第一章 神奇的电世界
第一章 神奇的电世界 (第1/3页)
引言
美国发明家爱迪生（1847-1931）是世界技术历史中最显著的天才之一，他的一生象征着人类智慧、文明、进步的理想。爱迪生一生拥有电灯、留声机、炭粒话筒、电影放映机等1093种发明专利。
爱迪生今天仍然没有被世人遗忘，因为他的千项科学技术发明都已经深入到各个科技领域，深入到人类的日常生活中间。今天人们对爱迪生的颂扬出自于人们亲身的感受：他的创造发明给人类带来了福祉。爱迪生的未竟事业由千千万万个智者在完成和开拓。20世纪末的科学进步和成就证明，人类的智慧和创造在飞跃，一个崭新的科学信息时代开始了。爱迪生顽强搏击于科学海洋的精神和卓有成效的创造发明理所当然地赢得同时代人的赞扬，同时也给后人留下了一笔宝贵的精神财富。1923年6月24日，在美国《纽约时报》上刊登了一篇奇文。文章说：“有一种人的大脑价值连城。在工商界，人们把它估计为150亿美元！这是上百亿，而不是几百万啊！它等于美洲被发现后全世界金矿所开采到的黄金价值的20%。这个大脑属于爱迪生”也许这是本世纪初叶美国报界对科学巨人成就评估的粗浅的价值观。今天人们会这样去认识：爱迪生的科学贡献是永恒的，他的价值并非金钱所能比拟的。第一次世界大战期间，爱迪生这个七旬老人被美国总统任命为海军顾问委员会主席，指导鱼雷和反潜设备的研究。直到辞世前3年，他还在研究从本国的草类提取橡胶。他活到84岁，留下的遗言是：“只要你勤奋，只要你想着明天，你就会大胆而坚定地发掘自己的智慧和力量。”
一
远在上古时期，居住在地中海区域的人们，特别是希腊人已经最早观察到今天众所周知的“电”和“磁”的现象。而“电”这一术语，到16世纪末、17世纪初才出现。后来，特别是从18世纪起，电的内容逐渐地得到了充实。最后，到19世纪，电才开始为人类服务。1600年，英国自然学家、医生威廉·吉尔伯特的名著《论磁》出版问世了。一般说来，这是最先出现的在实验的基础上写出的专题学术著作之一。因此，在电磁学的历史上，这一年成了一个非常重要的转折时期。在此之前人们认为，电力只是琥珀所固有的，而磁力只是铁才可能有。吉尔伯特用试验来证明，有许多物质，如玻璃、树脂、矿物等在摩擦时就会出现起电现象，而地球虽然不单单是由铁所构成，但却是一个巨大的磁体。吉尔伯特使用了电力（即琥珀力）这一概念。18世纪起派生词“电”这一术语，开始广泛使用起来。在18世纪的俄国科学书籍中“电”这一术语也被普遍使用起来。当时人们对电现象和磁现象的本质及其相互间的联系还不了解。吉尔伯特认为这两种现象是完全不同的，而这一观点直到18世纪中叶仍占统治地位。后来，多亏有了圣彼得堡科学院院士捷·埃皮努斯的著作，才给新观点（科学中又增加了电现象和磁现象是相似的这些概念）奠定了基础。在古代的生活中，人们观察到了大气放电现象，在人体接触某些鱼类时有麻的感觉，但是并未由此理解到这就是电力的表现。直到18世纪后10年，人们才开始对静电进行研究，并试图实际去运用它。而静电只限于用来医疗疾病，用来放出电火花使火药引爆，以及用来把电荷传到远方，后一种用途也就是创造电报机的最早尝试。
在18世纪，通过对静电的观察而积累了大批资料。弄清了导电体和非导电体的存在，证明了电有两种，即阳电（玻璃电）和阴电（树脂电）；找到了用机器获得大量静电荷的较完善的方法；发明了用来顿瓶和电容器储存静电荷的方法；发现了静电感应现象。因此，在对电的现象进行定性研究方面取得了巨大成就。18世纪末，库仑确定了电荷相互作用量的特性曲线。这就是著名的库仑定律。
