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交变电流的现象

  《科学美国人》增刊
  1887年7月9日

  摘自在纽约美国电气工程师协会最近的会议上宣读的一篇论文,并在《电气世界》上报道。

  在电学艺术中,由具有相当能量的交流电所产生和产生的作用正变得越来越重要。当然,我指的是交变电流,即频繁逆转的电流,因此,在正电流之后是负电流,在负电流之后又是正电流,这种逆转在一秒钟内发生多次,因此,如果绘制电流或电动势的曲线,将是一条波浪线,其振幅是电流或电动势的正负最大值(视情况而定)的算术之和,而一条水平中间线连接着电流或电动势的零点。
  众所周知,在一个与第二个线圈或导体平行或有感应关系的线圈或导体中通过的电流,如果处于开路状态,将在第二个导体中引起交变的电动势,如果其端子被闭合或连接,相同节奏、周期或间距的交变电流将在第二个导体中循环。这就是发生在任何感应线圈中的作用,其初级导线被交变的电流穿过,而次级导线则直接或通过电阻闭合。在本文中,我想提请大家注意的是两根导体之间将表现出的吸引和排斥的机械作用,以及通过改变两根导体的相对位置可能获得的新结果。
  1884年,在筹备费城国际电气展览会时,我们有机会建造一个大型电磁铁,其铁芯直径约为6英寸,长约20英寸。它们是由直径约为5/16英寸的铁棒捆绑而成。当完成后,磁铁被一个发电机的电流所激发,产生了连续的电流,它表现出了通常的强大的磁力效果。人们还发现,一个铜板的圆盘,厚度约为1/16英寸,直径为10英寸,如果平放在磁铁的一个极上,会轻轻地落在上面,由于圆盘在强磁场中的运动而产生的电流被延缓,而这些电流与磁铁线圈中的电流方向相反。事实上,不可能用圆盘对磁极进行猛烈的打击,即使是用手握住圆盘的一个边缘并将其强行拉向磁体的尝试也是如此。在试图将圆盘迅速从磁极上抬起时,发生了类似但相反的运动阻力作用,这表明电流的发展方向与磁铁线圈中的电流方向相同,当然,这些电流也会因此而产生吸引力。

图1
  图1.

  然而,实验被改变了,如图1所示。如图所示,圆盘D被放在磁极上,并通过分流切断磁铁线圈中的电流。感觉到圆盘的吸引力或向磁极的倾斜。然后通过打开分流开关接通电流,就会感觉到圆盘的排斥作用或上升。刚才描述的动作是在这种情况下所预期的,因为当吸引发生时,圆盘D中已感应出电流,其方向与其下方的电磁线圈中的电流方向相同,而当发生排斥时,感应电流磁盘中的电流与线圈中的电流具有相反的特性或方向。
  现在,让我们想象一下,电磁线圈中的电流不仅被切断,而且来回反转。由于刚才给出的原因,我们会发现圆盘D被交替地吸引和排斥;因为只要它所感应的电流与感应线圈或电磁线圈中的电流方向相同,就会产生吸引力,而当它们的方向相反时,就会产生排斥力。此外,当电磁线圈中的电流在任何一个方向上升到最大时,就会产生排斥力,而当任何一个方向的电流下降到零时,就会产生吸引力,因为在前一种情况下,根据众所周知的规律,圆盘D中会产生相反的电流,而在后一种情况下,圆盘D和电磁线圈中存在相同方向的电流。当然,圆盘可以被一个铜环或其他良好的导体所取代,或者被一个封闭的裸线或绝缘线的线圈所取代,或者被一系列的圆盘、圆环或线圈叠加所取代,结果都是一样的。到目前为止,我们确实没有什么特别新颖的东西,而且,毫无疑问,其他实验者已经做了非常类似的实验,并注意到与所述结果类似的结果。
  刚才对交流电所产生的影响所做的说明,虽然是真实的,但并不是全部的事实,就在这里,我们可以用下面的陈述来补充它。
  一个交流电路或线圈会排斥和吸引与之有直接或磁感应关系的封闭电路或线圈;但排斥作用超过了吸引作用。
  当闭合的电路或线圈被如此放置,并且是这样的低电阻金属,一个相对较大的电流可以作为感应电流循环,以便受到一个大的自感应,排斥力远远超过了吸引力。
  由于没有更好的名称,我将把这种过度的排斥作用称为线圈或电路的 "电感排斥"。
  这种占优势的排斥作用可以被利用,也可以通过在特定方向上产生运动或压力,通过产生像枢轴体那样的角度偏转,或通过产生具有适当组织结构的连续旋转来显示其存在。我现在将描述一些实现这些条件的简单装置。

