在法拉第证明磁感应被消除之前,人类是如何获得电的?

电是在第二次工业革命(也称科技革命,始于六七十年代,基本完成于19年底和20世纪初)期间发现的。在那之前,没有电。是蒸汽时代的第二次工业革命进入了电力时代,19第一届世博会建了一座电力大楼,晚上可以用灯泡发光。

1866年,德国西门子公司制造了一台自励DC发电机。但是,这种生成器还不够完善。通过许多人的努力,发电机逐渐得到改进,终于在20世纪70年代可以投入实际运行。1882年,法国学者德普勒发现了远距离输电的方法;同年,美国发明家爱迪生在纽约建立了美国第一座燃煤电站,将电力线连成网络。另一方面,随着电能需求的大幅增长和用电领域的扩大,DC电机出现了成本高、事故频发等问题。所以从19的80年代开始,人们就致力于交流电的研究,交流电的优点是可以通过变压器任意改变电压。意大利科学家法拉第在1885年提出的旋转磁场原理对交流电机的发展具有重要意义。80年代末90年代初,人们发明了三相异步电动机,一直沿用至今。1891年后,更加经济可靠的三相交流系统得到推广,电力工业发展进入新阶段。

爱迪生和特斯拉目前的战争要感谢交流电。正是因为有了交流电技术,今天的世界才能运转。然而交流电的成功是建立在19年底两个最伟大的发明家的激烈争论之上的。他们是爱迪生和特斯拉。在利益面前,他们不惜使用各种手段,甚至包括魔术表演和残酷展示。“我认识两个伟人,你是其中之一;另一个是站在你面前的年轻人……”

1884深秋的一个早晨,正是带着这样一封推荐信,尼古拉·特斯拉踏上了纽约著名的第五大道上一座美丽建筑的门槛。特斯拉是一名优秀的塞尔维亚工程师。28岁时,他正要和世界上最著名的发明家一起工作,仅仅用了几年时间,他就开始了他的电灯照明时代。托马斯·爱迪生在公司总部的办公室里热情地接待了这个雄心勃勃的年轻人。爱迪生看了特斯拉的简历后,马上给他分配了一份工作。给特斯拉写推荐信的人是欧洲大陆爱迪生公司的负责人查尔斯·巴切罗(Charles Bartchero),这是爱迪生电气公司在巴黎的分公司,特斯拉来美国之前就在这里工作。特斯拉欣然接受了爱迪生交给他的工作,并不耐烦地大胆向爱迪生提出了自己的想法。他认为用交流电发电是可能的。然而,爱迪生的态度是冷漠的。他对这个理论不感兴趣,在爱迪生看来,他制造的DC照明系统就足够了。此后,爱迪生只是在DC系统的基础上进行改进。然而,他的新合作者特斯拉期望的不止这些。

19世纪下半叶,几乎所有人都认为在实践中不可能使用交流电。因为直流电总是朝同一个方向流动,而交流电则反复改变电流的大小和方向。最早的电机使用的是直流电,试图让交流电机运转的人发现,这种电机产生的磁场无法让电机正常运转。事实上,当电流改变方向时,磁场随之改变强度和方向,因此电机自然停止旋转。转折点发生在1882。经过严格的数学分析,特斯拉拟定了新的实验方案。他使用了两个异相交流逆变器,以确保有足够的强大电流使发动机运转。根据塞尔维亚科学家设计的方案,在电机固定部分的线圈中适当连接(定子)流动的电流,可以产生一个强度恒定的磁场,使电机转动时运动部分随之(转子)转动。实际上,磁场会在转子的线圈中产生流动的感应电流,感应电流可以触发一个力来加速线圈本身的旋转,并且不需要任何导线来连接运动中的所有部件。

