10个“发明之父”之六 电动机、发电机的鼻祖法拉第

　　当今世界，无处不“电”—电话、电灯，装有发光二极管（LED）的衣裤鞋帽、童车和童椅，连小小的眼镜也配上了用来验钞的紫光LED和用来照明的白光LED……在这个电气时代，电动机与发电机是两大“明星”。那么，电动机与发电机是怎么发明的呢？

　　电动机、发电机的源头—奥斯特发现“电生磁”

　　“电”和“磁”，是我们非常熟悉的字眼。然而，它们之间是否有联系呢？对于这一问题的研究直到19世纪才有重大进展。

　　古人发现的“顿牟掇芥”的电现象和“磁石引针”的磁现象，引发了人们的思考：电和磁之间究竟有没有联系？曾当过御医的英国著名医生、物理学家吉尔伯特在他1600年出版的巨著《论磁》中断言，电和磁之间没有因果关系。

　　在1731年7月的一次惊雷闪电之后，英国威克菲尔德的一名商人偶然发现他的新刀、叉、钢针竟然有了磁性。意大利一家五金商店的钢刀也出现过类似现象。1751年，美国物理学家富兰克林偶然发现莱顿瓶（一种能贮电的装置）放电之后，附近的缝纫针被磁化了。一艘航行在大西洋上的商船在一次雷电之后，3个罗盘全部失灵……

　　“是电生的磁吗？”这些现象，促使德国巴伐利亚电学研究院于1774年特地以《电力和磁力是否存在实际的物理相似性？》为题，进行有奖征文。但是，一直没有人能给出满意的答案。而在此时，法国物理学家库仑等认为：“电就是电，磁就是磁，它们之间不可能有联系。”

　　当然，人们对这个问题是要追寻到底的。例如，在1805年，两位法国数学家、物理学家、化学家让·尼古拉斯和查尔斯，就用一根绝缘绳把伏打电池挂起来，观察它是不是也像磁针那样在地球磁场中改变方向，但显然不能得到正确的结果。

　　丹麦物理学家、化学家奥斯特受19世纪的一种科学思潮的影响，信奉德国哲学家、作家康德的哲学，认为自然界的各种力可以相互转化，也可以统一。例如，他认为：“我们的物理学将不再是运动、热、空气、光、电、磁和我们所知的任何现象的零散汇总。我们将整个宇宙容纳在一个体系之中。”所以，他也加入了实验探索的队伍。

　　然而，奥斯特在导线前面放上磁针并给导线通电之后，磁针却木然不动—即使导线被强大的电流烧到红热甚至发光。

　　1812年，奥斯特在发表的论文《关于化学定律的见解》中疑惑地写道：“究竟电是不是以其最隐蔽的方式对磁体有作用……”于是，找到“类似的作用”，就成了他的实验内容。

　　1820年4月21日晚，奥斯特同往常一样，在哥本哈根给一些颇有教养的人讲“伽伐尼电”。在助手的帮助下，用伏打电池给白金通电做电学演示实验。快下课了，他无意识地扳动电源开关的时候，偶然发现一枚放在细长铂丝导线附近的小磁针轻微地晃动了一下，然后停在与导线垂直的方向上。此时，他既惊又喜—这不正是他多年企盼的电流能产生磁场的效应吗？他竟激动得在讲台上摔了一跤，又连续试验了几次—包括把小磁针移得稍近或稍远一些，都出现了类似的现象。

　　第二天，奥斯特和助手用20个伏打电池给导线通电，产生了更强的电流，对包括能在平面上自由旋转的磁针、悬挂的能在空间自由旋转的磁针，都进行了类似的实验研究。结果表明，电流的确能产生磁场—连被玻璃、木材、水、树脂和石头等隔离，也不能阻挡这个磁场吸引小磁针。这就是著名的“电流的磁效应”，简称“电生磁”。后来，人们把它称为“电磁学第一定律”。

　　电动机的发明

　　奥斯特发现“电生磁”之后，有一个遗憾，就是没能以它来发明用电来驱动的、能连续转动的装置—电动机。

　　1821年9月3日，英国物理学家、化学家法拉第在重复奥斯特“电生磁”实验的时候，制造出了人类史上第一台最原始的电动机的雏形—一种在水银杯中固定的磁铁（或固定的导线）围绕固定的通电导线（或固定的磁铁）连续旋转的装置。

　　接下来就是电动机的诞生、完善和发展。

　　1828年，物理学家阿尼斯·杰德里克展示了他发明的世界上第一台实用的电动机。这台包含了3个主要组成部分（定子、转子和换向器）的自激式电磁转子旋转直流电动机，采用水银槽换向器、用永久磁铁产生的固定磁场和旋转绕组。这台仅用于教学的电动机，后来存放在布达佩斯应用艺术博物馆，现在仍能运转。匈牙利和斯洛伐克把他誉为电动机和发电机的“幕后之父”。

　　发电机的发明

　　奥斯特发现“电生磁”之后，许多物理学家都在逆向思考：既然电能生磁，那么能不能“磁生电”呢？

　　法拉第就是其中之一。他的研究始于1822年，潜心设计过许多种类的“磁生电”装置。其中有一个是这样的：“在大的木制线轴上，绕着长203英尺（约62米）铜线的第一个线圈；在它的匝间，绕着同样长度但用棉纱绝缘的第二个线圈。第一个线圈接电池，第二个线圈接电流表。”他试图由第一个线圈通电后产生的磁场来使第二个线圈产生电流—由电流表的指针偏转看出来。但是，无论他实验多少次，也没有看到期望的电流产生。

　　通电导线连续旋转的装置

　　从1822年开始的9年努力都失败了，但是法拉第却没有灰心。

　　1831年8月29日，法拉第将电池加到100个。他在第一个线圈接通电池的一刹那间，偶然看到电流表指针动了一下，接着就回到了原位。但电源接通以后，电流表指针一直不偏转。这时，他才恍然大悟。原来，以前实验时都是接通电池后再去看电流表，此时第一个线圈电路的电流已处于稳定状态，因而第二个线圈内的磁场不再发生变化，因而没有电流产生。而这次实验是接通电池的同时看电流表，这接通的一刹那，第一个线圈电路里的电流处于从无到有的变化，因而它产生的磁场也从无到有，进而引起第二个线圈内磁场发生从无到有的变化，最终产生“感生电流”—一种“电磁感应（现象）”，即“磁生电”。

　　法拉第在1831年10月17日制成了磁生电的装置—圆筒形线圈和磁棒组成的原始发电机。这个发电机，至今还作为皇家学会的珍贵科学遗物向公众展出。

　　1832年，法国的仪器制造商希波特·皮克西根据法拉第发现的电磁感应原理，研制成功了一种安装了两个线圈的交流发电机，它是所有发电机的始祖。

　　□陈仁政

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