图2
  图2.

  在图2中,C是一个被交变电流穿过的线圈,B是一个围绕它的铜壳或铜管,但不完全在其中心上方。铜管B是相当大的,是强感应电流的所在之处。有一种占优势的排斥作用,倾向于迫使两个导体在一条轴线上分开。B部分可以由一个在另一个中滑动的同心管代替,或由一堆平环代替,或由一个封闭的粗线或绝缘的封闭线圈代替,或不代替。如果线圈C,即初级线圈,配备一个铁芯,如一束细铁丝,其效果将大大增加强度,并且在强大的初级电流下,排斥力可能变得相当强大,许多磅的推力可以通过相当中等大小的设备产生。
  C和B两部分的形式和关系可能会有很大的变化,一般的结果是当交变电流循环时,排斥作用占主导地位。

图3
  图3.

  图3显示了内部锥形或圆锥形的部分B和外部锥形的部分C,绕在铁线束I上。图2中的作用可以说与带芯的普通螺线管作用类似,只是产生了排斥力,而不是吸引力,而图3的作用更像是锥形或圆锥形螺线管和锥形芯的作用。当然,没有必要两者都是锥形的。这种塑造的效果只是改变了作用范围和在该范围内不同部分存在的排斥力的大小。

图4
  图4.

  在图4中,对布置进行了修改,使线圈C在外面,而封闭带或电路B在里面并围绕着铁芯I,电感应排斥与以前一样产生。
  很明显,当线圈或电路的电气中线重合时,排斥作用将不会通过轴向运动或努力来体现。在圆柱形线圈中,电流均匀地分布在导体截面的所有部分,我在这里所说的电气中线,或线圈的安培匝数的重心,将是在其中线与轴线成直角的平面,图4中B和C的平面,用虚线表示。重复一下,当导体的中心或中心平面(图4)重合时,没有电感排斥的迹象,因为它在所有方向上都是相互平衡的;但当线圈移位时,就会出现排斥,这种排斥在某个位置达到最大值,取决于两个电路或导体中任何时候的电流比例和分布的特殊性。

图5
  图5.

  我现在的目的不是讨论确定电流分布和机械效应的方法,因为这将使本文的内容大大超出其预期的限度。两根导体的形式和相对排列可以有很大的变化。在图5中,两个部分的直径相等,其中一个B是一个封闭的环,另一个C是一个与之平行的环形线圈;在两个线圈的共同轴上放置一个铁芯或线束,增加了排斥作用。B可以是一个简单的圆盘或任何形式的盘子,而不会大大影响产生的作用的性质。如前所述,它也可以由一堆铜垫圈或一圈金属丝组成。

图6
  图6.

  图6显示了一个与马蹄形电磁铁和电枢有些类似的部件排列。交流电线圈,CC'缠绕在一个弯曲成U形的铁线束上,在其两极对面放置了一对厚铜盘BB',它们被吸引和排斥,但排斥力的大小取决于它们的形状、厚度等。

图7
  图7.

  如果铁芯采取图7中II所示的形式,如一个切割环,上面缠绕着线圈C,那么当交变电流通过C时,将一块厚铜板B插入环的槽或分割部分,将受到排斥力的反对。趋势是将板B从环的槽中推出,只有当它的中心与连接B所处环的两极的磁轴重合时,才会出现这种情况。

图8
  图8.

图9
  图9.

