风力发电机和霹雳车之间有什么共同点?

当下属于你们,而我所致力于研究的未来属于我自己。

—尼古拉·特斯拉

风力发电机与霹雳车有一个共同点,那就是都和一个叫迈克尔的人有着关联,但这个迈克尔并不是驾驶着霹雳车KITT的迈克尔·奈特[ 迈克尔·奈特:20世纪80年代美国电视剧《霹雳游侠》中的一个虚构人物角色。KITT是迈克尔·奈特所驾驶的黑色霹雳车的简称,该车由人工智能导引。

],而是19世纪的迈克尔—英国的迈克尔·法拉第,历史上最重要的物理学家和化学家之一(据说爱因斯坦在自己的办公室里挂了法拉第的画像,就在牛顿和麦克斯韦的画像旁边)。多亏了法拉第,这些奇迹才变得让人习以为常。例如:按下开关,灯就亮了。

法拉第是一位没有得到应有赞誉的天才。在他的诸多贡献中,他发现导电材料在磁场中移动便会产生电流,这种现象称为“电磁感应”。这种现象基于闭合电路中的电压(单位为伏特)与内部磁通量变化的速度成正比。这种电压,以及它所带来的电势差,就是产生电流的原因。电流在我们所有设备的电路中循环,因而,只要磁铁中的磁通量随时间而变化,即使不插电,也会产生电流来驱动这些设备,这就是电磁感应的功劳。这一现象的重要性在于,在它的多种变体中,它是一种非常有用的产生能量的方式,是风力发电机、直流发电机、水力发电机、交流发电机等设备的基础。

流行小知识:电视剧《迷失》的编剧一定知道迈克尔·法拉第,因为该剧主要人物之一就叫丹尼尔·法拉第,这并不是巧合。例如:这位主角是所有主角里最聪明的人,他是牛津大学的物理学博士,而他的母亲在他毕业时还曾送给他一本法拉第日记。作为一名优秀的物理学家,他发现了几个事实,这些事实与一个在岛上的旅行者相对于另一个在外面的旅行者所经历的时间膨胀以及导致光不能正常膨胀的长度收缩有关(当然,这正是爱因斯坦的理论贡献)。由此,丹尼尔开始怀疑岛上的能量扭曲了时空,创造了虫洞,从而实现了时间旅行。如果你还没有看过这部剧,我就不多说了,我不想剧透。我只给你们讲他的一句台词:“我们所做的一切都已经发生在未来。无论你尝试做什么都无关紧要。发生的事情已经发生了。”编剧们太棒了……嗯,除这部剧的大结局之外。当然,这样的结局也不能说不好,人无完人嘛。

发电机成为在磁场中运动的导体。它是一个电机,电机能够将动能转化为电能。法拉第的发现永远地改变了世界,带来了电力生产的时代。如今,人们能够烤面包,看电视,打开空调或使用电脑。

科学逸事:1855年春天,法拉第在一场讲座上介绍他对于电磁本质的理解,而时任英国财政部长、此后四次出任首相的威廉·格拉德斯问他这些发现是否具有实用价值。“别担心,”法拉第回答,“总有一天政府会对它征税的。”如今,电费、电的税费,以及家庭无法用电时产生的所谓的“能源贫困”,经常占据媒体和公众辩论的很大篇幅。

让我们回到风力发电机。正如法拉第指出的那样,产生能量的方法是在磁场中移动导体或在导体附近移动磁铁(这种方法更普遍)来产生可变磁场。然而,在风力发电机的例子中,这并不完全正确。首先,是什么使得风力发电机的叶片移动?是风。我们都知道,能量既不能被创造,也无法被摧毁,它只能被转化。因此,风力将磨机的叶片向圆周方向移动,产生动能,而动能又将导体所在的转子带动,使它围绕中心的一块固定磁铁(定子)旋转。在水力发电机的例子中,原理是一样的,水的力量使得涡轮机移动。而在火力发电机中,则需要燃烧煤或天然气等燃料来产生蒸汽,再由蒸汽推动这个改良自两千多年前人们就设计出的蒸汽转球式的涡轮机。核发电机的工作原理也是一样,只是加热水所需要的能量是从所使用材料的核能中获得的,这些核能存在于裂变的原子核中(通常是铀235或钚239)。简而言之,根据法拉第定律,我们可以收集河流、风能或其他燃料中的能量,并将其轻易地转化为电能。

凡人亦英雄:亚历山大港的希罗是公元1世纪的一名工程师和数学家,被认为是古代最伟大的发明家之一。他的诸多成就中最伟大的便是发明了历史上第一台热机—蒸汽转球,一种空心金属球体,可带动装有两根弯管的锅炉垂直旋转。一旦球体内部的水升温至沸腾,随之产生的蒸汽就会从管道中流出,使球飞快地旋转。起初,人们仅仅把蒸汽转球当作孩子们的玩物,但很久以后他们才意识到自己掌握着历史上最重要的发明之一。继希罗之后,在18世纪,萨维利、胡克和纽科门相继开发了不同的热驱动机器,最终启发了詹姆斯·瓦特改良蒸汽机。这标志着工业革命的开始,人类自此改变了自己的命运,瓦特[W]也被用作国际电力单位。

