第一台起电机，居然出自日理万机的市长之手！

著名的马德堡半球实验也要归功于他。

17世纪初，科学家们投入到对电的系统研究中。开始的时候，研究只限于静电方面。当时，获得电源的唯一方法是摩擦起电。摩擦起电得来的静电很少很少，要做稍大型的电学实验根本就不可能。所以，科学家们在这一需求的压力下，想法改进当时的摩擦起电工具。

怎样才能方便快捷地获得较多电源呢？欧洲许多科学家都开始动脑，其中还包括一位特殊的人物，他就是德国马德堡市的市长盖里克（注一）。他的想法很直接，就是制作起电机。

爱科学的市长盖里克（图片来源：Wikipedia）

所谓起电机，是指利用人力或小动力摩擦获得静电的机械。 同为产生电流的机械，发电机利用电磁感应产生大电流的交流或直流电，可用于生产生活中；而起电机只能产生较小的电流，主要用于实验 。两者目的相同，但原理不同，某种意义上说，起电机是发电机的“鼻祖”。

酷爱科学的市长

盖里克市长制作起电机不是心血来潮，更不是作秀。

他本是莱顿大学的高才生，学生时代起就对科学很感兴趣。他当了35年市长，也搞了35年科学研究。这种情况在世界上也属罕见。他于1650年发明了抽气机，后来又用它做了著名的马德堡半球实验，证明了大气压强的强大，推翻了之前亚里士多德提出的“自然界厌恶真空”的假说。

1660年，时年58岁的盖里克开始研究静电。电学在当时非常流行，作为物理学家的他也投入电学研究中。某天傍晚，盖里克推掉应酬，再次走进自己的实验室，准备做电学实验。当他用手指拈住一块很小的琥珀时，一点很小的噼啪声传了过来。细心的他关掉所有灯，连续把琥珀拈起又放下。这时他发现新的现象：伴随噼啪声的，还有微弱的闪光。

摩擦过的琥珀生电，吸引羽毛（网络图）

“这闪光和声音，应该意味着静电被释放了。”盖里克想到这里，脑海中又冒出新的问题：用手指摩擦琥珀产生的电流太少，且麻烦，这种方式获得电流不实用。

“这点电量，连实验用都不够，更不要说其它了。如果制造一个既省事，电量又多的摩擦起电机那以后实验就方便多了。”盖里克萌发这样的想法。

简单实用的起电机

说做就做。经过一年多的研究，盖里克终于发明了一个简单实用的摩擦起电机。

他的发明分两步。第一步是是制作电源器。虽然琥珀是电源器的最佳材料，但价格太贵，用作器材很不现实。经过反复实验，他决定用硫磺来代替琥珀。

盖里克先把硫磺敲成碎片，并放进比脑袋还大的球形玻璃瓶中。然后，在实验室里对球形玻璃瓶进行加热，使硫磺熔化。硫磺熔化后一发现有空间，就不断添加硫磺，直到球形玻璃瓶被硫磺填满。此时，他向瓶中插入一根木柄。待球形玻璃瓶冷却后，他用锤子把瓶子打碎，得到一个巨型的黄色硫磺球。此球有两个特点：一是木柄可以手持，也可以做架子；二是球的一端是正极，一端是负极，方便做不同的实验。

第二步是产生静电。盖里克把黄色硫磺球放在一个木制的托架上，这样就做成了一个简单的摩擦起电机。接着，他左手握住木柄让黄色硫磺球绕轴旋转，右手按在球面上，通过手掌与黄色硫磺球的摩擦产生静电，并让其贮存到黄色硫磺球里。

盖里克发明的硫磺起电机（网络图）

摩擦起电机首次运用便引起轰动。在那个宽阔的实验室里，他先从木架上取出贮存着静电的黄色硫磺球，再拿着它的轴，用正极吸引羽毛。接着，他用硫磺球的负极排斥羽毛，让它们在空中飘浮。飘飞的羽毛像活着的鸟儿一样。观看的同僚们都惊得说不出话来，继而爆发出掌声，他们对盖里克市长的精彩表演表示叹服。

