗。
那么,这种交流电又是如何产生的呢?
交流电可以通过一个线圈在磁场中转动产生。比如图中这种情况:在线圈旋转时,右侧导线向上运动,根据右手定则,产生的交流电从c流向d;左侧导线向下运动,产生的交流电从a流向b,所以整个电路中的电流流向是cdab方向。在线圈外端通过两个电刷与外部电路相连,于是电流就可以通过电刷从上向下流过灯泡。
半个周期之后,线圈旋转半周,ab与cd交换位置,电流方向就会变为badc,这样一来,电流就会从下向上流过灯泡。于是就形成了交流电。如果线圈匀速转动,就形成了正弦交流电。
也就是说,只要能让线圈与磁铁发生相对转动,就可以产生电流。在现代发电机中,旋转的其实不是线圈,而是磁铁,称为转子。而线圈是不动的,称为定子。同时,出于工程商的需要,发电机线圈有三组,任意两组线圈都夹60度角。
这样一来,当磁铁在线圈中匀速转动时,三组线圈中分别产生三个正弦交流电,而且每一个都比前一个滞后1/3周期。
这三个交流电会具有共同的零线(中性线)和不同的火线(输出线)。在供电时,如果我们把某个火线和零线接入用电器,就是家用电220V, 如果我们把两根火线接入用电器,就变成了工业用电380V。
那么, 我们如何才能使得线圈或磁铁转动呢?这就取决于发电机的种类。水力发电机是靠水的冲击使得涡轮机转动,风力发电机是靠扇叶使发电机转动,火力发电机是靠燃烧加热水蒸气推动涡轮机。这个过程需要消耗外界的能量。总之,发电机就是把其他形式能量转化成电能的机器。
发电机被发明之后,各种用电器如雨后春笋般出现,人类由此进入了电气时代。
我们还要再谈谈法拉第——这个奖人类带入电器时代的人。法拉第生于一个铁匠家庭,由于家庭贫困,他只上了两年小学就辍学了,成为了一名订书匠的学徒。不过,这份工作让他接触到了大量的图书,接触了普通人无法接触到的各种文献,他被科学深深地迷住了。
在书店里一位老主顾的帮助下,20岁的法拉第有幸聆听了化学家戴维的演讲。他还把整理好的演讲记录写信邮寄给戴维,并表示自己愿意为科学献身的想法。
戴维看过法拉第的简历之后对他说:“年轻人我要告诉你,科学是很辛苦的,而且没有多少回报。”
法拉第回答道:“我认为科学本身就是一种回报。”
戴维被感动了,法拉第终于成为了戴维实验室的一名助手,他的科学梦想从戴维实验室开始成为了现实。后来,法拉第在物理、化学方面都取得了惊人的成就,成为了那个时代最伟大的科学家。
法拉第还是一位品德高尚的人。由于自己早年的经历,他非常重视对年轻学者的培养,并且鼓励了一批如麦克斯韦一样的科学巨匠。他拒绝了对自己的封爵,还两次拒绝成为皇家科学会会长,并表示不愿安葬在西敏寺——牛顿等人的长眠地。于是,人们,将他安葬在其他墓园,却在西敏寺牛顿的墓碑旁树立他的纪念碑。
朋友们好,我是电子及工控技术,我来回答这个问题。我们所用的电分为直流电和交流电,在现实生产和生活中使用交流电的场合随处可见,比如现在电力系统的传输、家里使用的照明电路、工厂电气设备所用的电大都是交流电。交流电是如何得到的,这要从发电厂的源头说起。
我们知道发电厂发出的电是三相交流电,这个交流电是由三相交流发电机发出来的,当然在一定的场合中也会用到单相交流发电机,我记得小时候经常会看露天电影,有时在电影放映过程中突然会停电,这时放映员会使用发电机发电,就可以继续看电影了,当时用的发电机就属于单相发电机。
不管是单相发电机,还是三相发电机,它们都是采用电磁感应原理进行工作的。接下来我们分析一下交流发电机的工作过程就会明白交流电是如何产生的了。我们常见的发电机和电动机是非常类似的,它们也是由定子、转子以及轴承和端盖等部分组成。
发电机定子的作用是用来产生交流电的,它由铁芯、绕组和机座等固定的部件组成;转子是由转子铁芯、转子绕组、滑环等部件构成,在发电机中,转子的作用是产生磁场的,它安装在定子的里面,如下图所示。
转子在外力的作用下,比如我们说的水力发电、火力发电、风能发电、核能发电等,它们都是通过水轮机、蒸汽机等带动发电机的转子,使转子在发电机定子中旋转,在旋转的过程中就相当于定子切割磁力线运动,就产生了电压,然后我们再通过接线端子引出电线,就产生了电流了。
由于三相交流发电机中的定子是由三相绕组构成,每相绕组都相隔120度,接成Y形状,这样定子的三相绕组就产生了相互相差120度的电压,又由于转子在机械装置的带动下做旋转运动,因此三相绕组就产生了三相交流电了,示意图如下图所示。
从三根绕组中引出的线,我们叫火线,分别称为A、B、C。从发电机转子的绕组公共端引出的线我们叫零线,称为N线。火线之间是380V的电压,而零线与火线之间是220V的电压,其示意图如下图所示。
其实,交流电又可分为正弦交流电和非正弦交流电,对于非正弦的交流电一般有锯齿波形状的、矩形波状的等等,这些非正弦的交流电一般都是通过特殊的处理方式得到的,一般用在特殊的场合。以上就是我对这个问题的简单看法,欢迎朋友们分享讨论,感谢点赞。
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