虽然对静电的性质和作用的研究，并未能预示它在何种程度上可以运用于实际目的，但对电现象的进一步认识却具有极重要的意义。通过研究，发现了静电荷的有趣的特性，创立了一系列重要的电学理论，完善了试验技术，精心创造出一系列试验仪器。更为重要的是，电现象的研究已经引起了人们的密切注视，电学研究专著的数量在18世纪也迅速得到了增长。18世纪的后10年，科学家的注意力转到了路·伽伐尼所发现的并为亚·伏特发展了的一系列新的电现象方面，进一步发现了人们认为与摩擦电不同的新形式的电，这就是电流。
18世纪的最后一年（即1800年），科学上发生了一个著名的重大事件。亚·伏特根据自己的同国人路·伽伐尼所做过的试验和结论作了进一步的试验和分析，制造出第一台恒向（直流）电流发电机，这就是著名的伏特电堆和环形电池。从此，开辟了伽伐尼电流研究的新时代。对伏特发明的那种新的电池现象的检验，证明这些材料是完全可信的。从此，更进一步探索电流秘密的工作开始了，电工技术的最重要时期开始了。这一时期的特点是，整个时期全部被用来研究伽伐尼电流，并试图投入实际应用。众所周知，电能的运用是五花八门的，大体说，可以分为两种：一、作为动力，就是大量地把电能变成另外几种形式的能，如变成机械能（传动、牵引），光能（照明），热能（加热过程），化学能（各种电解过程）等；二、作为非动力，基本上就是利用电脉冲或少量的能，以便作用于各种指示器或调整仪器等。
从1800年伏特发明电堆到1831年法拉第发现电磁感应现象，这是电工技术发展的第一时期。这一时期对于电流的利用来说虽收效甚微，但对电流的特性的研究和实际利用途径的初步探索却收效极大。卡莱尔和尼科尔逊早在1800年就已发现了电流的化学作用，并用电流把水的构成元素分解出来。1801年乌·赫·沃拉斯顿用实验方法证明：从伏特电堆中所获取的电流同在出现静电时所获得的那些电荷相同，曾发现电流的热效应，即电流可使导体变热并出现火花形式的发光效应。
电流的化学作用的发现给当时年轻的科学家、伦敦皇家学院的化学教授赫·代维留下了强烈的印象。他在1807年制造一个由4000个铜片和锌片组成的功率强大的伽伐尼电流电源后，也观察了两个炭极间产生的电弧效应。代维利用这一功率强大的电流电源于1807年—1808年对许多金属进行了电解并得到一些纯元素。弗·里特在1803年发现伽伐尼电流的电能有可能被蓄积起来。
值得指出的是，伏特给皇家学会去信以后的几年内，各方面在伽伐尼电流方面进行了大量的实验工作。在电流发现后的这一最初时期里，是否可以研究电的实际应用问题？电的应用的先决条件是否已经具备了呢？
那些年正是产业革命的胜利发展时期。机器工业和作为机械能源的蒸汽发动机普及到越来越多的新兴工业部门。速度更快和效率更高的运输工具（即由有蒸汽牵引车的铁路），很快取代陆地兽力运输工具，水运使用蒸汽发动机的试验也正在顺利进行。这些试验，有力地表明蒸汽发动机能使这一技术部门发生革命性的变革，能给予世世代代所使用的船帆以致命的打击。产业革命创造了许多先进条件，而这些条件的利用程度还很低。这时是否就需要寻求利用电流的途径呢？这种需要在电工学发展初期就已开始产生了。人们考虑到这一点，并对这些问题做了精心研究。首先研究的问题是：在使用了当时已做出了足够研究的力学、光学、气体动力学等学科的各种方法都不能解决重要的实践课题时，可否使用电来解决？为着这一目的，迫切需要解决的问题，首先就是利用电流能神速地沿着与大地绝缘程度很高的电线传导的特性；其次是利用电流能把各种液体电解成其各种组成成分的特性。
