第一章 神奇的电世界
第一章 神奇的电世界 (第2/3页)
于是就研究出了各种自动化的和多路同步电报系统。电报技术也要求改进伽伐尼电池这种供电电源，而采用了丹尼尔、格罗夫和本生等人的电池。1859年普兰捷发明了铅蓄电池，把它作为电流的次级电源使用。电报机构造的发展，对于制定和建立国际电单位制起了重要作用（这一工作早在40年代就开始了，但到1860年由英国科学促进会委员会初次把建立电单位制作科学基础之前，一直是困难重重极不协调地进行着）。电报技术的发展促进了电测量技术的建立和完善，以及测量仪器的制造。电报技术的经验也被利用来制造电气自动学和遥控机械学的电路、仪表和装置。这一时期详细研究了如弧光灯的自动调整器的主要类型，以及许多电磁装置、电机装置、电热装置和诸如此类的演示装置。有一点很重要，需要提出来，即1860年进行了制造电话机的最早尝试，而德国教师菲力浦·赖斯的试验是最有名的。
电报技术是在电工技术发展的这一阶段中运用电的最主要方面，它没有利用电磁感应现象就迅速发展起来了。制造电动机也是这样，可以根据纯电磁原理制造出来。但发明家们却未取得任何良好的效果。问题在于这种电动机需要强大和稳定的电源，伽伐尼电池组不能保证这种电动机的用电量，而靠感应原理工作的发电机才是这样的电源。但这种发电机到1870年才制造成功。电报技术在这一时期已经成为技术上得到精湛研究、在实践中得到广泛应用的一个部门。这个时候电工技术的其他一些部门却还处在用试验性装置进行研究和探讨阶段。1838年鲍里斯·谢明诺维奇·雅科比院士发明了电版术。在很多城市兴办起了镀银镍等的电镀作坊。电解电镀术在电工技术发展的第三时期依靠格拉姆（1870年）、赫失纳—阿利捷涅克（1873年）等人制造出质量高的发电机后才得以全面发展。
就在这个时期，有人做了一些利用电流进行电热作用的试验。但继电报术之后最引人关注的和最有意义的事，应属电力照明问题了。对于这一问题来说，电工技术发展的第二时期是它的重要的准备阶段。在上个世纪70年代，电力照明的设想成了现实，虽然最初电照明的普及由于电能价格昂贵而受到限制。电照明的历史，将在专论托·阿·爱迪生致力于改进白炽灯的一章里予以详细的阐述。我们在这里仅仅指出，在电工技术发展的第二时期，主要类型的弧光灯已被创造出来，并进行了试验；许多白炽灯的结构已提出来了；稀疏气体放电管（盖斯勒电管）已制成并试验了。当时，作了大量试验性材料的准备，以便研究解决实际运用电照明所不可缺少的重要条件：必须保证照明设备有可靠的廉价的电源。这种电源就来自那种根据法拉第所发现的电磁感应原理而工作的发电机。电机制造业经过了电磁发电机制造阶段；然后又经过了电磁和他激发电机制造阶段，终于在1867年采用了自激原理，根据这一原理，可以制造出优质直流发电机。这个阶段就介于电工技术发展的第二时期和第三时期之间。我们在这里只能根据电的技术运用的进步观点，来评述电工技术发展的“法拉第阶段”（1831年—1867年）。而电学和磁学方面的科学进步，我们只能扼要地提一提。需要指出的是，由克希荷夫所确立的分支电路定律；韦伯和高斯在磁学方面的著作；能量守恒定律和能量转换定律的确立；电流的热效应定律（焦耳—楞次定律）的确立；以及法拉第在电解定律、抗磁现象定律等，是这方面所进行的广泛研究。麦克斯韦在这一时期详细研究了电学和磁学的理论。这种理论在稍晚一些时候，即在电工技术发展的第三时期刚一开始，便为广大科学家们所熟悉。整个第二时期就是从技术上广泛利用电脉冲时期，也就是真正实现“非动力的”运用电并在照明、传动和运输方面，在技术操作过程中准备开始广泛地把电流用作动力的时期。