  如果导体的轴线。图5中,导体的轴线不是重合的,而是移位的,如图8,那么,除了简单的排斥力外,还有一个横向的分量或趋势,如箭头所示。与此相似的是图9所示的实验。在这里,封闭的导体B被放置在与C的平面成直角的地方,缠绕在一个线束上。B部分倾向于向线圈C的中心移动,因此它的轴线将在C的中间平面上,横跨磁芯,如虚线所示。这使我们立即想到另一类作用,即偏转作用。

图10
  图10.

图11
  图11.

  当其中一个导体,如图10中的B,由一个圆盘组成,或者更好的是由一堆薄铜盘组成,或者由一个封闭的电线线圈组成,被安装在一个轴X上,横跨线圈C的轴,交流电通过该线圈,B将发生偏转到虚线所示的位置,除非B的平面在开始时与C的平面完全重合,如果开始时稍有倾斜,将引起所述的偏转。线圈C是否倾斜于B部分或被其所包围,或者线圈C是否旋转,B是否固定,或者两者都旋转,这都不重要。在图11中,线圈C围绕着铁芯,而B则如图所示,在其上方旋转。如前所述,它被偏转到虚线所示的位置。
  在此必须指出,在需要获得偏转的情况下,如图10和11,B最好由一堆薄垫圈或绝缘线的封闭线圈制成,而不是一个实心环。这样就可以避免由于环状物中的电流在平行于其圆周的其他方向上的感应而导致的效果降低。
  我们现在将把注意力转移到对所表现出的作用的解释上,并在之后提到它们可能的应用。可以肯定地说,如果闭合导体中的感应电流不受任何自感应的影响,那么表现出来的唯一现象将是交替出现的相等的吸引力和排斥力,因为当原生电流从零变化到最大正负电流时,电流将被感应到与之相反的方向,从而产生排斥力;而当从最大正负值变化到零时,将被感应到相同的方向,从而产生吸引力。

图12
  图12.

  这个条件可以用图12来说明。这里的零电流线是水平直线。波浪线代表每个导体中电流强度的变化,一个方向的电流由零线以上的曲线部分表示,而另一个方向的电流由零线以下的部分表示。竖直的虚线只是标记出相应的相位或时间的连续部分。
  这里可以看到,在正的初级电流从最大值m下降到零线时,次级电流已经从其零点上升到它的最大值m1。因此,吸引力将随之而来,因为电流在两根导体中的方向是相同的。当初级电流从零增加到其负的最大值n时,次级闭合电路中的正电流将从其正的最大值m1减少到零;但是,由于电流的方向相反,将发生排斥作用。这些吸引和排斥的作用将不断重复,在初级电流的一个完整波段内,先是排斥,然后是吸引,再是排斥,最后是吸引。图12脚下的字母 "r "和 "a "表明了这种连续的情况。

图13
  图13.

