物理世界（五十七）

刘文旺

电磁学（四）电磁学的应用

3．电池的历史

1790年，伽伐尼根据解剖青蛙实验提出了“动物电”，以此为开端，伏打发现了两种金属接触就有电产生的规律，可以说这就是电池的起源。

伏打
    1799年，伏打在铜和锌之间夹入一层浸透盐水的纸，再把它们一层一层地迭起来，制成了“伏打电堆”。“电堆”的意思就是指把许多单个电池单元高高地堆在一起。

（1） 一次电池

一次电池放完电后不能再用的电池称为一次电池。伏打对伏电电堆做了改进，制成了伏打电池。
    1836年，英国人丹尼尔在陶瓷桶里放入阳极和氧化剂，制成了丹尼尔电池。与伏打电池相比，丹尼尔电池能长时间提供电流。
1868年，法国的勒克朗谢公布了勒克朗谢电池，1885年（明治18年）日本的尾井先藏发明了尾井乾电池。尾井乾电池是一种把电解液吸附在海绵里的特殊电池，具有搬运方便的特点。
1917年，法国的费里发明了空气电池，1940年，美国的鲁宾发明了水银电池。

（2）二次电池

放完电还可以充电再用的电池称为二次电池。1859年，法国的普朗泰发明了能够反复充电使用的铅蓄电池，其结构是稀硫酸中装有铅电极，这是最早的二次电池。现在，汽车里使用的就是这种类型的电池。
    1897年（明治30年），日本的岛津源藏开发出了具有10A*H容量的铅蓄电池，并把他本人名字GENZO SIMAZU的字头GS作为商品名称，取名为GS电池投放市场。

    1899年，瑞典的容纳制成了容纳电池，1905年爱迪生制成了爱迪生电池。这些电池的电解液都用的是氢氧化钾，后来就被称为碱性电池。
    1948年，美国的纽曼发明了镍镉电池。这是一种能充电的乾电池，是具有划时代意义的电池。

（3）燃料电池

1939年，英国人格罗夫发现氧和氢的反应中有电能产生，并由实验证明了燃料电池的可能性。也就是说，电解水的时候消耗了电能而生成了氧和氢，反过来，从外部给阳极一侧送入氧，给阴极一侧送入氢，就能够产生电能和水。
    格罗夫当时只是做了实验，并未实用化。1958年，剑桥大学（英国）制成了5KW的燃料电池。
    1965年，美国GE公司成功地开发出了燃料电池，这个电池就安装在1965年的载人飞船双子星5号上，用于供给宇航员饮用水的飞船电能。1969年登上月球的阿波罗11号飞船上的电源也使用了燃料电池作为飞船内电源。

（4）太阳能电池

1873年，德国人西门子发明了用硒和铂丝制成的光电池。现在照相机曝光表上所用的就是这种硒光电池。
    1945年，美国的夏品发明了硅太阳能电池，这是一种当太阳光或灯光照到其PN结上时能产生电能的元件，广泛用于人造卫星，太阳能汽车，钟表，台式计算器等。提高这种元件转换效率的研究与开发工作仍在进行中。

4．照明的历史

18世纪60年代由英国兴起的产业革命使工厂进入了连续加工，批量生产的时代，夜间照明成了重要问题。
前面已经讲过，英国人戴维1815年曾做过用2000个伏打电池产生电弧的有名实验。

（1）白炽灯泡

1860年，英国人斯旺把棉线碳化后做成灯丝装入玻璃泡里，发明了碳丝灯泡。
    然而，由于当时的真空技术不高，点灯时间不能过长，时间一长，灯丝就会在灯泡里氧化而烧掉。
    斯旺所想到的白炽灯泡的原理是现在的白织灯的起源。随着灯丝研究和真空技术的进步，白炽灯最终达到了实用化。从这点不说，斯旺的发明是一项大发明。
    1865年，施普伦格尔为研究真空现象而开发出水银真空泵。斯旺知道这件事后，就在1878年把玻壳内的真空度提高，又在灯丝上下了一番功夫。他先把棉线用硫酸处理，然后再碳化，最后，他公布了斯旺灯泡。斯旺的白炽灯泡曾在巴黎万国博览会上展出。
    1879年，美国的爱迪生成功地把白炽灯泡的寿命延长到了40小时以上。1880年，爱迪生发现竹子是做白炽灯灯丝的优良材料，就把日本，中国，印度的竹子收集起来反复进行实验。
    爱迪生把部下穆尔派到日本，在京都的八幡寻找优质竹子，若乾年后，用八幡竹子制造出了灯丝。为了制造这种竹灯丝的灯泡，1882年他在伦敦和纽约成立了爱迪生电灯公司。