电磁感应的发现和利用发电机磁场内的导线移位法获取电能的可能性，使电流转变为动力完全成了现实。在整个第二时期期间，只有直流电得到了实际运用；人们对交流电持怀疑和警惕的态度。因为当时对交流电很少研究，而且运用也有限。第一批生产电器、仪表和机器的企业出现了。因为架设电报线路的工作在当时具有重要的意义，所以电气工业企业基本上是生产电线、电缆、绝缘材料、电报机、电磁铁、继电器、伽伐尼电池、某些类型的测量仪器（主要是测量电阻、电流强度和电动势的测量仪器）。电机的生产有其独特性；既没有成批生产，更没有大量的生产。弧光灯这时制造量相对总是比较多的，型号也很多，但却没有一种型号能成批生产。
当时人们是否都足够清楚地了解到，电给技术和人类的生活会带来哪些巨大的变化呢？对这一点人们是日益明确起来了。电工技术方面的发明申请书数量和专利特许证颁发出的数量，正在异常迅速地增长。美国专利部门在1849年的报告书中表明，电在不久将来就要得到各种各样的运用，电的运用比起当时许多人为寻找幸福而涌向的加利福尼亚砂金矿，更能促使人们发财致富。这个报告书指出，电除了供电报通信外，“还可以从发出地被迅速输送到远方，可以开动陆地上的车辆、水上的船只，可以使各种生产机器动起来，可以参与农业或家务劳动”。
三
电工技术发展的第三时期是从1867年到1891年。这一时期，是以在电磁感应现象和自激原理（直流发电原理）的基础上创制出格拉姆发电机时开始的。格拉姆发电机比用伽伐尼电池，能更便于保证电能生产；同时，感应方法比伽伐尼电池能提供出更加廉价的电能。格拉姆环形电枢发电机证明新发电方法是优越的。在这种发电机之后，又出现了更为完善的圆筒形电枢发电机（赫夫纳—阿利捷涅克，1873年），而且这些发电机的结构形式也因发明人的不同而各异。直流电机的功率在不断增大；随之又出现了更加完善的型号即多极电机。在七十年代后五年里，巴·泥·亚布罗齐柯夫悉心研究，开始制成单相交流发电机。
这样，最主要的问题解决了：由于电力不足、价格昂贵所造成的电工技术发展中的种种限制解除了。电工技术发展第二时期（1831年—1867年），是“弱电流电工技术”也就是电能非动力运用的极盛时期，也是“强电流电工技术”即电能的动力运用开始深入研究的时期。在第三时期（1867年—1891年）非动力运用（电报术、电话术、电信号设备、闭路装置、自动装置、遥控等）得到了进一步发展，而在动力运用方面，从试验阶段转为直接实际运用。整个第三时期，基本上是在运用直流电的标志下过去的；只是由于亚布罗齐柯夫电烛的发明，单相交流电才得到了运用。在这一时期末，单相交流电在解决了电能集中生产和远距离输送问题的情况下，才开始发挥巨大作用。究竟有哪些用电的部门，在这时已经形成并巩固下来了呢？首先应当提到的是电照明。弧光灯作为一种光源，从设计上说在某种程度上已达到可以广泛实际运用的地步；因为不仅成功地创造出了许多效能很好的自动调节器系统，而且也解决了当时视为十分复杂的“电流分配问题”，即在一条电路上任意数目的弧光灯（契柯列夫、赫夫纳—阿利捷涅克的差动弧光灯）同时工作的问题。
这时涌现出了一批城市，它的街道、胡同和广场都有电照明。例如，美国的沃巴什市（印第安纳州）的所有室外照明全部使用弧光灯。1885年，俄国的皇村（现叫普希金镇）的街道、住宅和公共场所全都用电灯照明。看来，这是历史上第一次实现了整个城市照明设施全部电气化。巴维尔·尼古拉耶维奇·亚布罗齐柯夫在这一时期（1876年—1881年）的工作获得了卓越成就，而且对提高电照明的研究兴趣产生了巨大影响；他所发明的电烛使首都和一些大城市的公共场所和街道、港湾、码头、沿河街、公园和戏院等地方，有可能安装大量电照明设备。