不同形式的能源生产的区别还在于生态成本和废料。水和风是清洁的可再生能源,但燃烧天然气和煤炭会向大气中排放二氧化碳,从而加剧温室效应。至于核发电机,对地球可能造成的毁灭性影响是加倍的,因为它们尽管效率更高,产生的能量也更大,但留下的危险放射性废料必须被掩埋长达几个世纪之久。幸运的是,核电站的工作人员和科学家往往要比荷马·辛普森[ 在动画片《辛普森一家》中,荷马·辛普森是斯普林菲尔德核电站的安全检查员。

]更为负责。因此,核泄漏通常很少发生。如果事故一旦发生,其对环境的灾害将是极其严重且不可挽回的。只要记住1986年苏联切尔诺贝利和2011年日本福岛核电站这两场人类历史上最惨重的环境灾难就够了。

人类面临的最大挑战之一是如何解决上述问题,即如何以一种安全、尊重地球的方式生产能源,从而满足社会日益增长的能源需求。

在这一切中,霹雳车是什么样的呢?和所有的汽车一样,它的交流发电机能够利用车轮的旋转来发电,给电池充电,让汽车里的所有电器都能正常运转。更炫酷的是,霹雳车KITT装载了人工智能操控的电脑,不仅比迈克尔聪明得多,还能说话或启动涡轮增压,多亏了这一点,霹雳车能够完成令人难以置信的跳跃,让所有人都惊掉了下巴。

AC/DC(不,我可没在说澳大利亚传奇摇滚乐队AC/DC乐队)是交流电/直流电的英文缩写,电的发现决定了19世纪末期的商业趋势。多亏法拉第,我们知道了如何发电,但接下来的问题来了:电的储存和分配。这引发了两个杰出人士之间的一场巨大的斗争:托马斯·阿尔瓦·爱迪生—一位商业大亨,以及尼古拉·特斯拉—我心目中的英雄之一。

爱迪生是美国通用电气的创始人,摩根大通的合伙人,也是当时最具影响力的百万富翁之一。他所建立起的电力运输系统是基于直流电的,这十分昂贵,并且热量损耗严重。相反,由西屋电气支持的特斯拉的输电系统是基于交流电的,不仅降低了成本,而且电压越高,传输所需的电流就越低。也就是说,相同的功率下,交流电系统会有更低的损耗。

在两人斗争最严重的时候甚至出现了这种情况,爱迪生发明了使用交流电的电椅,并且在马戏团的节目中使用,用它来电死各种各样的动物,甚至包括大象(可怜的动物啊,它们又做错了什么呢?我简直要受不了爱迪生了),企图让公众相信特斯拉的交流电系统是极其有害、致命的。勇敢的特斯拉别无选择,只能亲自用肉身触碰交流电插座,当然,这不会对他造成任何伤害。就这样,结束了当时媒体所称的“电流大战”。

特斯拉一直致力于通过自己的发明让人类生活得更好。他还是日光灯、遥控器、无线供电、雷达的理论原理和许多其他的惊人创造的发明者。他甚至是无线电的发明者,首次公开展示了无线电广播。1895年,意大利科学家马可尼为无线电发明申请了专利,夺走了属于特斯拉的荣誉。当被问起这件事时,特斯拉回应道:“我不在乎他们是不是偷走了我的想法,我只担心他们没有自己的想法。”我不明白为什么这样一位超越时代的天才却迟迟没能得到应有的认可。直到1960年,美国最高法院才认定特斯拉的无线电专利有效。虽然这正义迟到了很久,但总比什么都没有强吧。

1943年,特斯拉在临死前预言:“一个小成本的工具,比闹钟还要小,将会允许人们在任何地方听到音乐、歌曲或者遥远地方的政治领袖的演讲,不管是在海上或是在陆地上。同样的,任何的漫画或者印刷品都可以从一个地方转移到另一个地方。”他在说互联网,还是智能时钟?我只能说,他确实是个天才。

现在,火车和公共汽车都在使用交流电,为了能够重新利用空调、照明系统甚至插座中的能量—这样,你就可以给你的智能手机充电。我小时候用过一辆自行车,它并不像迈克尔·奈特的霹雳车那么神奇,但它有一个交流发电机—是根据法拉第定律工作的。那个小装置把轮子的旋转变成电流,点亮我的车灯,为我照亮夜间漫游的道路。我们把它误认为法拉第自己发明的发电机,但是事实上,它只是把交流电转化为直流电,和我们所有的小玩意一样。这就是为什么每个小电器都有自己的小变压器,无论是在内部或外部,因为电流到达我们的家的形式是交流电,而交流电不能被直接使用。

尽管如此,无论是迈克尔·法拉第,还是交流发电机,又或是我的自行车的前灯,都没能让我少摔几跤,或者少挨我母亲的一顿臭骂,至今想起来,我依旧觉得膝盖隐隐作痛。但是,谢谢你,迈克尔·法拉第。

我把“风力发电机和霹雳车之间有什么共同点?”这个问题发表在了各大社交网站上。

这里有一些充满智慧的评论:

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@Tomas F M. Ac: 它们都要花很多钱,然而在现实中并没什么用。