發(fā)電機和電能的輸送

1819年，丹麥科學家奧斯特發(fā)現通電導線能引起旁邊的磁針轉動，當時正從事電和磁研究的英國科學家法拉第根據自己所做的大量實驗以及大膽的直覺立刻聯(lián)想到：既然電流能產生磁，那么為什么磁不能產生電呢？1822年，他在筆記本中寫下了一個嶄新的研究課題——“把磁轉變成電”，那么，這一“轉變”如何才能實現？

一、發(fā)電機

（一）發(fā)電機的原理

閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時。在電路中就會產生電流，這種現象叫做電磁感應，所產生的電流叫做感應電流。

為了便于觀察和分析，我們在線圈上裝一個轉軸，并用鐵架臺固定，轉動線圈，磁感線是水平方向的，線圈轉動時，就會切割了磁感線，能夠產生感應電流，發(fā)電機就是根據上述原理制成的。

所以說發(fā)電機的原理就是電磁感應現象。

（二）發(fā)電機的構造

利用上述原理制成發(fā)電機，還有一些技術問題需要我們去解決，如：線圈轉動時，會帶動輸出電流的銅線纏在一起，由前面的直流電動機中的換向器可以想到，用銅環(huán)和電刷組成的結構，這樣就可以解決上面的問題了。發(fā)電機是由定子和轉子兩部分組成，包括磁極、線圈、銅環(huán)、電刷等。

（三）交流電與直流電

我們來研究發(fā)電機產生的電流有什么特點？要研究電流的特點，就需要借助電流表。用電流表換下小燈泡，緩慢搖動發(fā)電機的轉軸，同時觀察電流表指針的運動情況。

我們發(fā)現電流表的指針左右擺動，表明電流方向在周期性地重復變化，而且當線圈中切割磁感線的兩條邊垂直磁感線切割時產生的感應電流最大，在其他角度產生的感應電流則較小，所以我們把這種周期性改變電流大小和方向的電流叫做交流電，與此相對的就是我們前面所學過的由電池提供的電流，它的大小和方向都不發(fā)生變化，這種電流叫做直流電。

為什么這種發(fā)電機產生的電流方向在改變呢？

感應電流的方向是由閉合導體切割磁感線的運動方向和磁感線的方向決定的，感應電流方向的變化是由這二者之一變化所引起的，在這種發(fā)電機中，磁極是固定的，所以，這種發(fā)電機中電流方向的變化是由于閉合線圈切割磁感線的運動方向變化所引起的。

這種發(fā)電機由于產生的電流是交流電，所以稱為交流發(fā)電機，我們可以把任意一邊的運動路線和方向畫出來，線圈每次轉動到最左邊和最右邊的兩點時，切割磁感線的方向發(fā)生改變，電流方向也要發(fā)生改變，所以線圈轉動一周，電流方向變化兩次。

周期和頻率是用來表示交流電特點的兩個物理量。我國供生產和生活用的交流電的周期是0.02s，頻率是50Hz，其意義是發(fā)電機線圈轉一周用0.02s。即1s內線圈轉50周，因為線圈每轉一周電流方向變化兩次，所以頻率是50Hz的交流電電流方向每秒鐘改變100次。

二、電能的輸送

（一）輸送電能的過程

發(fā)電站發(fā)出的電能是怎樣輸送到遠方的呢？如：葛洲壩電站發(fā)出的電是怎樣輸送到武漢、上海等地的呢？當然是通過電線輸送的，而且是通過架設很高的、很粗的高壓電線輸送的。

輸送電能的過程為：發(fā)電站→升壓變壓器→高壓輸電線→降壓變壓器→用電單位。

（二）高壓輸電的道理

思路：輸電→導線（電阻）→發(fā)熱→損失電能→減小損失。

輸電要用導線，導線當然有電阻，如果導線很短，電阻很小，可忽略；而遠距離輸電時，導線很長，電阻大，不能忽略，電流通過很長的導線時要產出大量的熱，如：河南平頂山至湖北武昌的高壓輸電線電阻約400Ω，如果通的電流是100A，每秒鐘導線發(fā)熱就是4×106J，這些熱散失到大氣中，白白損失了電能，所以，輸電時必須設法減小導線上的發(fā)熱損失。

如何減小導線發(fā)熱呢？由焦耳定律Q=I2Rt可知，減小電熱Q有以下三種方法：一是減小輸電時間t；二是減小輸電線電阻R：三是減小輸電電流I哪種方法能被實際使用呢？第一種方法等于停電。沒有實際價值，第二種方法從材料、長度、粗細三方面來說都有實際困難，適用的超導材料還沒有研究出來，排除了前面兩種方法，就只能考慮第三種方法了，從焦耳定律公式Q=I2Rt可以看出，第三種辦法是有效的：電流減小一半，損失的電能就降為原來的四分之一。

所以說要減小電能的損失，必須減小輸電電流。

從另一方面講，輸電就是要輸送電能，輸送的功率（每秒提供的電能）必須足夠大，才有實際意義。

怎樣才能滿足上述兩個要求呢？根據公式P=UI，要使輸電電流I減小，而輸送功率P不變（足夠大），就必須提高輸電電壓U。

所以說通過高壓輸電可以保證在輸送功率不變的情況下，減小輸電電流來達到減小輸送電的電能損失。

實際運作時，在發(fā)電站都要安裝用來升壓的變壓器，實現高壓輸電，在用戶附近又要安裝降壓的變壓器，以便低壓用電。