    在日本，1886年（明治19年）东京电灯公司成立，明治22年起，一般的家庭开始用上了白治灯泡。
    1910年，美国的库利厅用钨丝做灯丝，发明了钨丝灯泡。
    1913年，美国的兰米尔在玻壳里充入气体以防止灯丝蒸发，发明了充气钨丝灯泡。
    1925年，日本的不破橘三发明了内壁磨砂灯泡。
    1932年，日本的三浦顺一发明了双螺旋钨丝灯泡。
    正是由于上述的不断探索，今天我们才能享受白炽灯照明的日常生活，想起来真是漫漫长路啊。

托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas Alva Edison，1847年2月11日—1931年10月18日），出生于美国俄亥俄州米兰镇，逝世于美国新泽西州西奥兰治。发明家、企业家。 爱迪生是人类历史上第一个利用大量生产原则和电气工程研究的实验室来进行从事发明专利而对世界产生重大深远影响的人。他发明的留声机、电影摄影机、电灯对世界有极大影响。他一生的发明共有两千多项，拥有专利一千多项。

                                        爱迪生

  爱迪生自幼身体瘦弱，不爱说话，但极富幻想，爱动脑筋思考问题，对周围的一切事物都充满好奇心。在他5岁那一年，当看到母鸡孵小鸡时，也异想天开地蹲在鸡窝里孵起小鸡来。
    父母到处在找小爱迪生，终于在鸡窝里找到了他。
    “你跑到鸡窝里蹲着干什么？”
    “我在孵小鸡呀。”
    “傻瓜，你怎么能孵出小鸡呢！”说着就把他拉了起来。
    “母鸡能孵出小鸡，我为什么不能呢？”
    就这样，爱迪生什么事都想问，什么事都要于。
    7岁时，爱迪生上学了。
    他仍然是寻根求源，问一些与书本无关的问题，而且还打破砂锅问到底。他的老师无法回答，便骂他是个小傻瓜，并用木板进行体罚。
    爱迪生的母亲曾做过教师，懂得教育方法，对老师的做法很不满，便一气之下让他退了学，决定自己教他。爱迪生接受学校的教育只有3个月，从此再没有受过正规教育。
    爱迪生一边在父亲的木工厂做工，一边在母亲的教育下读书写字。
    12岁时，由于家庭经济困难，爱迪生便到火车上当报童，一边卖报，一边自学，阅读了很多书籍，对化学和电学非常感兴趣。
    他利用积攒的钱，买了一些化学药品，在火车上的吸烟室搞了个小实验室，做着各种有趣的实验。在15岁时，由于火车的震动，把实验室的一瓶磷震倒了，磷遇空气立即燃烧起来，引起一场大火，幸亏车上的抢救及时才没有闯下大祸。
    车长恼羞成怒，狠狠地打了他一个耳光。爱迪生的右耳膜被震破，从此右耳就聋了。
    爱迪生的化学实验做不成了，但是却意外地得到一个学习电学的机会。就在这年8月的一天，爱迪生正在一个小站上卖报，忽然看见一个小孩在铁轨旁玩石子，而一列火车正飞驰而来。爱迪生迅速冲向铁轨，救出小孩，与此同时，火车呼啸而过，爱迪生摔倒在铁轨旁，小孩得救了，而他的脸和手却被划破了。
    小孩的父亲是这个站的站长，亲眼目睹了这一惊人场面，感动万分，以教爱迪生收发报技术作为回报。
    对电学非常感兴趣的爱迪生，十分珍惜这一难得的学习机会，勤学苦练，在3个多月的时间里，就熟悉地掌握了收发电报的技术，并在那位站长的推荐下，当上了火车站的报务员。