伽伐尼电堆的远距离神速传导的性能，可以被用来把信号传送到远方去，即用于有线电通讯。1909年泽海林格利用伏特计在液体分解时靠出现的气泡显示出脉冲现象的基础上发明了电解电报机，但并不好使用。帕韦尔·利沃维奇·希林格发明了电磁电报机。他在慕尼黑用他的电报机进行了多次试验，作出了不少的有益结论。电磁电报机传送到离传送点很远的地点的脉冲能产生出火花，并能点燃某种爆炸物。帕·利·希林格在彼得堡涅瓦河（1812年）和在巴黎塞纳河（1815年）成功地演示电流起爆水雷法，并以此开创了地雷电工技术。由于1819年奥斯特发现了电磁现象，即电流作用于磁的现象，使电工技术发展在第一时期就有了极重要的变化。由阿拉哥和安培等人所证实并发展了的埃尔斯捷德试验导致了创造出电线螺线管、扩程器、电磁铁和电流计；弄清了电流对导体的磁化和电磁的转动效应。巴洛、法拉第和亨利的试验表明，电能和磁能可以转变为机械能，即可以制造出电机。我们认为1880年—1831年这一时期内伏特电堆和所有各种各样的电池组实际应用起来功率太小，性能不稳定，不可靠。1821年塞贝克发现了热电并重视热电堆的建立。但热电并不能保证制造出实际所需电流的发电机。麦克尔、法拉第开始进行电感应及其他问题方面的试验。乔治·西蒙·欧姆在1827年发表了对简单的传导电路规律性进行探讨的专著。毕奥·萨伐尔和拉卜拉斯在1821年得出了电流和磁体间相互作用力的数学公式，而安培则得出了电流间的相互作用的数学公式。
综上所述，可以说1800年—1831年这一时期为以后技术上使用电流的工作创造了许多先决条件。这些先决条件涉及到对电流特性的研究和电流的表现形式与作用的发现。
二
电工技术发展的第二时期（1831年—1867年）有关电的知识进一步扩大了，而且技术上利用电流的许多问题也得到了实际解决。第二时期是以法拉第的卓越发现（电磁感应的发现）开始的。愈来愈多地利用感应现象过程是在这一时期度过的。电磁感应的发现，过去是现在依然是全部物理学史中的最主要的阶段之一。所有现代的“强电流电工技术”，即照明、电解和电热过程，机械能的产生和其他电的动力应用，都是以法拉第的发现为其渊源的。帕韦尔·利沃维奇·希林格由于把扩程器用作按一定电码传送脉冲的指示器，遂于1828年—1832年创造出了合乎实用的电磁电报机。在这一时期末，欧洲大陆和北美洲大陆上都布满了密集的电报线路网。使用了专门设计出来的水底电缆进行起铺设穿越大面积水域的电报线路的试验来。起初，电报电缆铺设在穿过河下的不大的距离上；这对于弄清电缆在水下的工作条件和改进绝缘情况，具有特别重要的意义。1850年，电缆曾穿过英吉利海峡铺设过去，但在过了一年以后，才得到良好的通讯效果。1856年，为筹划在英国和美国之间进行电报通信而组织了大西洋电报公司。该公司拥有雄厚的资财，它吸收了大批科学人才参加它的工作；威廉·汤姆生（开耳芬）领导了建设这一巨大工程的技术工作。1866年，这个公司在为排除大量事故而付出了10年艰难劳动之后，欧美间的电报通信终于建立起来了。这一条3600公里（1900海里）远的电缆的敷设，是一个特别重要的电工技术的实地训练：它引导人们去研究和解决在远距离线路上电流传导的许多特殊问题，并去详细研究电气安装技术的实际问题。一些伟大理论家（开耳芬等人）和许多实践家都参加了电报技术方面的工作。电报传送数量增加和电报传送距离增大，就要求强化线路的利用率（所谓复用）。
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