标准电极电势和转移电子数

1.直流发电机的工作原理

电机的工作原理建立在电磁力和电磁感应的基础上。电磁感应定律说，在磁场中，当导体切割磁力线时，导体中就有感应电动势产生。图2.1.1是一个两极直流发电机的物理模型。图中两个空间固定的永久磁铁北极（N）和南极（S）之间，安放一个有凹槽的圆柱形铁心，称为电枢铁心；电枢铁心和磁极之间的缝隙称为气隙；在电枢铁心的凹槽中安放一个线圈（abcd），称为电枢绕组；绕组的两端焊接在两个互相绝缘的半圆形铜换向片上，由换向片构成的圆柱体称为换向器；为了把电枢和外电路相连，安装了空间固定不动的两个碳质电刷A和B；电刷同换向器接触可向外电路供电；当原动机拖动电枢转动时，电枢铁心、电枢绕组以及换向器是旋转的，而主磁极及电刷在空间固定不动。下面利用这个模型来说明机械能怎样变成电能，即直流发电机的工作原理。

当原动机拖动电枢（转子）以转速n沿逆时针方向旋转，转子正好转到图2.1.1（a）所示位置时，导体ab正好在N极下，而导体cd正好在S极下。如果这时导体所在处的磁通密度为B，导体长度为l，导体的线速度为v。根据法拉第电磁感应定律，每根导体感应电动势瞬时值为e＝Blv，感应电动势的方向可用右手定则决定。N极下的ab导体电动势方向由b到a，而S极下的cd导体电动势方向由到d到c，如图2.1.1（a）箭头所示。线圈abcd的电动势大小恰好是ab导体电动势（或cd导体电动势）的二倍，方向为a端为正，d端为负。此时电刷A极性为正，电刷B极性为负。在电刷AB之间接上负载，就有电流从电刷A经外电路负载而流向电刷B。此电流经换向器及线圈abcd形成闭合回路，线圈中，电流的方向从d到a。

当电枢（转子）转过180°，在如图2.1.1（b）所示位置时，导体ab正好在S极下，而导体cd正好在N下，导体cd电动势方向由c到d，导体ab电动势方向由到a到b，如图2.1.1（b）箭头所示。此时，线圈abcd的电动势方向为d端为正，a端为负。但由于电刷不随换向器转动，仍然有电刷A极性为正，电刷B极性为负。流过负载的电流方向不变，线圈中的电流方向改变了，即从a到d。可见转子连续旋转时，A刷引出的总是N级下导体的正电动势，B刷引出的总是S级下导体的负电动势。经过电刷和换向器的整流作用把电枢绕组内的感应的交变电动势变成了由电刷A、B间输出的直流电动势，这就是直流发电机的基本工作原理。

图2.1.1　直流发电机基本工作原理

为了进一步理解交变量和直流量在发电机的变化，下面分析一下输出电动势波形。由式e＝Blv可知，如果线圈有效导体长度l和切割磁通的速度v恒定不变，则感应电动势e正比于导体所在位置的磁通密度B。如果B沿定转子之间的气隙空间分布波形接近于按正弦规律分布，如图2.1.2（a）所示。线圈abcd两端感应电动势e随时间变化的波形e与B有相同的形状，其中α为磁极的空间角度，ωt对应导体电动势的时间角度，经过整流由电刷A、B输出的电动势波形el则如图2.1.2（b）所示。可见直流发电机电枢绕组的感应电动势是交流电动势，但经过旋转换向器和固定电刷的机械整流引出的却是直流电动势。只有一个线圈时，电刷间的电动势是脉动很大的直流，如图2.1.2（b）所示。在实际电机中，电枢不只是一个线圈，而是由许多按一定规律连接起来的线圈组成，这样电动势的脉振程度会减少，电动势总的输出增大。

图2.1.2　电动势波形图

2.直流电动机的工作原理

将如图2.1.1（a）所示直流发电机模型中的原动机和电刷A、B两端的负载去掉，并在A、B两端接上直流电源，就成为最简单的两极直流电动机，如图2.1.3所示。它把直流电能转换成机械能，带动轴上的生产机械做功。当电动机转子转到图2.1.3（a）所示位置时，ab导体刚好在N极下，cd导体在S极下。直流电流由电源正极经A刷流入电枢绕组，在线圈内部电流的方向是由a到b，由c到d。然后经B刷返回电源负极。如果导体所在处的磁通密度为B，导体长度为l，电流为i，根据电磁力定律可知，这时导体受力为f＝Bli。受力方向由左手定则判定，判定结果导体ab和cd受力产生的转矩均为逆时针方向，当电磁转矩大于阻转矩时，电动机逆时针旋转。当电机转子转过180°时转到图2.1.3（b）所示位置，这时导体cd在N极下，导体ab在S极下。电流经A刷由d端流入线圈。在线圈内部方向是由d到c，由b到a，如图中箭头所示。根据左手定则仍可判定ab和导体cd受力产生的转矩为逆时针方向。由此可知，虽然导体内部电流方向变了，但受力产生的转矩方向不变，转子连续旋转方向不变，这就是直流电动机的基本工作原理。

图2.1.3　直流电动机基本工作原理

3.电机的可逆原理

由以上分析可知，同一台直流电机，只要改变外界的条件，就既可以当直流发电机运行，又可以当直流电动机工作。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作直流电源对负载供电；如果在电刷端外施加直流电压，则电枢导体受力，转子旋转成为电动机，从而把电能变成机械能。发电机的作用和电动机的作用同时存在于直流电机这个同一体中。

这种同一台电机由于外界条件的不同，既可以作发电机也可以作电动机运行的原理，不仅适用于直流电机，而且也适用于交流电机，是电机理论中的普遍原理，称为电机的可逆原理。但专门设计的电动机在结构上有其特殊性，作为发电机往往达不到优良的性能。