电的应用 论文.doc

. 电的广泛应用除了阳光、空气和水，现代文明须臾不可或缺的东西也许就是电了。从规模宏大的社会生产到千家万户的衣食住行，电已经渗透到人类活动的细微末节。我们对电的依赖从来没有这样强。2003年8月14日下午，北美发生了有史以来最严重的停电事故，整个社会顿时陷入混乱和瘫痪，其损失不亚于一次强烈地震。电作为人类的创造物却成了人类的生命线，这种状况在100多年前是无法想象的。 早在公元前600年，古希腊七贤之一泰利斯就发现了琥珀和皮毛摩擦后带电，英语中电的名词就来自希腊文“琥珀”。但直到1851年伦敦世博会拉开现代工业化帷幕时，电的地位还无足轻重。除了电报已经成些气候，诺大的水晶宫里只有几个电钟和电镀设备。不过电的缺席也许只是表象，因为人类的电学知识体系已经基本奠定，1752年富兰克林用风筝捕捉了天上的雷电后，伏打、安培、欧姆、法拉第等一批科学巨匠接踵而至，电已经在实验室里羽毛渐丰和蓄势待发，只待大踏步走出来“改天换地”了。电灯之所以成为最耀眼的发明，因为人类从此不再靠“点一把火”来寻找光明和驱除黑暗。1802年，英国科学家戴维用2000个原电池叠成的电池组连接两个碳棒，让电弧穿过4英寸间隙发出夺目的光芒。随着法拉第发电机的改进，弧光灯有了稳定可靠的电源。1876年费城世博会第一次迎来电灯的光临，法国展出的弧光灯推动了美国布拉什公司、汤姆逊-休斯顿公司群起效尤。用自动调节装置使碳棒在“越烧越短”后保持恒定的距离；为电极加上玻璃灯罩以减少碳棒的消耗。弧光灯成了最早造福人类的光明使者。1878年巴黎世博会上，俄国工程师亚波罗契科夫用64个弧光灯照亮巴黎大剧院前的半英里街区，被人们称为“电蜡烛”。1889年巴黎世博会选择晚上开幕，就是为了展示电的魅力。馆内馆外共有1000多个弧光灯大放异彩，这是弧光灯最辉煌的时代。在碳棒后面加上抛物面反光镜，弧光灯就成了发出平行光线的探照灯，亮度随之增强千倍。安装在埃菲尔铁塔上的探照灯有60000烛光，口径150厘米，巴黎的夜空从来没有见过这样势欲扫天的人造光源，从数英里外直视仍会感到耀眼欲盲。但1889年巴黎世博会的照明并非由弧光灯“独挑大梁”。除了煤气灯仍然“分一杯羹”外，最引人注目的是9000多个白炽电灯“靓丽登场”。爱迪生公司展出了从4烛光到250烛光的13个品种白炽灯，详尽演示了生产的每个步骤和整个流程，获得世博会大奖。有识者已经预见到，当大街小巷和寻常百姓都开始安装电灯，夜幕下的人类社会将完全变成另一番景像。百代祖先“日出而作，日落而息”的生存状态也将为之改观。白炽电灯划时代的意义还在于，电力产业从此开始了真正起步。把电灯和爱迪生的名字连在一起，已经成了人们长期的习惯。白炽电灯究竟是谁发明的？历史学家至少能列出20多人比爱迪生更早制造出白炽灯。1881年巴黎国际电气博览会的里程碑意义在于，其间召开的首届国际电学大会统一了电压、电流、电阻、电容的国际单位，并且展出了爱迪生、斯旺、马克沁、福克斯四位发明家的白炽电灯。斯旺于1850年研制真空碳丝白炽灯泡的时候，爱迪生才刚刚3岁。斯旺1879年1月制造出实用灯泡并安装在家里，爱迪生的电灯当年10月才首次试验成功。若非由于早期真空泵达不到标准和发电机进步缓慢，斯旺的白炽灯应该会提前问世。爱迪生在英国建厂时，斯旺状告爱迪生侵权并获胜诉，法庭裁定斯旺分享爱迪生公司股份，这便是“爱迪斯旺”公司的由来。那时的电力行业官司迭起，初创的爱迪生公司“诉状等身“，仅和美国电灯公司的缠讼便长达6年之久。但困难和挫折都没有阻挡爱迪生公司一枝独秀，其中原因值得认真思索和推究。