电如何走进生活——伏打电池、奥斯特实验、发电机如何发电

作者: ${content.author} 时间:2024-07-20 浏览量:6,569

电作为一种自然现象,远远比生命的出现得早。2500年前,古希腊人就发现用毛皮摩擦琥珀能产生静电从而吸引像绒毛,所以“电”这一词就是从古希腊文“琥珀”演变而来的。那我们用的电是怎么走进我们的生活的呢?

时间回到1786年,意大利的科学家 伽伐尼在解剖青蛙时用不同的金属器械触碰青蛙腿,青蛙腿发生了抽搐。他对此产生了浓厚的兴趣,并做了大量实验力图解开其中的奥秘。但最后伽伐尼错误地认为这是一种“动物电”现象。同时期的意大利科学家伏打并不认同他的结论,他认为电存在于金属之中,是由于金属与某种潮湿的东西接触才发生的,两种明显不同的意见引起科学界的争论,争论的结果是伏打占了优势。伏打依此理论发明了著名的“伏打电堆”。

我要介绍的第一件展品是伏打电池,操作台面上的连接线,接触两边各任意一个金属棒中,观察电流计的变化。当有电流经过电流表时,电流计指针移动。我们发现,不同金属的组合,电流变化有差别。两边如何金属相同,似乎没有电流,而活泼型不同的金属似乎更容易产生电流。所以,我们使用的电池一般使用金属锌作为负极,金属铜作为正极。这样可以更容易与电解液产生化学反应;两边金属棒电势差越大,电流越强,指针移动幅度越大。

“伏打电堆”的发明为后来发现电流的磁效应提供稳定的电流,并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具。1820年,丹麦物理学家奥斯特以此发现了电流的磁效应。即通电导线周围和永磁体周围一样都存在磁场。我可以通过“奥斯特的电流”这件展品来还原一下当时的实验场景。它是由通电导体和小磁针组成,磁针分布在导体附近,导线未通电时,小磁针指向地球的南北方向,大家可以旋转旋钮给导线通电,观察磁针的偏转。我们发现,导体通电后,小磁针发生了偏转。不同的电流方向偏转的方向不同。奥斯特首次建立起电和磁之间的关系,开启了电磁学研究的大门。

但很可惜的是奥斯特无法解释这种现象,很快安培通过实验揭开了其中的奥秘。他重复了奥斯特的实验,并发现了电流的方向和磁场的关系。为了方便学生了记忆,安培提出了著名的“右手定则”,即磁场与电场方向始终是垂直的。

奥斯特的发现和快引起了法拉第的极大兴趣。法拉第想要解决的问题是:既然电流可以产生磁场,那反过来,磁场是否也能产生电流呢?法拉第通过多个实验证明了自己的猜想。第一个就是通过圆环实验发现了电磁感应。启动按钮给一侧线圈通电,观察另一侧电流表指数。我们发现,当一侧线圈接通电流的一瞬间,另一侧电流表指针发生偏转,这说明另一侧产生了电流。而持续通电则不会回一直偏转。断电的一瞬间又会产生瞬间电流。这究竟是怎么回事呢?

法拉第在圆环实验的基础上进行了磁棒过线圈恶实验。当我们把普通的条形磁铁在线圈中拿进拿出时,只要磁铁在线圈中移动就会产生电流。知道了这些,我再来看下第三件“圆盘发电机”。转动手轮驱动铜盘旋转,手摇转速不同,产生电量大小不同,越快电流越大。如果改变磁铁和铜片的位置,也会影响电流的大小。这实际就是人类历史上第一台发电机。

这三个实验大家发现都有什么共同点了吗?它们都与磁场和导体有关。有人疑惑,第一个线圈实验没有磁场啊?难道你忘了奥斯特的发现了吗?电流可以产生磁场,电流越大磁场越强。通电瞬间产生磁场,磁场穿过了另一侧的线圈;第二个、第三个都是闭合导体穿过磁场,并做了相对运动。

所以,法拉第总结道:只有在运动和变化的过程中,磁铁才能产生电流。也就是说闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体就会产生电流,这就是著名的电磁感应定律。

科学的发展经历了不同时期,是通过不同科学家努利钻研才完成的,这是一个不断总结前人经验又不断创新的过程。希望通过今天的辅导,大家不仅能学到科学知识,更要体会到科学史中体现的科学精神,发扬科学家大胆假设、小心求证的科学方法,将来用你们的智慧服务社会、改变未来。


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