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第6章 无所不在的电能(1)

从19世纪以来,电的应用日益普及,电对人类的社会生活和经济发展产生了极大的影响。今天,人们无论做什么事,几乎都离不开电。电能是二次能源,也是清洁能源。放电过程可以释放巨大的能量,又容易控制,不受地方的限制。

章打开电磁世界大门的伟大发现

古时候,人们发现琥珀经过摩擦可以吸引像羽毛和木屑之类的轻小物体,磁石可以吸引铁块。这两种吸引作用很像是在意识作用下的一种行为,人们称它们的作用过程是“隔碍潜通”。到16世纪末,英国科学家吉尔伯特(1544—1603年)经过大量的实验和认真的分析,才将这两种现象区别开来。这种区别对进一步研究电磁现象非常重要。但吉尔伯特却错误地断言,电与磁是互不相关的两种现象。这种错误认识一直统治人们达200年之久。一直到18世纪末,两位意大利科学家伽伐尼(1737—1798年)和伏打(1745—1827年)对电现象和电本性的认识有了重大的突破。伏打电堆的发明为认识电磁联系打下了基础。而在电磁联系上,丹麦著名物理学家奥斯特(1777—1851年)作出了重要的贡献。

奥斯特

奥斯特的父亲是一个药剂师,平时工作很忙,无暇照顾他和弟弟,所以将他们寄养在小镇上一位德国商人家。兄弟俩从这个德国商人和邻居那里学到了一些语言和算术知识。稍大些,两人又回到家里,并帮助父亲做些事情。17岁时,奥斯特考上了哥本哈根大学。在学习期间,他对自然科学和哲学非常有兴趣。大学毕业后,奥斯特又到德国、法国和荷兰游学3年。这时,欧洲都热衷于对伏打电堆的研究。这对奥斯特的影响很大,并激励奥斯特学习了一些电学知识。回国后,他积极向公众普及物理学知识,后来被聘为哥本哈根大学的教授。

奥斯特认为,在一定条件下,各种自然现象都是可以相互转化的。由于雷电可以使钢针磁化,使他想到电是可以转化为磁的,关键是找到转化的条件。但是,要找到这样的条件并不是容易的事情。

1819年,奥斯特开始讲授关于电和磁的课程。由于电流通过导线时可以产生热和光,这使奥斯特想到,电流通过导线也应产生磁作用。又由于电流产生热和光是向四周扩散的,这又使他意识到这种磁作用也应是一种横向作用,不是纵向作用。在观察时应在导线一侧,不是在纵向上,所以不应在纵向上放置磁针。

1820年春,奥斯特决定在课堂上用实验演示一下他的想法,由于偶然的原因他未能在课前做好准备。

到课堂上时,奥斯特认为他的想法是正确的,并决定演示一下。当他把磁针放在导线一侧,通上电流后果然小磁针抖动了。由于效应很弱,演示效果并不好。

但这仍给奥斯特留下强烈的印象。课后,奥斯特立刻进行了更全面的实验和研究,为了更好地观察电流对磁针的影响,他还将20个伏打电池连接起来,形成一个巨大的电池。他用小磁针在通电导线周围显示磁的作用。他发现电流产生的力既不吸引小磁针、也不排斥小磁针,电流的作用只是使小磁针在导线周围环绕起来,恰好形成了一个圆周,而圆周的中心恰好在导线的中心线上。

这的确是一个新的发现,奥斯特甚至都不敢相信这是真的。按照吉尔伯特的观点,电与磁是不相关的。他又将实验进一步扩展,他使用了8种用金属材料制成的导线进行实验,结果磁针的偏转是一样的。

1820年7月,他将这些研究结果发表出来。奥斯特的研究非常重要,他的论文马上被译为德文和英文,法国人也马上开始进行全面的研究。

电流磁效应的发现不仅在电现象与磁现象之间建立了联系,而且对于电磁相互作用的认识也是一个良好的开端,被看做是“打开通向电磁领域大门”的准备。同时,这一发现对于电能的开发也开辟了新的途径。

从奥斯特的发现过程,我们可以看出,对横向效应的认识很重要。后来,法国生物学家巴斯德(1822—1899)讲述奥斯特的发现时说道:“在观察的领域内,机遇只偏爱那种有准备的头脑。”

“转磁为电”的伟大旗手

当电流磁效应的发现传到法国后,法国科学家安培(1775—1836年)、阿拉果(1786-1853年)等人不仅彻底研究了奥斯特的发现,而且也作出了一些新的发现。安培将绝缘导线缠绕成螺线管的形状,而后通电。他发现,这个通电螺线管就像一个磁石,它可以与磁石相互作用,通电的螺线管与通电的螺线管之间也像磁石与磁石一样相互作用。安培还用右手定则来说明电流方向与磁的方向关系。用螺线管磁化钢条是阿拉果发明的,它简便实用,因此它迅速传播开来。