“原来，羽毛喜欢靠近它前面任何物体的尖端，并且能够让它粘着物体的任何突出部分。这应该是电起作用了。”人家看热闹，盖里克却在思考。

待众人离开后，盖里克再次进行实验。他在桌上点一支蜡烛，当羽毛与烛火约一掌宽的距离时，羽毛突然后退，飞向带电的硫磺球。

“通过这个起电机，我已经知道物体的尖端对电的特殊作用了！”盖里克飞快地记录了下来。

在今天看来，尽管盖里克发明的起电机是那么简单，但在当时已是很了不起的发明，因为它标志着科学研究手段的进步。作为人类制造的第一个起电机，它帮助人类观察到许多重要现象，并为后人创造更大型、更先进的发电机提供了参考。

由此，电磁学发展的青史上，盖里克占有一席。

后来的故事

盖里克发明的摩擦起电机，引起了社会广泛的关注。应政府部门邀请，他公开表演关于起电机的实验，王公贵族、平民百姓都很喜欢观看。教授们用硫磺起电机演示静电实验，学生们非常感兴趣。据说，有几个大学教授演示起电机实验时，由于观众占了座位，学生们只好站在过道或教室外观看。

社会关注之外，对摩擦起电机最感兴趣的还是科学家。继盖里克之后，科学家们纷纷改进摩擦起电机，并取得了很明显的效果。

几十年后，苏格兰物理学家戈登经过多次实验后，对硫磺起电机进行了改装。为提高转动的速度，他用圆柱体代替硫磺球，转速每分钟超过600圈。圆柱体起电机产生的电流，可以杀死小鸟。后来，他的朋友把圆柱体玻璃瓶装在脚踏板上，并且用皮革垫子代替手掌摩擦，这样起电机完全实现了机械化。戈登用圆柱体起电机发电，在集会上点燃酒精灯，广受欢迎。

硫磺起电机之后影响较大的莫过于圆盘式静电感应起电机。它是英国科学家维姆胡斯于1882年研究多种起电机后制成的，其优势主要有两点：一是玻璃圆形板上的两轴可以反向转动，转速比圆柱体起电机的还高；二是能产生较大的电流，甚至可以杀死小猪。 此机诞生后，主要在课堂演示静电现象和节目中的空气放电现象表演使用。圆盘式静电感应起电机一直沿用至今。

圆盘式静电感应起电机。（网络图）

话说盖里克发明的摩擦起电机虽然能够产生静电并进行放电实验，但他并不清楚哪些物体可以传电哪些物体不能，也不清楚电到底能不能传输。只有弄清楚这些问题，电学实验才有充分的理论依据，实验效率也更高。这些问题是谁解决的呢？且看下回《电会跑，还择物？发现者居然是花甲老翁！》

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【备注】

1、 奥托·冯·格里克（1602年11月20日～1686年5月11日），德国物理学家、政治家，就读于莱布尼兹和莱顿大学，曾于1646年～1676年间任马德堡市市长。就任之后，兢兢业业地工作，不遗余力地架建桥梁，建造要塞。此外，他亲自动手种田，以生产当时奇缺的粮食。

作者：魏德勇

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感应电动机的基本结构与工作原理

感应电动机运行的基本原理是基于电动汽车电机定子与转子之间的电磁感应作用，感应电动机置转子于转动磁场中，因涡电流的作用，使转子转动。感应电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩。感应电动机是应用最广的一种异步电动机。

异步电动机是泛指负载时的转速与所接电网频率之比不是恒定关系的一种交流电动机。在某种情况下，感应电动机也可以叫异步电动机。异步电动机的缺点是功率因数较差。

这是因为异步电动机运行时，必须从电网里吸落后性的无功功率，它的功率因数总是小于1。

(1)感应电动机基本结构

一般用途的感应电动机的典型结构如图4-23所示。

由图4-23可知，感应电动机和其他类型电动机一样，由三大部分组成：固定部分、转动部分和辅助部分。感应电动机组成主要包括定子、转子和辅助部分。定子包括绕组定子铁心、机座；转子包括铸铝转子、转轴和平衡块等；辅助部分包括端盖、接线盒、风扇和风罩。感应电动机有鼠笼式感应电动机和绕线式感应电动机，具体如图4-24所示。

