作用非凡的发电机

吴桂明

我们已经知道电流周围存在磁场，通电导体在磁场中会受力而运动，科学家根据这一原理发明了电动机，电动机在生产生活中应用十分广泛，在广泛利用电动机的时候，你想到电动机消耗的电能是从哪里来的吗？实际上我们生活和工农业生产中使用的电大多都是通过发电机产生的，下面就让我们一起来了解作用非凡的发电机。

一、电磁感应现象

英国物理学家法拉第经过10年的探索，在1831年取得突破，发现了利用磁场也可以产生电流，进一步揭示了电现象和磁现象之间的关系，经过反复实验，最终领悟出利用磁场产生电流的规律：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫作电磁感应，所产生的电流叫作感应电流。

例1（2015·武汉）如图1是一种充电鞋的结构示意图，当人走动时，会驱动磁性转子旋转，使线圈中产生电流，产生的电流进入鞋面上锂聚合物电池，这种充电鞋的工作原理是（ ）。

A.电磁感应现象

B.电流的磁效应

C，磁极问的相互作用

D，通电线圈在磁场中受力转动

解析：充电鞋是利用人走动时，驱动磁性转子旋转，使线圈切割磁感线，从而产生感应电流，给鞋面上的充电电池充电，属于电磁感应现象，故A正确；电流的磁效应指的是通有电流的导线，可以在其周围产生磁场的现象，与充电鞋原理无关，故B错误；磁极间的相互作用指的是同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引，与充电鞋原理无关，故C错误；通电线圈在磁场中受到力的作用而转动，是先由电流，与充电鞋原理无关，故D错误。

答案：A

二、磁生电的条件

通过实验探究，在电磁感应现象中，产生感应电流需要同时具备三个条件：（1）闭合电路；（2）一部分导体；（3）切割磁感线运动。

以上三个条件需要说明的是：“闭合电路”指的是只有当电路闭合时，才可能产生感应电流，如果电路不是闭合的，即使一部分导体做切割磁感线运动，导体中也不会产生感应电流。

“一部分导体”指的是只有让闭合电路中的一部分导体切割磁感线运动时，才能产生感应电流，若是全部导体都在磁场中，就不会产生感应电流，如图2所示，闭合电路ABCD全部置于垂直于纸面向里的磁场中（“×”表示垂直于纸面向里的磁感线），以速度v向右运动，导体AB和CD在磁场中都做切割磁感线运动，但所处情况相同，且运动方向一致，产生的感应电流会互相抵消，AD和BC段没有切割磁感线，不产生电流，因此闭合电路ABCD中不会产生感应电流。

“切割磁感线运动”指的是导体与磁场的相对运动，即磁场静止，导体运动，可以切割磁感线；反之，导体静止，磁场运动，也可以切割磁感线，理解切割磁感线时，我们可以想象为用镰刀割麦子，将麦田里直立长着的一株株小麦看成磁场中上下方向的磁感线，把割麦子用的镰刀看成是导体的一部分，不管镰刀是水平运动，还是倾斜运动，都可以将小麦割掉，这就相当于切割磁感线，但镰刀竖直上下运动就不能割掉了，也就不叫切割磁感线了，也就是说导体不一定必须垂直切割磁感线，只要导体运动方向与磁感线不平行，即可称为切割磁感线，就可以产生感应电流。

感应电流的方向与导体切割磁感线的运动方向和磁场方向都有关，若只改变其一时，感应电流的方向发生改变，若二者同时改变，则感应电流的方向不变。

例2（2015·福州）小华在探究怎样产生感应电流的实验中，设计了如图3所示的实验装置。

（1）将磁体向右插入螺线管中时，观察到灵敏电流计的指针向右偏转，由此可知____。

（2）将磁体从螺线管中向左拔出时，会观察到灵敏电流计的指针向____（填“左”或“右”）偏转。

（3）通过前两步实验，可得出感应电流的方向与____方向有关。

解析：（1）将磁体向右插入螺线管时，灵敏电流计的指针发生偏转，说明电路中产生了电流，（2）由于感应电流的方向与导体切割磁感线的运动方向有关，将磁体从螺线管中向左拔出，相对于磁体，螺线管向右运动，切割磁感线的导体的运动方向变化，产生的电流方向也变化，因此灵敏电流计的指针向左偏转，（3）在上面（1）（2）中，将磁体从螺线管中向右插入、向左拔出，磁场的方向不变，改变的是磁体的运动方向，产生的电流方向变化，由此可知感应电流的方向与磁体运动方向有关。

答案：（1）电路中产生电流 （2）左 （3）磁体运动

三、发电机的发明及工作原理

法拉第实现了磁生电的梦想，接着继续研究，经过不断努力于1831年9月23日发明了发电机，发电机是利用电磁感应现象的原理工作的，它的基本部件是磁体（定子）与线圈（转子），当转子转动时，线圈便会切割磁感线而产生感应电流，因此发电机是把机械能转化为电能的装置，发电机产生电流的大小与转子的转速、磁场的强弱、线圈的匝数有关。

例3（2015·成都）如图4所示为发电机的工作原理图，下列说法中正确的是（ ）。

A.发电机的基本原理是通电导体在磁场中受力的作用

B.发电机的基本原理是电磁感应

C.线圈在转动过程中，感应电流的大小不变

D.线圈在转动过程中，感应电流的方向不变

解析：发电机是利用电磁感应现象制成的，在发电机工作时，发出的电是交流电，电流的大小和方向是时刻变化的，电动机的基本原理是通电导体在磁场中受力的作用。

答案：B

电动机和发电机的原理图非常相似，主要区别是电路中是否有电源：电路中有电源的是电动机，电是因，动是果；电路中没有电源的是发电机，动是因，电是果。

责任编辑：蔡华杰