当消息传到英国后,一位年青的科学家由于偶然的机会参与了电磁学的研究。这就是伟大的科学家法拉第(1791—1861年),对于电磁学,甚至对于整个物理学来说,这实在是电磁学的幸运、是物理学的幸运。

少年的法拉第由于家境贫寒,家中无法负担他受教育的费用。12岁时,他就为一家书店当送报童,后来他当上了这家书店的装订学徒。由于在书店工作,这使法拉第免费看到许多书。对照书上的知识,法拉第还动手作了一些实验。业余时间,法拉第还去参加一些科普讲座,特别是大化学家戴维(1778—1829年)的演讲,对法拉第产生了很深的影响。后来,在戴维的帮助下,法拉第步入了科学界。

法拉第

1821年,当法拉第得知奥斯特的实验研究之后,他不仅重复了这些实验,而且发现小磁针有围绕导线做圆周运动的倾向。如果从作用与反作用的原理考虑,导线也应可以绕磁极转动。是否真的是这样,法拉第决定设计一个装置来检验自己的想法。

法拉第在一个玻璃容器中立一根磁棒,用蜡把磁棒底部粘在容器底部。他向容器内倒入水银,并使磁棒露出水银的液面。再用一根粗铜丝扎在一个软木块上,并让软木块浮在水银上。导线下端通过水银连到伏打电堆的一极上,而导线上端通过一根又轻又软的铜线接到伏打电堆的另一极上。当法拉第接通电源,他看到浮在水银面上的软木块晃了几下,而后像一只小船一样绕着磁棒转动起来。

后来,法拉第又改进了实验。在这个装置中,左半部的磁棒可绕中心固定点转动,右半部的磁棒是固定的,导线可以绕磁棒转动。法拉第的装置非常重要,他第一次实现了由电磁运动向机械运动的转化。利用这个装置可以使电流产生连续运动,实际上这是一台电动机,是人类发明的第一台电动机。

初步的成功使法拉第非常欢欣,但他并不满足,同时也更加坚定了他在电磁学研究上的信心。

与奥斯特的想法类似,法拉第认为,电流具有磁效应,电流与电流之间也有磁效应,反过来磁体附近是否也可以产生电流呢?1822年,法拉第在日记中记下了“转磁为电”的想法。当然,实现这个想法是非常困难的。

1825年,法拉第又进行实验,试图发现磁生电的现象,但失败了。1831年,法拉第再次尝试,他作了认真的准备。法拉第准备了一根长8.5英寸、厚4.3英寸的圆形磁棒,用203英尺长的铜导线绕在一个空的圆筒上。铜线圈连接一个电流计,但不通电。法拉第将磁石接近线圈,电流计并没有反应。当他将磁石完全插入线圈,电流计指针却突然转动了一下,而后就又不动了。当将磁石抽出时,电流计指针又动了一下。法拉第又试了多次,当磁石插入和拔出都可以产生瞬时的电流。

法拉第还将两个线圈中的一个连接电池组,一个连接电流计。同上面的实验差不多,在接通开关时,法拉第注意到,在接通的一瞬间,电流计的指针抖动了一下。这样,法拉第终于发现了磁生电的现象,并且将这种现象命名为“电磁感应”。

电磁感应现象的发现使人们对电磁联系的认识更加完整,为电能的开发奠定了基础。当然,就像许多新生事物一样,许多人对法拉第的新发现也产生了疑问。在法拉第所作的一次关于电磁感应现象的讲演中,有一位贵妇人曾问法拉第:“它有什么用呢?”是啊!法拉第不断改进装置,其结果不过是使电流计微微地抖动了几下。然而,法拉第坚信新发现对人类认识电磁现象是有极其重要的意义的。因此,法拉第回答道:“那么请问,一个新生的婴儿又有什么用呢?”

发电机和电动机的发明

法拉第发现了电磁感应现象,这就是人们所追求的“磁生电”现象。但是这种现象只是一种暂态效应,难于形成连续的强流。以往的化学电池(如伏打电池)虽然可以提供连续的电流,但电池体积庞大,搬运不便,电池的寿命也比较短。为此,法拉第认为有必要借助于新的电磁感应原理发明一种新的电源装置。

由于磁棒要在线圈中往复运动才能产生电流,磁棒不动电流就没有了。要产生单向电流,线圈与磁棒间的相对运动也必须是单向的。这就需要改进装置的结构。法拉第的新装置是用圆铜片取代线圈,并将它装在一个轴上,轴端有一个摇把,转动摇把使圆铜片在一块马蹄形磁铁之间旋转。将两根导线一端分别接在圆铜片中心的轴上和铜片的边缘,并将另一端连接在一个电流计上。当圆铜片转动时,铜片与磁极间的运动是单向的,电流也是单向的。法拉第用皇家学会一块大马蹄形磁铁做实验,效果非常好。