1883年,特斯拉已经做出了第一台小型交流电机,但他需要资金支持来进一步测试和推广他的发明。当爱迪生第一次见到特士拉时,他正投入大量资金开发DC设备。

1879年,爱迪生发明了白炽灯。这种灯在现实生活中的迅速普及,使爱迪生本人成为了一名成功的企业家和举世闻名的发明家,但他在当时也面临着许多问题。首先,如果一个居民区的照明距离电站超过1公里,就无法获得足够的电流发出强光,因为直流电无法远距离传输能量。爱迪生为了让他设计的照明系统正常工作,必须每1公里建造1座发电站,否则就需要提高发电机的效率,或者将几台发电机连接在一起,以产生更多的电流。爱迪生把完善这些DC系统性能的任务交给了特士拉。但特斯拉始终相信爱迪生是可以被说服接受交流电的,这一点在很多方面明显占优。爱迪生很清楚特斯拉的技术能力,他还拿出5万美元作为基金,让特斯拉改进电站里的发电机。特斯拉已经为20多台新的DC发电机制定了计划,这些发电机具有调节简单和电流输出强的特点。爱迪生对这些新发电机做了许多实验,取得了良好的效果。他为这些发电机申请了专利权的注册,并用它们替换了那些旧机器。然而,当特斯拉要求爱迪生分享他的奖励时,爱迪生拒绝了他。他说:“泰斯拉,你不懂美式幽默。”这件事对塞尔维亚年轻人打击很大,他的梦想再次破碎。特斯拉感到极度失望和厌烦,于是辞职了。长期以来,特斯拉给爱迪生带来了很多好处,但爱迪生一直对他的交流电持质疑和敌视的态度。然而,特斯拉除了暴露爱迪生在科学上缺乏远见之外,还清楚地看到爱迪生在直流电上投入了太多的资金,无法自拔。

相信特斯拉的西屋公司1888,希望挑战爱迪生的美国发明家、企业家乔治·威斯汀豪斯,押注交流电,邀请特斯拉到他的公司工作。其实早在1883,西屋就对交流电非常感兴趣。当时,法国人吕西安·高拉德和英国人约翰·吉布斯在伦敦的一次博览会上向人们展示了一种能够远距离传输的交流电装置。这种设备使用一种“二次发电机”:一种他们已经注册了专利的特殊变压器。正是通过使用Gaulard-Gibbs的变压器和Ernst Werner von Siemens校准的发电机,西屋电气于1886年3月在美国马萨诸塞州的小镇巴林顿首次使用了交流照明设备。但是,为了真正与爱迪生竞争,西屋必须考虑向工业企业提供交流电机。当时的工业电机都是用直流电,有明显的缺点,比如动力不足等等。于是,特斯拉开始为西屋设计生产大型、大功率、高频的交流电机,弥补了老式发电机的动力不足。

1888年3月,意大利物理学家伽利略·费拉里斯向都灵科学院展示了他的交流“异步电机”(这台机器实际上是1885年设计的)。它的原理是基于一个旋转磁场,类似于特斯拉1880的设计理念,但技术更完善,功率更高。与此同时,围绕交流电机的“斗争”也愈演愈烈:特斯拉要求优先发现旋转磁场,并于同年5月为法拉利制造的交流电机申请了与其极为相似的电机专利。经过一系列冗长无聊的诉讼,德国和美国法院最终认定旋转磁场的原始发现者属于意大利科学家伽利略·费拉里斯。然而遗憾的是,法拉利没能抓住这个机会。他没有像特斯拉一样把异步电机的巨大潜力应用到日常生活中。特斯拉一直坚持自己的研究工作。

