電如何走進(jìn)生活——伏打電池、奧斯特實(shí)驗(yàn)、發(fā)電機(jī)如何發(fā)電
作者： ${content.author} 時(shí)間：2024-07-20 瀏覽量：15,049電作為一種自然現(xiàn)象，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比生命的出現(xiàn)得早。2500年前，古希臘人就發(fā)現(xiàn)用毛皮摩擦琥珀能產(chǎn)生靜電從而吸引像絨毛，所以“電”這一詞就是從古希臘文“琥珀”演變而來的。那我們用的電是怎么走進(jìn)我們的生活的呢？
時(shí)間回到1786年，意大利的科學(xué)家 伽伐尼在解剖青蛙時(shí)用不同的金屬器械觸碰青蛙腿，青蛙腿發(fā)生了抽搐。他對(duì)此產(chǎn)生了濃厚的興趣，并做了大量實(shí)驗(yàn)力圖解開其中的奧秘。但最后伽伐尼錯(cuò)誤地認(rèn)為這是一種“動(dòng)物電”現(xiàn)象。同時(shí)期的意大利科學(xué)家伏打并不認(rèn)同他的結(jié)論，他認(rèn)為電存在于金屬之中，是由于金屬與某種潮濕的東西接觸才發(fā)生的，兩種明顯不同的意見引起科學(xué)界的爭論，爭論的結(jié)果是伏打占了優(yōu)勢。伏打依此理論發(fā)明了著名的“伏打電堆”。
我要介紹的第一件展品是伏打電池，操作臺(tái)面上的連接線，接觸兩邊各任意一個(gè)金屬棒中，觀察電流計(jì)的變化。當(dāng)有電流經(jīng)過電流表時(shí)，電流計(jì)指針移動(dòng)。我們發(fā)現(xiàn)，不同金屬的組合，電流變化有差別。兩邊如何金屬相同，似乎沒有電流，而活潑型不同的金屬似乎更容易產(chǎn)生電流。所以，我們使用的電池一般使用金屬鋅作為負(fù)極，金屬銅作為正極。這樣可以更容易與電解液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；兩邊金屬棒電勢差越大，電流越強(qiáng)，指針移動(dòng)幅度越大。
“伏打電堆”的發(fā)明為后來發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)提供穩(wěn)定的電流，并很快成為進(jìn)行電磁學(xué)和化學(xué)研究的有力工具。1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特以此發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。即通電導(dǎo)線周圍和永磁體周圍一樣都存在磁場。我可以通過“奧斯特的電流”這件展品來還原一下當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)場景。它是由通電導(dǎo)體和小磁針組成，磁針分布在導(dǎo)體附近，導(dǎo)線未通電時(shí)，小磁針指向地球的南北方向，大家可以旋轉(zhuǎn)旋鈕給導(dǎo)線通電，觀察磁針的偏轉(zhuǎn)。我們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)體通電后，小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。不同的電流方向偏轉(zhuǎn)的方向不同。奧斯特首次建立起電和磁之間的關(guān)系，開啟了電磁學(xué)研究的大門。
但很可惜的是奧斯特?zé)o法解釋這種現(xiàn)象，很快安培通過實(shí)驗(yàn)揭開了其中的奧秘。他重復(fù)了奧斯特的實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)了電流的方向和磁場的關(guān)系。為了方便學(xué)生了記憶，安培提出了著名的“右手定則”，即磁場與電場方向始終是垂直的。
奧斯特的發(fā)現(xiàn)和快引起了法拉第的極大興趣。法拉第想要解決的問題是：既然電流可以產(chǎn)生磁場，那反過來，磁場是否也能產(chǎn)生電流呢？法拉第通過多個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了自己的猜想。第一個(gè)就是通過圓環(huán)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)。啟動(dòng)按鈕給一側(cè)線圈通電，觀察另一側(cè)電流表指數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一側(cè)線圈接通電流的一瞬間，另一側(cè)電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這說明另一側(cè)產(chǎn)生了電流。而持續(xù)通電則不會(huì)回一直偏轉(zhuǎn)。斷電的一瞬間又會(huì)產(chǎn)生瞬間電流。這究竟是怎么回事呢？
法拉第在圓環(huán)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了磁棒過線圈惡實(shí)驗(yàn)。當(dāng)我們把普通的條形磁鐵在線圈中拿進(jìn)拿出時(shí)，只要磁鐵在線圈中移動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生電流。知道了這些，我再來看下第三件“圓盤發(fā)電機(jī)”。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪驅(qū)動(dòng)銅盤旋轉(zhuǎn)，手搖轉(zhuǎn)速不同，產(chǎn)生電量大小不同，越快電流越大。如果改變磁鐵和銅片的位置，也會(huì)影響電流的大小。這實(shí)際就是人類歷史上第一臺(tái)發(fā)電機(jī)。
這三個(gè)實(shí)驗(yàn)大家發(fā)現(xiàn)都有什么共同點(diǎn)了嗎？它們都與磁場和導(dǎo)體有關(guān)。有人疑惑，第一個(gè)線圈實(shí)驗(yàn)沒有磁場?。侩y道你忘了奧斯特的發(fā)現(xiàn)了嗎？電流可以產(chǎn)生磁場，電流越大磁場越強(qiáng)。通電瞬間產(chǎn)生磁場，磁場穿過了另一側(cè)的線圈；第二個(gè)、第三個(gè)都是閉合導(dǎo)體穿過磁場，并做了相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
所以，法拉第總結(jié)道：只有在運(yùn)動(dòng)和變化的過程中，磁鐵才能產(chǎn)生電流。也就是說閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場里做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生電流，這就是著名的電磁感應(yīng)定律。
科學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了不同時(shí)期，是通過不同科學(xué)家努利鉆研才完成的，這是一個(gè)不斷總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)又不斷創(chuàng)新的過程。希望通過今天的輔導(dǎo)，大家不僅能學(xué)到科學(xué)知識(shí)，更要體會(huì)到科學(xué)史中體現(xiàn)的科學(xué)精神，發(fā)揚(yáng)科學(xué)家大膽假設(shè)、小心求證的科學(xué)方法，將來用你們的智慧服務(wù)社會(huì)、改變未來。
