電的旅程 ( 75 )

「第五章：電燈與電氣化」

        ＜發電機與馬達 ( 1 )＞

        早在1821年，法拉第就發現了馬達的科學原理。十年後，他又示範了發電機最基本的概念。但在發展過程中，困難重重，進展緩慢。發展馬達有一個基本的問題，就是用什麼電源來驅動馬達？當時的電池儲電量根本不能用在強力的馬達上。所以他決定先發展發電機，有了發電機才能有廉價電能來驅動馬達。到1870年代初期，發電機已經有市場需求了，主要是取代電報及電鍍工業用的電池，也可用來做電弧燈的電源。

        在法拉第之後，有很多人都在研究實用的發電機。四十年下來，發電機的基本概念已形成。大多數發電機的設計包括三個部分：靜止不動的叫定子（stator），專供給磁場；在定子內旋轉的線圈叫電樞（armature），旋轉的動力可來自蒸汽機或渦輪機，電樞在磁場中旋轉時，線圈內會產生像波浪一樣的交流電。發電機的第三個部分叫整流器（commutator），功能是把電樞中產生的交流電轉變成直流電。電池的電源是直流電，所以當時大家的想法是發電機產生的電源應該和電池一樣，可以直接取代電池的功能。交流電唯一的應用是電弧燈照明。

        法國人畢克西（Hippolyte Pixii）在1832年示範了第一架發電機，但功能和效率都很差。主要問題有兩個，一個是定子上永久磁鐵的磁場不夠強。在1866年，西門子用強力的電磁鐵取代了永久磁鐵，解決了這問題。另一個是發電機本身的設計。為了避免高速轉動時相碰，位於定子和電樞之間的空隙太大，令電和磁的偶合性大為減弱。此外，電樞上銅線的繞法也不盡完善。本來這設計可用馬克士威方程來分析，但因當時沒有電腦，這些問題則不易察覺。…… (待續)