神奇的電學 電學小課堂：一個視頻讓你全面瞭解尼古拉特斯拉與交流電動機。

發明特斯拉的人真是個交流電機 衆所周知 尼古拉特斯拉作爲電學史上唯二的真神 他所發明的交流電系統 如今仍然是我們生產生活中必備的動力來源 然而在19世紀末 剛剛出生的交流電機並不被世人所認可 當時佔據市場主導地位的 還是愛迪生集團的直流電機 但直流電機有一個很大的先天缺陷 我們都知道 這兩樣東西的磨損消耗是很快的 而且工作時還會釋放出電火花 這就極大的限制了直流電機的工作環境 但是特斯拉發明的交流電機並不需要這些東西 它最大的優勢就是結構簡單 這是爲什麼呢? 首先我們要知道直流電和交流電的區別 在直流電中 電源所釋放出的電子只會按照一個方向移動 也就是從負極到正極 而在交流電中 電子流動的方向是不斷改變的 一會兒上前 一會兒向後 並沒有所謂的正負極之分 在我們家用的單向交流電系統中 只有向線和中性線 向線在週期中改變極性 而中性線則用來閉合整個電路 在長距離輸送電力時 它所消耗的能量也要比直流電小得多 那交流電是如何驅動電機的呢? 衆所周知 如果我們給一根導線通電 它的周圍就會產生磁場 如果把導線繞成螺旋形 那磁場的強度將會被增大 我們稱其爲線圈或者電磁鐵 接下來取一根環形的閉合導體 並用它靠近剛剛的通電線圈 首先線圈產生的電磁場會吸引導體環 並在它的體內產生感應電流 而這個感應電流 反過來又會在導體環上生成磁場 此時整個系統中存在兩個磁場 一個由線圈產生 一個由導體環產生 兩個磁場相互作用 這就使得固定中軸的導體環一極一側被吸引 隨即慢慢旋轉與線圈的一側對齊 最終停止在平衡位置 由於一個線圈的吸引力比較弱 所以接下來 我們使用兩個磁場極性相反的線圈驅動 如此一來不但能夠增加磁力強度 而且轉子會被兩邊同時吸引 通電後轉子可以迅速旋轉到 與兩線圈磁場平衡的位置 這時我們給轉子上下 再增加兩個極性相反的繞組線圈 由於四個磁場同時發力 線圈並不會像你想象中的那樣旋轉起來 而是會停留在某個中間的低平衡位置 所以這樣是不行的 但如果我們通過交替激活其中一對水平線圈的方式 就能夠使轉子發生旋轉運動了 在每次更換通電線圈時 轉子會化身爲一個磁力捕手 時刻尋找與自身磁場方向相互吸引的平衡點 但是這裏有一個明顯的問題 那就是你需要手動或者通過開關 來控制通電線圈組的閉合 想想都覺得很麻煩 那怎麼辦呢 哎 此時交流電的偉大之處就來了 當我們用交流電指點一組水平線圈供電時 它們產生的磁場會自動改變方向 這時轉子的磁場試圖與之平衡 但由於線圈極性不斷反轉 結果就是導致它不停的左右搖擺 並不能產生同向的旋轉運動 所以說單向交流電是不能驅動電動機工作的 重點來了 接下來我們使用兩個不同向位的交流電 給四組線圈供電呢 在交流電交替換向的時間差下 四個線圈被分爲上下兩組 每一組我們稱作一項 這樣轉子在完成其中一項的旋轉後 就會自動切換到另一項的磁地範圍 隨着磁場的不斷交替 我們的轉子就實現了同一方向的旋轉運動 而且在這個過程中 不需要任何的移動部件或者開關電路 除了由線圈組成的定子裝置 整個電機只存在磁場的變化 與轉子追逐磁場力的運動過程 我們將這種電機稱作感應電機 而它就是由特斯拉真神發明的 世界上第一個真正意義上的電動機 從特斯拉的原型機中能看出 它的結構其實非常簡單 其外部爲四個線圈組成的定子部分 並分別對應兩項交流電源 真的 一個多餘的部件也沒有 而轉子則是由幾根縱向排列的導條組裝而成 外形就像是一個鐵龍的 兩端用金屬環連接 它沒有磁鐵 也不需要通電 只是通過定子線圈產生的磁場力 就能夠旋轉 當定子的電磁場穿過轉子時 轉子自身產生的感應電流 與定子磁場力相互作用 就簡簡單單的讓它發生了持續 且平穩的旋轉運動了 也就說牛逼不牛逼吧 交流電機的出現 從此徹底改變了人類對電的理解和使用方式 後來西屋公司創始人喬治·威斯汀豪斯 購買了特斯拉的專利權 兩人組隊共同研發 一起與當時愛迪生的直流電系統相對抗 而愛迪生這個老燈 一直使用各種手段來打壓特斯拉的交流電 然而事實終究勝於雄辯 在特斯拉與西屋公司不斷的實踐和努力下 交流電的發展也是突飛猛進 最終在1895年 由特斯拉主導設計的尼加拉大瀑布水電站建成 作爲歷史上第一座交流發電站 它實現了從發電、遠距離傳輸 與變壓使用的完整交流電系統 在我們如今的生活中 感應交流電機那也是無處不在 什麼風扇、電梯、洗衣機、壓縮機 甚至是電動汽車 都在傳承着特斯拉的遺產 如今它的名字都已經被賦予成了公司與品牌 怎麼樣 對於特斯拉的交流電與電動機系統 你是不是也充滿了敬畏呢 下課