这个问题很有深度,电路与运河之间确实存在相似之处。想象一下,在一条封闭的运河系统中,船只因水闸的操作持续移动。与此类似,我们不会发现船只数量有所减少。事实上,这些船只并不是由水闸创造的,它们一直就在运河系统中。
对于这个问题,发电机的角色类似于水闸,它本身并不创造电子。正如自由电子自然存在于导线中一样,发电机所做的只是为电荷在电路中提供一种推动力。重要的是,发电机仅是电动势的来源,电子既不会凭空产生也不会凭空消失。在电动势的作用下,电子在封闭的电路中移动,因此数量保持不变。
电子流动的方向可以这样描述:在直流电路中,电子从阴极出发并最终回到阳极。而在电源内部,电子则从阳极出发,重新回到阴极。因此,电子的总量是恒定的。
在交流电路中,如上图所示,中性线接地,其电位被固定在大地的0电位。另一端的电压则以50Hz的工频变化,正负交替。在这样的电路中,电子流动的方向也会相应地交替变化,并不会被消耗。同时,中性线的电位与流经它的电流大小无关。
发电机发电的原理可以进一步解释如下:
不管使用的是火力、核能、水力还是风力发电,其基本原理都是基于法拉第的电磁感应定律。
发电机的基本构成包括磁场和导体。当导体在磁场中移动并切割磁力线时,就会产生感应电动势。电磁感应定律的实质是,带电粒子在洛伦兹力的作用下发生定向移动。正负电荷在导体中的运动导致了感应电动势的产生。
那么,电子移动的速度有多快呢?
理论上,电流的传播速度等同于光速。人们通常认为电流没有传播时间。然而,实际上导体中的电子移动速度非常缓慢,大约只有每秒几厘米。这与光速的差距很大。
电流是如何实现光速传播的呢?
电场的传播速度才是光速。当电源接通时,在电动势的作用下,整个导体瞬间形成电场。导体中的所有电子都会收到电场的“指令”,开始定向移动。因此,电子移动速度并不快,真正快速的是电场。
可以这样比喻:想象你打开一条5000米长的水管的水龙头,水立刻流出。这并不是因为自来水厂的水在瞬间移动了5000米,而是因为水管中的水在水压的作用下同时开始移动。水压的传递速度与电流的速度相当。
有励磁绕组给发电机转子提供励磁电流,只要旋转就能产生源源不断的电能[墨镜]