電動機、發電機的鼻祖法拉第

陳仁政

當今世界，無處不“電”—電話、電燈，裝有發光二極管（LED）的衣褲鞋帽、童車和童椅，連小小的眼鏡也配上了用來驗鈔的紫光LED和用來照明的白光LED……在這個電氣時代，電動機與發電機是兩大“明星”。那么，電動機與發電機是怎么發明的呢？

電動機、發電機的源頭—奧斯特發現“電生磁”

“電”和“磁”，是我們非常熟悉的字眼。然而，它們之間是否有聯系呢？對于這一問題的研究直到19世紀才有重大進展。

古人發現的“頓牟掇芥”的電現象和“磁石引針”的磁現象，引發了人們的思考：電和磁之間究竟有沒有聯系？曾當過御醫的英國著名醫生、物理學家吉爾伯特在他1600年出版的巨著《論磁》中斷言，電和磁之間沒有因果關系。

在1731年7月的一次驚雷閃電之后，英國威克菲爾德的一名商人偶然發現他的新刀、叉、鋼針竟然有了磁性。意大利一家五金商店的鋼刀也出現過類似現象。1751年，美國物理學家富蘭克林偶然發現萊頓瓶（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個羅盤全部失靈……

“是電生的磁嗎？”這些現象，促使德國巴伐利亞電學研究院于1774年特地以《電力和磁力是否存在實際的物理相似性？》為題，進行有獎征文。但是，一直沒有人能給出滿意的答案。而在此時，法國物理學家庫侖等認為：“電就是電，磁就是磁，它們之間不可能有聯系。”

當然，人們對這個問題是要追尋到底的。例如，在1805年，兩位法國數學家、物理學家、化學家讓·尼古拉斯和查爾斯，就用一根絕緣繩把伏打電池掛起來，觀察它是不是也像磁針那樣在地球磁場中改變方向，但顯然不能得到正確的結果。

丹麥物理學家、化學家奧斯特受19世紀的一種科學思潮的影響，信奉德國哲學家、作家康德的哲學，認為自然界的各種力可以相互轉化，也可以統一。例如，他認為：“我們的物理學將不再是運動、熱、空氣、光、電、磁和我們所知的任何現象的零散匯總。我們將整個宇宙容納在一個體系之中。”所以，他也加入了實驗探索的隊伍。

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

1812年，奧斯特在發表的論文《關于化學定律的見解》中疑惑地寫道：“究竟電是不是以其最隱蔽的方式對磁體有作用……” 于是，找到“類似的作用”，就成了他的實驗內容。

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演示實驗。快下課了，他無意識地扳動電源開關的時候，偶然發現一枚放在細長鉑絲導線附近的小磁針輕微地晃動了一下，然后停在與導線垂直的方向上。此時，他既驚又喜—這不正是他多年企盼的電流能產生磁場的效應嗎？他竟激動得在講臺上摔了一跤，又連續試驗了幾次—包括把小磁針移得稍近或稍遠一些，都出現了類似的現象。

第二天，奧斯特和助手用20個伏打電池給導線通電，產生了更強的電流，對包括能在平面上自由旋轉的磁針、懸掛的能在空間自由旋轉的磁針，都進行了類似的實驗研究。結果表明，電流的確能產生磁場—連被玻璃、木材、水、樹脂和石頭等隔離，也不能阻擋這個磁場吸引小磁針。這就是著名的“電流的磁效應”，簡稱“電生磁”。后來，人們把它稱為“電磁學第一定律”。

電動機的發明

奧斯特發現“電生磁”之后，有一個遺憾，就是沒能以它來發明用電來驅動的、能連續轉動的裝置—電動機。

1821年9月3日，英國物理學家、化學家法拉第在重復奧斯特“電生磁”實驗的時候，制造出了人類史上第一臺最原始的電動機的雛形—一種在水銀杯中固定的磁鐵（或固定的導線）圍繞固定的通電導線（或固定的磁鐵）連續旋轉的裝置。

接下來就是電動機的誕生、完善和發展。

1828年，物理學家阿尼斯·杰德里克展示了他發明的世界上第一臺實用的電動機。這臺包含了3個主要組成部分（定子、轉子和換向器）的自激式電磁轉子旋轉直流電動機，采用水銀槽換向器、用永久磁鐵產生的固定磁場和旋轉繞組。這臺僅用于教學的電動機，后來存放在布達佩斯應用藝術博物館，現在仍能運轉。匈牙利和斯洛伐克把他譽為電動機和發電機的“幕后之父”。

發電機的發明

奧斯特發現“電生磁”之后，許多物理學家都在逆向思考：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，潛心設計過許多種類的“磁生電”裝置。其中有一個是這樣的：“在大的木制線軸上，繞著長203英尺（約62米）銅線的第一個線圈；在它的匝間，繞著同樣長度但用棉紗絕緣的第二個線圈。第一個線圈接電池，第二個線圈接電流表。”他試圖由第一個線圈通電后產生的磁場來使第二個線圈產生電流—由電流表的指針偏轉看出來。但是，無論他實驗多少次，也沒有看到期望的電流產生。

通電導線連續旋轉的裝置

從1822年開始的9年努力都失敗了，但是法拉第卻沒有灰心。

1831年8月29日，法拉第將電池加到100個。他在第一個線圈接通電池的一剎那間，偶然看到電流表指針動了一下，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。這時，他才恍然大悟。原來，以前實驗時都是接通電池后再去看電流表，此時第一個線圈電路的電流已處于穩定狀態，因而第二個線圈內的磁場不再發生變化，因而沒有電流產生。而這次實驗是接通電池的同時看電流表，這接通的一剎那，第一個線圈電路里的電流處于從無到有的變化，因而它產生的磁場也從無到有，進而引起第二個線圈內磁場發生從無到有的變化，最終產生“感生電流”—一種“電磁感應（現象）”，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電機。這個發電機，至今還作為皇家學會的珍貴科學遺物向公眾展出。

1832年，法國的儀器制造商希波特·皮克西根據法拉第發現的電磁感應原理，研制成功了一種安裝了兩個線圈的交流發電機，它是所有發電機的始祖。