作用非凡的發(fā)電機(jī)

吳桂明

我們已經(jīng)知道電流周圍存在磁場，通電導(dǎo)體在磁場中會(huì)受力而運(yùn)動(dòng)，科學(xué)家根據(jù)這一原理發(fā)明了電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用十分廣泛，在廣泛利用電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，你想到電動(dòng)機(jī)消耗的電能是從哪里來的嗎？實(shí)際上我們生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的電大多都是通過發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的，下面就讓我們一起來了解作用非凡的發(fā)電機(jī)。

一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象

英國物理學(xué)家法拉第經(jīng)過10年的探索，在1831年取得突破，發(fā)現(xiàn)了利用磁場也可以產(chǎn)生電流，進(jìn)一步揭示了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間的關(guān)系，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終領(lǐng)悟出利用磁場產(chǎn)生電流的規(guī)律：閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫作電磁感應(yīng)，所產(chǎn)生的電流叫作感應(yīng)電流。

例1（2015·武漢）如圖1是一種充電鞋的結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)人走動(dòng)時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使線圈中產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流進(jìn)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(yīng)現(xiàn)象

B.電流的磁效應(yīng)

C，磁極問的相互作用

D，通電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動(dòng)

解析：充電鞋是利用人走動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使線圈切割磁感線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，給鞋面上的充電電池充電，屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，故A正確；電流的磁效應(yīng)指的是通有電流的導(dǎo)線，可以在其周圍產(chǎn)生磁場的現(xiàn)象，與充電鞋原理無關(guān)，故B錯(cuò)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(guān)，故C錯(cuò)誤；通電線圈在磁場中受到力的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，是先由電流，與充電鞋原理無關(guān)，故D錯(cuò)誤。

答案：A

二、磁生電的條件

通過實(shí)驗(yàn)探究，在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，產(chǎn)生感應(yīng)電流需要同時(shí)具備三個(gè)條件：（1）閉合電路；（2）一部分導(dǎo)體；（3）切割磁感線運(yùn)動(dòng)。

以上三個(gè)條件需要說明的是：“閉合電路”指的是只有當(dāng)電路閉合時(shí)，才可能產(chǎn)生感應(yīng)電流，如果電路不是閉合的，即使一部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中也不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

“一部分導(dǎo)體”指的是只有讓閉合電路中的一部分導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，才能產(chǎn)生感應(yīng)電流，若是全部導(dǎo)體都在磁場中，就不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)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(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體AB和CD在磁場中都做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，但所處情況相同，且運(yùn)動(dòng)方向一致，產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)互相抵消，AD和BC段沒有切割磁感線，不產(chǎn)生電流，因此閉合電路ABCD中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

“切割磁感線運(yùn)動(dòng)”指的是導(dǎo)體與磁場的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即磁場靜止，導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，可以切割磁感線；反之，導(dǎo)體靜止，磁場運(yùn)動(dòng)，也可以切割磁感線，理解切割磁感線時(shí)，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(dǎo)體的一部分，不管鐮刀是水平運(yùn)動(dòng)，還是傾斜運(yùn)動(dòng)，都可以將小麥割掉，這就相當(dāng)于切割磁感線，但鐮刀豎直上下運(yùn)動(dòng)就不能割掉了，也就不叫切割磁感線了，也就是說導(dǎo)體不一定必須垂直切割磁感線，只要導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與磁感線不平行，即可稱為切割磁感線，就可以產(chǎn)生感應(yīng)電流。

感應(yīng)電流的方向與導(dǎo)體切割磁感線的運(yùn)動(dòng)方向和磁場方向都有關(guān)，若只改變其一時(shí)，感應(yīng)電流的方向發(fā)生改變，若二者同時(shí)改變，則感應(yīng)電流的方向不變。

例2（2015·福州）小華在探究怎樣產(chǎn)生感應(yīng)電流的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置。

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

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

（3）通過前兩步實(shí)驗(yàn)，可得出感應(yīng)電流的方向與____方向有關(guān)。

解析：（1）將磁體向右插入螺線管時(shí)，靈敏電流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明電路中產(chǎn)生了電流，（2）由于感應(yīng)電流的方向與導(dǎo)體切割磁感線的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，將磁體從螺線管中向左拔出，相對(duì)于磁體，螺線管向右運(yùn)動(dòng)，切割磁感線的導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向變化，產(chǎn)生的電流方向也變化，因此靈敏電流計(jì)的指針向左偏轉(zhuǎn)，（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(yùn)動(dòng)方向，產(chǎn)生的電流方向變化，由此可知感應(yīng)電流的方向與磁體運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。

答案：（1）電路中產(chǎn)生電流 （2）左 （3）磁體運(yùn)動(dòng)

三、發(fā)電機(jī)的發(fā)明及工作原理

法拉第實(shí)現(xiàn)了磁生電的夢想，接著繼續(xù)研究，經(jīng)過不斷努力于1831年9月23日發(fā)明了發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象的原理工作的，它的基本部件是磁體（定子）與線圈（轉(zhuǎn)子），當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈便會(huì)切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流的大小與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、磁場的強(qiáng)弱、線圈的匝數(shù)有關(guān)。

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

A.發(fā)電機(jī)的基本原理是通電導(dǎo)體在磁場中受力的作用

B.發(fā)電機(jī)的基本原理是電磁感應(yīng)

C.線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，感應(yīng)電流的大小不變

D.線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，感應(yīng)電流的方向不變

解析：發(fā)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的，在發(fā)電機(jī)工作時(shí)，發(fā)出的電是交流電，電流的大小和方向是時(shí)刻變化的，電動(dòng)機(jī)的基本原理是通電導(dǎo)體在磁場中受力的作用。

答案：B

電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的原理圖非常相似，主要區(qū)別是電路中是否有電源：電路中有電源的是電動(dòng)機(jī)，電是因，動(dòng)是果；電路中沒有電源的是發(fā)電機(jī)，動(dòng)是因，電是果。

責(zé)任編輯：蔡華杰