家用电是怎么产生的？从法拉第说起

我们每天都离不开电，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。

一.电磁感应现象

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，发出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，而英国财政大臣对发电机的用途表示怀疑。他问法拉第：你的发明很有趣，但是它有什么用呢？

法拉第说：阁下，也许你很快就能对它收税了。

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？

二.直流电和交流电

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c-d-a-b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b-a-d-c，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，如果我们把一根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。

三.没上过学的科学巨匠

我们还要再谈谈法拉第——这个将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，并表示了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了他的纪念碑。

顺便一说，他的入门恩师戴维也是一位著名化学家，人们认为戴维最大的贡献就是发现了法拉第……

来源：李永乐老师

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