1890年,他发现了共振现象,即在特定的环境下,机械系统的振动幅度,无论是声学的还是电学的,都会有相当高的振幅。最值得注意的是,这位塞尔维亚科学家利用共振原理制造了一种变压器,也就是今天的“特斯拉线圈”,可以承受极高的电压,从数百伏到数千伏不等。到19世纪末,经过几个月的实验,西屋和特斯拉取得了巨大的成功,他们终于能够将自己的成熟产品推向市场。唯一困扰他们的是上市前繁琐而官僚的手续。在得知特斯拉的成功后,爱迪生意识到他将要面对的竞争对手有多么强大,他开始了一场针对交流电的抹黑运动。为了向人们展示这个新系统假定的危险,爱迪生在许多记者面前用高压交流电做了一系列可怕的实验。他先把一个马口铁板和一个电压为1000伏的交流发电机连接起来,然后把一只小猫或小狗放在铁板上,小猫或小狗就会瞬间死亡。这样,人们就可以亲眼见证特斯拉和西屋的交流电的致命效果。电椅就是在这样一系列“展览”的启发下发明的。同时,作为对爱迪生宣传攻势的反击,特斯拉也在舞台上进行了许多真正的“电魔术”表演。除了让人惊叹之外,特斯拉的另一个目的是向世界传播他对交流电的理念:当不用于故意犯罪的目的时,交流电是非常安全的。在这场“当前战争”愈演愈烈的时候,芝加哥正在筹备一场世博会,主办方希望找到一套可以照亮整个场馆的照明设备。于是,西屋公司提供了一份非常诱人的合同,他试图以超低的价格从爱迪生手中抢走这笔生意。1893 65438+10月,进博会开幕,特斯拉交流电点亮的9万多盏电灯照亮了整个会场。这是巨大的成功,也是伟大胜利的前奏。尼亚加拉瀑布的交流电站不久后,世界上第一座水力发电站将在尼亚加拉瀑布建成,选择交流系统是因为它的经济性和便于制造。西屋公司将设计和制造任务交给了苏格兰工程师乔治·福布斯。后者用三台特斯拉交流发电机做了一套设备,每台功率110 kW。

1895年,电站建成,可向距离电站35公里的布法罗输送电流。这个事件宣告了交流电彻底打败了直流电,爱迪生的直流电瞬间成为了过时的技术。爱迪生自己也不得不接受这个残酷的现实。从此,交流电成为工业、商业和民用电的唯一选择。“当前战争”是在19世纪和20世纪两个才华横溢、多产的发明家之间展开的。他们也是完全不同的科学家。爱迪生是一个非常聪明的实验者,具有惊人的创造力和工业规划能力,但他缺乏数学知识和复杂的理论洞察力。相反,特斯拉与他同时代的人相比,是一个前卫的人物。通过对现象的精确数学分析,他完成了许多伟大的创造性工作。不像爱迪生,他做很多事情并不是仅仅因为个人的欲望,而是在设计任何设备之前都是从理论的角度分析问题,直到得到一个绝对确定的结果才付诸实践。1915年爱迪生获得诺贝尔奖提名,特斯拉获得1937年诺贝尔奖提名,但两人均未获奖。有人认为,正是因为持续了数年的“当前战争”,爱迪生和特斯拉都暴露了他们人性中的弱点,这与人们长期以来赋予他们的“天才”和“科学家”的称号极不相称。

附录:交流电终于可以普及了,因为它是多方面的,比竞争对手更经济。今天,我们生活的社会每天都需要大量的电力,这些电力通过电线输送到远离电站的各个地区,有些地方甚至有数百公里之遥。这样,一部分能量在传输过程中不可避免地损失,转化为热能。电流越大,距离越远,浪费越大。为了减少这种能量损失,需要把导线做得很粗,这样会造成原材料的极大浪费,成本也会相应增加。解决这个问题的方法是提高电压。比如这个像瀑布。电流相当于瀑布从高处到达地面的水量,电压则是水从起始高度下落时的势能。通过增加导线中的电压,可以减少导线中的电流,从而保持传输的功率总量不变:这样可以减少损耗,使用更细的导线。变压器可以将发电站产生的电压提高到数万伏。其他安装在使用场所的变压器可以根据使用需要适当降低电压,比如我们平时家里用的220伏的电器。正是因为需要变压器,我们才必须使用交流电。其实这些变压器的原理都是利用交变磁场,产生交变磁场的是交流电,而不是爱迪生辩解的直流电。

以上摘自百度百科。