[科普中国]-电的能量转换

现代人的生活和生产，一时一刻也离不开“电”。那么你知道“电”是如何产生的吗？电能又是如何转换成我们需要的能量形式呢？

一、发电机

发电机是指将其它形式的能转换成电能的设备。它由水轮机、汽轮机、柴油机或其它动力机械驱动，将水流、气流、燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传输给发电机，再由发电机转换为电能。无论何种形式的动力，发电机的发电原理是相同的，都是利用动力（外力）推动线圈或磁场运动，使线圈和磁场二者间发生相对运动，导致穿过线圈的磁通量发生改变，从而在线圈中产生感应电动势。

发电机的结构分为定子和转子两大部分。依据定子和转子装置的不同将发电设备分为两大类。一类称为旋转电枢式，即定子是产生磁场的装置，而转子是产生感应电流的线圈（称为电枢），磁场不动而线圈转动；另一类称为旋转磁场式，即转子是产生磁场的装置，而定子是产生感应电流的线圈，磁场旋转而线圈不动。

将直流发电过程简化为如图1所示模型。在竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中，两根光滑平行金属轨道MP、NQ固定在水平面内，相距为L，电阻不计。电阻为R的金属导体棒ab垂直于MP、NQ放置在轨道上，与轨道接触良好，以平行于MP的速度v向右做匀速运动。图1轨道端点M、N间接有阻值为r的电阻，导体棒ab受到水平向右的外力F作用。从宏观来看，在外力F作用下，ab相对磁场B向右运动，ab中产生从b到a 的感应电流I，ab棒受向左的安培力F安作用，外力F克服安培力做功，将其它形式的能转化为电能。

二、电动机

电动机的装置和发电机类似，它是将电能转化为机械能的装置。它的原理是电流在磁场中受安培力作用，安培力作为推动电动机转动的动力，通过安培力做功，将电能转化为电动机的机械能。

如图2甲图所示直流电动机简化模型。在竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中，两根光滑平行金属轨道MP、NQ固定在水平面内，相距为L，电阻不计。电阻为R的金属导体棒ab垂直于MP、NQ放在轨道上，与轨道接触良好，电源电动势为E，内阻为r。其等效电路如图2乙所示。

从宏观来看，闭合开关s后，金属棒中的电流从a流向b，根据左手定则可知：金属棒所受安培力水平向右，推动金属棒向右运动。通过安培力做功，将电能转化为金属棒的机械能。

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可见，无论是发电机还是电动机，安培力是否做功是电能和其他形式的能相互转化的条件。