    在当报务员时，爱迪生即用自己掌握的理论知识和技术经验，对单路电报进行改革，1869年，发明了可以在同一线路上同时发送两路电报的双重发报机。此时，他才22岁。
    紧接着，爱迪生发明了一种商情自动报价机，报酬是40000美金。他用这些钱开了一家工厂，一心一意地从事发明工作。
    1876年，爱迪生发明了留声机。美国各大报纸都以醒目的标题刊登了这条惊人的新闻：今日最大发明——一个会说话的机器。
    留声机的发明，为爱迪生赢得了巨大的声誉。
    爱迪生没有停留在荣誉面前，继续沿着他的发明道路不断前进。
    当时家庭照明普遍采用煤油灯或煤气灯。这些灯，光线虽柔和，但是亮度低，燃烧时有黑烟，还要添燃料擦灯罩。弧光灯虽然亮度高，但光线太强，人眼不能直接看它，不适合家庭使用。
    爱迪生陷入了沉思：怎样使弧光灯的刺眼强光变得柔和呢？
    英国人戴维曾发现，当电流通过较细的白金丝时，白金丝会发出微弱的光来，但白金丝在空气中很快就烧掉了。
    但这微弱的光亮，使爱迪生看到了前进的方向。
    爱迪生进行了大量的分析研究，夜以继日地工作，有时候甚至几天不合眼，实在困了，就趴在书上打个盹。以致有人说：“爱迪生知识如此丰富，原来他连睡觉的时候都在吸收书里的营养。”
    通过不断的研究和实验，爱迪生认为，必须解决两个问题。一是玻璃泡里的空气问题，白金丝被烧掉，是空气里的氧气捣的鬼，空气是发明电灯的大敌，因此，必须把玻璃泡里的空气抽成真空。
    二是改进灯丝，寻找一种耐高温的导体材料。
    对于第一个问题，相对来说比较容易解决，因为在1875年，英国化学家克鲁克斯发明过一种既迅速又经济的真空技术。
    第二个问题是难以解决的。究竟用什么材料来做灯丝呢？爱迪生纹尽脑汁，煞费苦心。他先后试验了1600种矿物和金属耐热材料，结果都失败了。
    1879年10月1日，爱迪生在《科学的美国人》杂志上看到了英国电技工程师斯旺用碳丝做灯丝的报道，便开始研制碳丝灯泡。
    在经过种种困难之后，爱迪生终于把一根棉线烧成碳丝，小心翼翼地装进灯泡里，抽出灯泡里的空气，然后把抽气口密封起来。
    当给灯泡接通电流时，奇迹出现了，灯丝放射出了夺目的光辉。
    这一天是1870年10月21日。
    这是一个永远值得纪念的日子！
    爱迪生和他的助手日夜用全部心血浇灌的电灯，终于放出了明亮的光芒。他们高兴得又蹦又跳，并一直守护在灯旁，细致地观察着。世界上第一盏白炽灯亮了45个小时。
    爱迪生又制出了几个碳丝灯，亮的时间也没有延长多少，这就要继续寻找高质量的灯丝。
    爱迪生先后试用了6000多种植物纤维，发现用一种日本产竹子的碳化纤维做成的灯丝，寿命长达1200小时。于是，他派人到东方收购竹料，大批量生产白炽电灯。
    1882年，爱迪生在纽约建立了一个发电站，架起了相应的电力输送网，推广使用他的白炽电灯。
    后来，人们对爱迪生的灯泡加以改良，用钨丝做灯丝，并在灯泡内注人一种不与钨丝起化学反应的惰性气体，大大延长了灯泡的寿命。这就是我们一直使用的电灯泡。
    爱迪生在发明电灯后，又不断地努力，发明了蓄电池、电影等。有人统计，爱迪生一生中的发明，在专利局正式登记的有1300种，这个成就是世界上任何人都无可比拟的。
    人们称爱迪生为发明大王，非常称赞他的天才。爱迪生说：“所谓天才，那是假话，艰苦的工作才是实在的。”“天才不过是百分之一的灵感，加上百分之九十九的汗水。”