  然而,在现实中,自感的影响导致了次级电流的滞后、偏移或相位延迟,这将大大改变结果,尤其是当次级导体的结构使这种自感具有较大的值时。换句话说,初级或自感电流的最大值将不再与次级电流的零点相吻合。其效果与图12中代表次级电流波的线被或多或少地向前移动是一样的。这在图13中有所表示。这无疑是对作用的夸张看法,尽管从我所产生的排斥效果来看,我应该说这绝不是一个不可实现的条件。
  我们会注意到,电流相反的时间段,以及排斥力可能发生的时间段,是以牺牲电流在同一方向的吸引作用的时间段为代价而延长的。这些不同的时间段被标记为r、a等,或者说,存在排斥力的时间段是从初级或自感电流的零点到次级或自感电流的后续零点;而存在吸引力的时间段是从自感电流的零点到自感电流的零点。
  但在突出排斥效应方面,比有效周期的差异更重要的是,在排斥期间,自感和感应电流都有其最大的值,而在吸引期间,电流相对较小。这个条件可以用另一种方式来表达,即排斥发生的时间段包括所有电流的最大值,而吸引的时间段则不包括任何最大值。这样,在一个较长的时间段内,由于强大的反向电流的总和效应而产生了排斥,而在一个较短的时间段内,由于同一方向的微弱电流的总和效应而产生了吸引,其结果是大大超过了排斥的效果。
  现在不难理解,之前描述的所有动作都是通过线圈、磁场和闭合电路的不同关系获得的。我们也会很容易理解,交变磁场在所有方面都与交变电流线圈在闭合导体上产生的排斥力相同,因为两个导体之间的排斥力是由线圈产生的相反的场所产生的磁排斥力的结果,当电流在它们中的方向相反时。
  到目前为止,我已将所述的排斥作用应用于交流电指示器、交流电弧灯、交流电的调节装置以及这种电流的旋转电机的制造。对于电流指示器来说,一个由薄垫圈堆积在一起并相互绝缘的枢轴或悬挂的铜带或铜环,被放置在输送交变电流的线圈的轴线上,该线圈输送交流电流的量或电势被指出。重力或弹簧被用来将指数带到分度尺的零点,这时铜环或铜带的平面与线圈的平面形成一个角度,例如15度到20度。根据穿过线圈的电流,这个角度会因偏转而增大,或大或小。该仪器可以根据设定的使用条件进行校准。时间不允许对这些安排进行全面描述:到现在为止。
  在电弧灯中,用于形成电弧的磁铁可以由一个封闭的导体、一个用于通过电流的线圈和一个铁丝芯组成。闭合导体上的斥力作用可以提升和调节碳,其方式与使用连续电流时的电磁体相同。电感排斥作用也被应用于交流电的调节装置,其细节我现在无法处理。
  对于可以从静止状态下启动的交流电机的构造,该原则也被应用,在此可以指出,这种电机的许多设计是可行的。

图14
  图14.

  其中一个最简单的方法是如下。图14中的线圈C被交流电穿过,并被放置在一个安装在水平轴上的线圈B上,该轴横跨线圈C的轴线。换向器的结构可以使线圈B从与C的平面重合的位置到B的平面与C的平面成直角的位置保持短路;并使线圈B从直角位置或左右到平行或重合的平面位置保持开路。当B的电路由换向器和电刷完成时,如前所述,B表现出的偏转排斥力将使其平面与C的平面成直角;但由于开路,其动力将其带到刚过去的平行位置,这时它又被短路,如此循环。它能够进行非常快速的旋转,但其能量很小。然而,我已经将这一原理扩展到建造更完整的装置。一种形式是其旋转部分或电枢由若干铁片盘组成,像往常一样在轴附近绕有三个线圈。换向器被安排为连续短路这些线圈中的每一个,并且在一转中短路两次,每一次的旋转周期为90度。电场线圈围绕着电枢,有一个叠层铁芯场结构来完成磁路。我可以在这里说,用场线圈包围发电机的电枢,虽然是最近才提出的新做法,但在各种汤姆森·休斯顿专利中都有描述,而且在某种程度上所有汤姆森·休斯顿机器都体现了这一特点。

图15
  图15.

图16
  图16.

  图15和图16将使人们对上述电机的结构有一个概念。CC1是磁场线圈或自感线圈,只有这些线圈被放入交流电路中。II是一团夹层铁,电枢在其内部旋转,它的三个线圈B、B2、B3绕在铁片盘的铁芯上。换向器将电枢线圈在适当的位置连续短路,以利用由磁场线圈中的交变引起的电流所产生的排斥效应。该电机没有死点,可以从静止状态启动并发出相当大的功率,但经济性如何尚不清楚。
  该机器的一个奇怪的特性是,在一定的速度下,根据线圈C中交变的速度,连续的电流从一个换向器刷子传到另一个,它将使电磁铁通电并执行其他直接电流的动作。因此,我们有一种从交变电流中诱发直接电流的方法。为了控制速度并将其保持在目的所需的速度,我们只需将电机与另一个普通类型的交流电进行适当的传动,即用作电机的交流电发电机。用这样的机器给蓄电池充电并不困难,即使是在交流电线路上也是如此,尽管损失可能会很大。

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