(2)感应电动机气隙旋转磁场和感应电动势

感应电动机工作时，由定转子共同建立的气隙基波磁场，并与转子绕组的电流形成相互作用产生电磁力(Fe）从而形成电磁转矩。电磁转矩克服负载转矩输出机械功，于是感应电动机实现了机电能量转换。感应电动机能够正常工作必需满足两个基本条件：电动机的定子、转子基波磁动势必须能合成并在气隙内建立旋转磁场；转子转速必须小于气隙磁场的转速，并且两者保持一个差值。气隙基波旋转磁场也就是主磁场的旋转速度，它与电源频率的关系为

ns=60f/p　　

式中ns—同步转速(r／min)；

f—定子电源频率(Hz)；

p—定子绕组的极对数。

应当指出，感应电动机的空载气隙磁场是由定子绕组的交流磁动势建立的。

电动机笼型转子和绕线型转子结构图如图4-25所示。

励磁磁动势： 给异步电动机通入对称的三相交流电时，将会在气隙中会产生一个旋转的气隙磁场，这个旋转的磁场会同时切割定转子绕组，这样在两个绕组内会产生相应的感应电动势，但是由于转子绕组是开路的，所以没有电流，即没有磁动势。由此可见，在这种情况下，整个气隙磁场全部是由定子绕组内的三相对称电流产生，为此，定子磁动势又叫做励磁磁动势，定子电流也叫励磁电流。由于整个分析过程是完全对称的，所以在分析时仅以一相（A相）为例来进行讲解。

电流产生的旋转磁场的磁动势的特点：当A相电流达到正最大时，它所对应的磁动势也达到正最大。转子不转的三相异步电动机，相当于一台副边开路的三相变压器，其中定子绕组是原绕组，转子绕组是副绕组，只是在磁路中，异步电动机定、转子铁心中多了一个空气隙磁路而已。

主磁场： 当定子三相绕组外施加三相对称电压时，绕组内流过三相对称电流，将产生旋转磁动势建立起旋转磁场。其中穿过气隙到达转子的基波磁场起主要作用，称为主磁场。

漏磁场： 只铰链定子绕组就形成闭合回路，未能到达转子的磁场，称为定子漏磁场。

(3)感应电动机的工作原理

电动机定子接三相电源后，电动汽车电机内便形成圆形旋转磁动势，圆形旋转磁密，设其方向为逆时针转。若转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁密有相对运动，导条中有感应电动势E，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动势方向。这样，导条就在磁场中受力f，用左手定则确定受力方向，如图4-26所示。

转子受力，产生转矩T，为电磁转矩，方向与旋转磁动势同方向，转子便在该方向上旋转起来。转子旋转后，转速为n，只要n<n1（n1为旋转磁动势同步转速），转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力。电磁转矩T仍旧为逆时针方向，转子继续旋转，稳定运行在T=TL情况下。

即为异步电动机转差率：s= n1—n/ n1

在正常情况下，异步电动机的转子转速总是略低与旋转磁场的转速（同步转速）。

转差率是一个表征异步电动机运行状态的一个基本参数。感应电动机的转速随负载的变化而变化。于是电动机实现了机电能量的转换，这就是感应电动机运行的基本原理。

(4)三相交流感应异步电动机

用于电动汽车上的三相异步电动机多是笼型异步电动机，其定、转子是由层叠的薄硅钢片组成，以减少电动机损坏，提高效率。

一般电动机的封装多采用铝盖封装,液体冷却，以减轻电动机的重量，可以使电动机结构更紧凑，体积更小。异步电动机由于成本低，坚固耐用，速度范围宽等特点适合用于电动汽车。PCIM是用一个六相逆变器进行控制，无需机械开关 丧改变电动机的极数，它根据转矩的变化利用两个一般性的矢量控制实现电极数三动改变。这种电动机高速运行时具有良好的性能，而且恒功率范围宽，适合于大型的电动汽车。

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