今日精彩分享摘自入选“科学少年子书单”的《科技史笔记·无形力场》。书中用精彩的故事、古老的图片和对科学原理的解读详细讲述继火之后，电是如何成为人类掌握的第二种伟大力量的来龙去脉。

第三章

动磁生电

功率上不去，

永磁发电机为何遭遇发展瓶颈？

3.3

1831年，法拉第用圆盘发电机展示了电磁感应。当手柄持续转动的时候，电流表的指针也保持着偏转，这意味着电可以由运动做功源源不断地转化而来。“动磁生电”，继静电起电机和伏打电池后，人类找到了第三种产生电的途径。人类对于动能的掌握已经非常熟练，骡马、风、水，以及刚刚出现一个世纪的蒸汽机都能提供大量的动能。

于是人们对电磁应用研发的热情被重新点燃。

不过人们马上发现，圆盘发电机并没有太大的应用价值，因为它产生的电有个问题——电压太低。今天我们在其复制模型上测量出的结果是几十毫伏的级别，这是一个单元的伏打电池电压的几十分之一。

在抛出圆盘发电机模型后，对于商业应用不感兴趣的法拉第转身回到了实验室。这时候，在海峡的另一边，“巨人”安培身后的一个“小人物”站了出来——仪器制造商皮克西(Hippolyte Pixii,1808—1835)。可以说皮克西是安培的合作伙伴，没有他提供的制作精良的实验仪器，安培难以快速建立自己的电动力学。

仅仅在法拉第宣读论文的几个月之后，皮克西就在巴黎展示了他的新式发电机。（如图1所示）

图1 皮克西的发电机

（带换向器，1833年）

皮克西将一个马蹄形磁铁垂直地装在一根转轴上，并在其上方固定了两个串联的线圈。转动手柄后马蹄形磁铁就快速旋转起来，导致上方的线圈中磁通量不断变化，或者按照法拉第的说法 “线圈导线切割了磁力线”，于是在线圈中就产生了感应电流。

不过皮克西发现，他的发电机产生的电跟法拉第的圆盘发电机产生的电不一样，他的发电机产生的电有点“奇怪”——电流表的指针不是偏向某一边，而是不停摆动。于是他向安培求助。

安培研究后得出结论：皮克西发电机发出的电其极性在一个周期内会变化一次，现在我们知道这就是交流电（如图2所示）。不过在当时，交流电是没用的，人们追求的是伏打电池那种电，即直流电，而法拉第的圆盘发电机发出的也正是直流电。

图2 皮克西的发电机原理图

在安培的帮助下，皮克西设计出了一个叫作换向器(Commutator)的装置，将极性相反部分的电“掰正”了。

换向器由围绕在转轴上的两片互相隔离的铜片组成。电刷A和B分别连接两个发电线圈，而电刷p和n连接外部电路。p代表正极，而n代表负极。

我们将铜片展开后可以较为直观地理解换向器的工作过程。一开始，换向器处于0°位置时，电刷A和p接通，而B和n接通；当转轴转过180°时，绝缘带也转了180°，此时电刷A与n接通，而B与p接通，这样每转一圈，输出端电极与电刷的连接顺序也对调一次，恰好抵消了螺线管中电流的极性变化（如图3所示）。

图3 安培—皮克西换向器原理图

1834年，另一名伦敦的仪器制造商克拉克(E. M.Clarke)推出了一个皮克西发电机的“改版”。克拉克使用了相反的做法，他将磁铁固 定，而将线圈旋转（如图4右图所示）。不仅如此，他还有了一个重要发现——改变线圈匝数就能改变输出电压的大小。

图4 左图为 Saxton发电机

右图是克拉克发电机

线圈分别在磁铁正面和侧面

伏打原电池一对铜锌单元的电压大约是1.1V，因此要想得到几十伏的电压，需要大量的铜锌单元串联，这会导致很大的成本和体积。而克拉克发电机通过增加绕线就能实现电压的提高，因此他做到了按照用户需求定制电压。为此他成立了一个公司，专门为科学实验生产发电机。克拉克获得了商业成功，而这种小型的手摇发电机也在全世界流行开来。

不过，这些手摇发电机用来做实验尚可，但是用来搞生产就力不从心了，因此必须找到增加电力的方法。

一个“简单粗暴”的方案就是增加磁极和线圈的数量。尽管这个想法从原理上不难，但数量的简单堆砌实现起来可不那么简单，这会引起发电机结构的复杂度大幅增加，尤其是绕组和换向器的设计。以至于九年后，才有实际的机器被制造出来。

1843年，莱比锡的一位机械工施特尔(Stoehrer)制造了一个6极发电机，他使用了3个马蹄形磁铁和6个线圈，不过它依然是手摇的（如图 5、6所示）。

图5 施特尔发电机实物图

图6 施特尔发电机

比利时人诺莱(Floris Nollet，1794—1853)也许是第一个尝试制造大功率发电机的人，但是他没有完成发电机的制造就去世了。英国人福尔摩斯(Frederick Hale Holmes，1812—?)继续了他的工作，他相信发电机可以取代化学电池，于是开始了数年的研发。最终制成的机器使用了36个马蹄形磁铁，重达2吨。这台发电机由蒸汽机驱动，转速为每分钟600转，输出功率达到了1.5kW。

法拉第作为咨询顾问参与了机器试验，他对于这台发电机的性能给出了相当正面的评价。人类终于有了第一台达到实用级别的发电机（如图7所示）。

图7 福尔摩斯发电机

（左上装置是一盏弧光灯）

尽管福尔摩斯发电机的输出功率达到了千瓦级别，已经具备了实用价值，但是从功率自重比这个指标来看，它的性能还不如马匹。福尔摩斯发电机的功率自重比为0.75W/kg，而一匹中型驮马的这个指标约为1W/kg。其重要限制因素在于磁铁的数量太多，这意味着有效提高功率自重比指标必须找到更强的磁场，然而磁性材料的进步却非常缓慢。

可喜的是，还有一个现成的答案，这就是电磁铁。

1860年，年仅19岁的意大利人，数学系毕业生帕奇诺蒂(Antonio Pacinotti,1841—1912)制作了一台发电机模型，他用电磁铁替换掉了之前发电机中使用的永磁铁（如图8所示）。

图8 帕奇诺蒂的发电机

不仅如此，帕奇诺蒂还发明了环形电枢，他将多组 线圈绕制在一个圆环上（如图9所示）。绕线圈的外侧可以更有效地切割磁力线，相当于单根导线的n倍。不过要注意到线圈内侧导线却是起反效果的，但是由于线圈内侧磁感应强度大大低于外侧，因此总效果为正。

图9 帕奇诺蒂的环形电枢

以及线圈切割磁力线示意图

不过帕奇诺蒂的发明却引出了一个问题，他的电磁铁是用化学电池供电的，而人们要解决的问题正是要用发电机代替化学电池！

要想多发电需要增强磁场，因此我们用上了电磁铁，而电磁铁要工作必须先有电源供电。这似乎是一个“先有鸡，还是先有蛋”式的死结。

电磁之力又一次可望而不可即。

（以上内容摘自《科技史笔记·无形力场》）

张皓 著

2023年1月

电子工业出版社

科学照进未来