法拉第的装置可以产生恒定的电流,像伏打电堆输出的电流一样稳定。这是一种新型的电源,并且是发电机的雏形。发电机的发明预示着一场动力革命的到来,最终导致了“电力大王”取代“蒸汽大王”,把人类社会推进到“电气化时代”。

新的发电装置十分重要,它吸引了大批发明家和科学家投身到这场发明的浪潮中。

1832年,法国巴黎的比齐(1808—1835年)研制成永磁铁发电机,它用手轮转动马蹄形磁铁,并在固定线圈中产生电流。这是转动磁铁式发电机装置。第二年,比齐又在发电装置上装上整流子,使交流电变成直流电。由于它的电压很低,实用价值并不大。

1833年,美国的萨克斯顿对比齐的发明作了一些改进,发明了新型的发电机。这种发电机是利用转动线圈在磁场中切割磁力线,使线圈中产生感应电流。

19世纪40年代,英国的惠斯通(1802—1875年)用电磁铁取代永磁铁,对提高发电机输出功率有重要意义。而在此之前,已出现了用蒸汽力驱动的发电机,这也比手摇发电机提高了很大一步。这时的发电机体积依旧庞大,但已能为机器提供动力了。

1856年商用发电机已开始普及,英国的霍姆斯用多极永磁铁制作发电机,一个灯具厂购买使用了这种发电机。这台发电机长宽为5英尺,重2吨,用蒸汽推动,每分钟600转,功率不到1.5千瓦。

1858年,由法拉第亲自监督,在英国沿海岸的两座灯塔上安装了发电机,供电弧探照灯电能,以照亮海面。这是电能为导航照明。

1866年,美国、英国和德国的发明家都为新型发电机的研制作出了贡献,他们的发电机称作自激发电机,其特点是用发电机产生的部分电流供给电磁铁。德国的西门子(1823—1883年)在柏林科学院介绍这种新型发电机时,为它起名为“狄纳莫”。第二年,西门子的兄弟在伦敦皇家学会展出了这种自激发电机。

西门子最初是从事电报设备的生产和建设电报线路的,在他建立的西门子公司中设有实验室,以研究和发展电报设备。他们的许多发明对公司的业务发展起到了积极的作用。为了解决德国电镀工业对电力的需求,在西门子的指导下,实验室研制成功用电磁铁代替永磁铁的自激发电机。由于新型发电机的效率高,容量大,很快就得到广泛应用,对现代电力工业的发展产生了积极作用。

我们使用电能常常是将电能转化为热能(如电炉)、光能(如电灯)、化学能(如电镀)、机械能(如电动机)。在各种产生机械运动的装置中,普遍使用着电动机。

1834年,美国铁匠达文波特曾制造过一台用电池组供电的玩具电动机,并在波士顿等城市进行表演,受到观众的欢迎。这一年,俄国的雅各比(1801—1872年)也研制出一台用电池组供电的直流电动机;1838年,雅各比制成了真正可以提供动力的电动机。由于永磁铁的磁力太小,不足以产生足够的动力,所以雅各比不用永磁铁,而使用电磁铁。1847年,雅各比成为彼得堡科学院院士。他对电动机进行了更大的改进。为了证明新电动机的效能。他将电动机安装在一条船上,用作原动力。他的船载着12名乘客在涅瓦河上进行了成功的试航。

1866年,人们还发明了直流发电机。1881年,爱迪生(1847—1931年)在巴黎电气展览会上展出了当时功率最大(115千瓦)的发电机,重约27吨。此后,英国的帕森斯研制成功汽轮发电机,功率达75千瓦。1891年他又为剑桥一家公司制造了功率为100千瓦的汽轮发电机。直到现在,这种发电机的技术性能和经济指标仍是很优秀的,在火力发电厂仍在采用。

关于交流电动机的突破是著名的科学家特斯拉(1856—1943年)作出的。他是克罗地亚人,父亲是牧师。据说,少年特斯拉看到尼亚加拉大瀑布的图片时,他指着这个大瀑布说,总有一天我要利用它。1878年,进入奥地利格拉茨工学院学习的特斯拉注意到,直流电机既能当电动机用,又能当发电机用。但电机上与整流子接触的电刷不断冒火花,他问道:“这种火花能否避免?”教授的回答是否定的。3年后,特斯拉到一家电话公司工作。

在考虑电机的电火花时,他猜想交流电机可以避免这个问题。但当时的电动机的性能较差。

1882年2月的一个黄昏,特斯拉与朋友在公园散步。他边走边吟歌德的“浮士德”的诗句。在优美的诗境之中,脑中突现出一个铁心转子,它在旋转磁场中不断旋转。他赶忙在地上画出草图,并向朋友解释草图的内容。此后不久,特斯拉就制作了一架模型。这就是“交流多相异步电动机”。这为普及交流电驱动的电动机打下了基础。

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