发明家早就试图制造出白炽灯。第一批电灯还在上个世纪40年代和50年代就已创制出来。而在电工技术发展的第三时期，终于制造出了完全适合于大量实际运用的电灯。白炽灯已被广泛运用了，它使整个照明技术发生了革命，它对电工技术的发展产生了巨大影响。与此同时，提出了一系列新的任务，而其中最主要的任务是：电能的集中生产和用输电线把所需数量的电能输送给消费者。在整个这一时期内，各处都在建立电站；制造分配电能的设备以供应电站附近消费者；并进行远距离能量输送的试验。对远距离能量输送问题的详细研究，导致了一场关于电流种类的极激烈的辩论。出现了彼此观点完全对立的两个阵营。直流电的拥护者们，持有相当有力的论据。当时，对直流电已进行了有效的研究并进行了广泛的试验。比较适宜于用交流电的亚布罗齐柯夫电烛，在一段时间内使交流电的拥护者占了上风，但随着亚布罗齐柯夫电烛的时过境迁，领先地位又转到直流电的拥护者方面。有利于直流电的主要论据是，直流电可能把蓄电池的设备作为该系统的主要元件加以应用；可以把夜间负载转换到蓄电池上，关掉发电机，节省原动机的机械能。在负载的高峰时候，可以接通蓄电池和发电机并联工作。当时人们认为，发交流电耗煤量要比发直流电耗煤量多一倍半，也就是说交流电比较贵；交流发电厂的额定功率应比配有蓄电池设备的直流发电厂的功率大。对此应当补充说明的是，最初人们并没有使一些交流发电机并联工作；发电厂的每一个发电机都为一定的消费者服务。当某一个交流发电机负载不足的时候，绝不能把它断开，而把负载转加到另外负载不足的发电机上。交流发电机并联工作，不是一蹴而成的。人们对电能的需求不断增长，这样，直流电拥护者的阵地趋于巩固。直流电发动机便于操作，而合乎实际运用的单相交流电发动机当时还没有。这是普及交流电的严重障碍之一。由于对电能需求的增加和力求使电能的价格降低，人们理所当然地提出这样的愿望：建立大发电厂集中生产电能，并把电能远距离地输送分配给消费者。但这是一件需要进行专门研究和试验的崭新的工作。当时没有预料到在装备比现有功率还要大的发电厂时，会有多大的困难；另一方面，谁也没有仔细研究和弄清楚这个问题的另一方面：如何能以最小限度的损耗，把电能输送到远方去。1880年，杰普列和拉钦诺夫经过研究很快就明确了，为减少线路的热损耗，电能应当在高压情况下输送，他们开始在直流电路进行实际试验，开始把由专门设计的发电机所发出的高压直流电输送到了远方。1882年，马尔谢利·杰普列用双线把电压为2000伏特的直流电，输送到距离为57公里的地方（由米斯巴赫至慕尼黑），这是一次重要的尝试。这种输送法的有效系数是低的，但这一尝试表明，把电能输送到这样远距离（当时被认为是很远的）去是可能的。为增加输电距离，就必须采用更高的电压，而当时做到这一点却是很困难的，因为绝缘技术当时还处于发展的初级阶段，而且当时还不能制造出电压高于6000伏特的发电机。爱迪生和霍普金森提出了一个获得高压的新设想，即用把通常的工作电压（100—120伏特）的发电机串联起来的多线制。但这种方法仅适宜于在较短距离内输送能量，更何况，多线制提高了设备的造价。
在用高压直流电输电时，必须在线路的另一端给变电站的强力蓄电池设备充电；而用户也应得到工作电压的直流电能。如果采用交流电输电，输电问题的解决就大大地简化了。因为交流电电压
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