历史上，有人认为爱迪生爱财如命，曾因此和他人打了不少的官司。我认为，其实人人都爱财（包括笔者）。也许这正是推动一个人去勇于探索的内在原动力。

尤其重要的是，为发明权而争可以减少投机者，这有益于社会更无可厚非。

（2）放电灯

1902年，美国的休伊兹特在玻壳内装入水银蒸气，发明了弧光放电汞灯。由于这种汞灯在汞蒸气的气压较低时发出了紫外线较多，所以常作为杀菌灯使用。而当水银气压较高时，可发出很强的可见光。
    现在广泛用于广场照明和道路照明的高压汞灯所发出的光是一种混合光，混合光包括水银电弧放电的光和紫外线照到涂敷在玻壳内壁的荧光材料上所发出的光。
    1932年，荷兰菲利浦公司开发出了波长为590nm单色的钠灯，这种灯广泛用于公路的隧道照明。
1938年，美国的英曼发明了现在广泛使用的荧光灯。这种灯通过用水银电弧放电发出的紫外线照射涂敷在灯管内壁的不同荧光粉而发出不同颜色的光。通常，白色荧光灯用得最多。

5．电力设备的历史

可以说，1820年奥斯特所发现的电磁作用就是电动机的起源。
而1831年法拉第所发现的电磁感应就是发电机的变压器的起源。

（1）发电机

1832年，法国人毕克西发明了手摇式直流发电机，其原理是通过转动永磁体使磁通发生变化而在线圈中产生感应电动势，并把这种电动势以直流电压形式输出。
    1866年，德国的西门子发明了自励式直流发电机。
    1869年，比利时的格拉姆制成了环形电枢，发明了环形电枢发电机。这种发电机是用水力来转动发电机转子的，经过反复改进，于1847年得到了3。2KW的输出功率。
    1882年，美国的戈登制造出了输出功率447KW，高3米，重22吨的两相式巨型发电机。
    美国的特斯拉在爱迪生公司的时候就决心开发交流电机，但由于爱迪生坚持只搞直流方式，因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。
    1896年，特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运，3750KW，5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。
    1889年，西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂，1892年成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德。

（2）电动机

1834年，俄罗斯的雅可比试制出了由电磁铁构成的直流电动机。1838年，这种电动机开动了一艘船，电动机电源用了320个电池。此外，美国的文波特和英国的戴比德逊也造出了直流电动机（1836年），用作印刷机的动力设备。由于这些电动机都以电池作为电源，所以未能广泛普及。
    1887年，前面所讲过的特斯拉两相电动机作为实用化感应电动机的发展计划开始启动。1897年，西屋公司制成了感应电动机，设立专业公司致力于电动机的普及。

（3）变压器

发电端在向外输送交流电的时候，要先把交流电压升高，到了用电端，又得把送来的交流电压降低。因此，变压器是必不可少的。
1831年，法拉第发现磁可以感应生成电，这就是变压器诞生的基础。
1882年，英国的吉布斯获得了“照明与动力用配电方式”专利，其内容就是将变压器用于配电，当时所用的变压器是磁路开放式变压器。
    西屋引进了吉布斯的变压器，经过研究，于1885年开发出了实用的变压器。
    此外，在此前一年的1884年，英国的霍普金森制成了闭合磁路式变压器。

（4）电力设备和三相交流技术

两相交流电是用四根电线输电的技术。德国的多勃罗沃尔斯基在绕组上想出了窍门，从绕组上每隔120度的三个地方引出抽头，得到了三相交流电。1889年，利用这种三相交流电的旋转磁场，制成了功率为100W的最早的三相交流电动机。
    同年，多勃罗沃尔斯基又开发出了三相四线制交流接线方式，并在1891年的法兰克福输电实验（150VA三相变压器）中获得了圆满成功。

（未完待续）