电磁理论告诉我们,当一个导体对磁力线进行切割时,就会产生电流。
电磁感应现象产生的条件有两点:1、闭合电路;2、穿过闭合电路的磁通量发生变化。
这二者缺一不可。
法拉第根据自己发现的这个额理论,发明出人类第一台圆盘发电机
切割的方法有两种,一种是导体闭合,导体不动,穿过导体环的磁通变化;另一种是磁场不变,导体相对磁场运动。这两种变化都是通过切割磁力线得到电流。
发电机是根据第二种方式运行得到电流的。发电机由定子和转子结合而成,定子中产生磁场,转子在定子中旋转,做切割磁力线的运动,从而产生了感应电势差,通过接线端子引出,接通回路,就产生了电流。
电势差就是电流的压力差,通俗的说法就是电压。
由于在闭合电路中,正负极产生电势差,电荷就会在两端流动起来。
电势差(电压差)的定义:
电荷q在电场中从A点移动到B点,电场力所做的功WAB与电荷量q的比值,叫做AB两点间的电势差(AB两点间的电势之差,也称为电位差),用UAB表示,则有公式:
WAB=WAB/q
式中,WAB为电场力所做的功,q为电荷量。
若闭合电路为一个N匝的线圈电动势能可用公式表达为:ε =N*ΔΦ/Δt(Δt→0)
式中,ε 为产生的感应电动势,单位为V(伏特,简称伏);N为线圈匝数,ΔΦ为磁通量变化量,单位Wb(韦伯) ,Δt为发生变化所用时间,单位为s(秒)。
请大家注意,发电的两个必要条件是“闭合电路”和“磁通量变化”。这是最重要的两个关键点。
先说说“闭合电路”。没有这个“闭合”就发不出电来。也就是发电机发出的电经过导体必须有一个回路回到发电机里面,形成闭环,电流才能够形成。
这里说的导体就是前面说的金属导线,发电就是通过电磁感应驱动到导线里的自由电子流动。发电机发电是通过发电机发出的电场,通过导线,让电流循环流动。
这也是我们在接驳电器时,需要对接火线和零线,火线就是流过来的电,零线就是回路回到发电机。
即便用电池也是这个道理。
电子的流动并不是真的流向了远方,而是一个个电子进行“接力赛”,将电流一个个运载传递下去,然后通过回路传回发电机。
因此发电机发电不是把自己里面的电子流出去,不存流得完流不完的问题。
那么磁通量变化又是怎么一回事呢?磁通量是表示磁场分布情况的物理量。
设在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一个面积为S且与磁场方向垂直的平面,磁感应强度B与面积S的乘积,叫做穿过这个平面的磁通量,简称磁通(Magnetic Flux)。标量,符号“Φ”。
Φ=BS,适用条件是B与S
在磁场与平面不垂直的情况下磁通量计算公式
平面垂直。如图,当S与B的垂面存在夹角θ时,Φ=B·S·cosθ。
通俗的说,就是一根具有闭合电路的导线切割磁力线,就会发生磁通量的变化,磁通量变化产生电势差。
这是因为闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动的话,导体中的电子就会受到洛伦兹力,洛伦兹力属于非静电力,能引起电势差,从而产生电流。
电势差产生电场,以光速到达导体两端,驱动电子定向移动,输送电流。
那么电流光速传输是怎么回事?发电机形成闭路的电势能一旦形成,就以电场方式光速到达导线的两端,以光速启动电流流动,因此表现出电流速度相当光速。
我们还可以想象自来水龙头,一打开龙头,就有水流出。但这个水不是刚从自来水厂流过来的,而是在水管里积存着的。
导体也是这样,一旦电磁场出现,积存在导线里的电子就开始传递电流。当然电磁场传递速度是光速,而自来水只是机械力速度,水压传递速度为水中声速,每秒约1500米。
注意,这里说的是电场以光速到达用户,而不是发电机发出的电子直接“刷”的一下就光速到达用户,也不是电子一个个“接力赛”这么快的到达用户。
电场一旦光速启动,电场范围的电子就会闻风而动,电流的传递就开始了,在光速范围内,所有的电子同时启动,感觉就像是电子传递达到了光速。
其实电子的定向流动是很慢的,每秒才0.1毫米,比龟速还慢。
但在电场里,它是瞬时在一个光速范围启动的。
理论上我们可以理解为,在电磁波的传递过程中,电子并没有真正的移动,而是在整个回路中形成一个矩阵,这个矩阵由于电势差而有确定的方向,即定向移动。这种移动实际上是在原位置上的震动,在这种震动中向一个方向传递电流。