白炽电灯的原理并不复杂，灯丝在电流通过时达到炽热状态而发出光子，密闭的玻璃灯泡抽成真空防止灯丝氧化。早期的白炽灯丝用铂金制作，这种“寸金买寸光”的昂贵成本难以推广。碳的熔点高达3500摄氏度，因此迅速被锁定为最佳灯丝材料。关键在于要将碳丝做得又细又长，以求获得足够的电阻值。爱迪生先后尝试过数千种材料，包括木头、麦草、纸张、甚至胡须头发，用类似于“烧板炭”的方法除去其中的纤维和有机成份，留下纯净的碳质骨架。1880年，爱迪生派摩尔到中国和日本寻找优质竹子，将1000多种标本带回他的门罗公园实验室，发现其中300余种可用，而日本一个小山区特定“年龄”和季节的“马达克”竹子最为优良。此后，爱迪生又先后4次派人远征，深入巴西南部原始森林；沿亚马逊河周游拉美列国，最后又花一年时间走遍全世界，“上穷碧落下黄泉”，到头来认定还是日本竹子冠绝全球。仅从这一事例便可看出爱迪生的成功绝非偶然。“天才是百分之一的灵感，百分之九十九的汗水。”爱迪生的肺腑之言确实是毕生甘苦的真实写照。爱迪生创造的“试错法”，或叫“排除法”、也许是一种“神农尝百草”式的“笨办法”，但在各种天然物质缺乏数据积累的年代却不无合理之处，何况实验从来是科学的基础。作为脚踏实地的发明家和企业家，爱迪生的成功还得益于他卓越的经营才能，把灯泡生产只看做整个电灯系统的一个环节。同时配套生产导线、插头、开关、电表、保险丝等，并大规模办起自己的发电厂，这些都是其他发明家不能望其项背的。1893年芝加哥世博会对于电业发展的影响难以估量。不仅因为电在这届世博会上头一次独立门庭，建造了庞大的电力馆，也不仅因为煤气灯第一次退出舞台，完全使用了电力照明。芝加哥世博会重要的背景是，直流电和交流电正进行一场如火如荼的“电流战争”。交战双方旗鼓相当，直流电一方是爱迪生和新组建的通用电气公司，交流电一方是塞尔维亚移民科学家特斯拉和实力强大的威斯汀豪斯公司。芝加哥世博会照明竞标成为两厢的战略博弈。通用公司将报价从170万美元下降到不足45万美元，此后便再不让步。威斯汀豪斯公司则孤注一掷，断然以低于40万美元的报价赢得了世博会的“照明权”。芝加哥世博会就此成为交流电取得决定性胜利的“葛提斯堡战役”。“电流战争”应该说是爱迪生首先发动的。打从美国有了电灯，直流电便是唯一的“国家标准”。但直流电的弊端日益明显，由于电能在传输过程中的巨大损耗，发电厂只能覆盖1英里内的用户，为了减少电阻必须不断将铜线加粗。纽约市到处可见沉重下垂的电缆和密如蛛网的导线。1888年爱迪生公司总用户为112万盏电灯，而不同功率的发电厂就达1700多个。年轻的特斯拉初到美国给爱迪生打工时便提出了交流电方案，但缺乏数学素养的爱迪生却不能理解。当威斯汀豪斯从饱受轻慢的特斯拉手中买走交流电专利后，“天下从此多事”了。交流电能够通过变压器将电压升高到几十万伏并以极小损耗传输到远方，然后将高压降低送到用户。这是一场几乎将直流电体系“推倒重来”的革命。爱迪生不再沉默，他铁口断言交流电不安全，“直流电如一条小河，平静地流向大海。交流电像一股恶浪，狂暴地撞向峭岩。”为证明这一理论，爱迪生多次当众用交流电将猫、狗和马电死。此类表演的高潮是电死纽约公园的大象图泼西。爱迪生还指示下属搞到威斯汀豪斯公司的交流发电机，为纽约市政府制造了美国第一部“电椅”。当威斯汀豪斯抗议纽约政府违反人道并诉诸法庭时，爱迪生出庭作证说电椅是处决囚犯的首选途径，致使纽约政府胜诉。此后哪个犯人处死了，公众便说“被威斯汀豪斯了”。背着如此“黑锅”的威斯汀豪斯公司却以空前的完美征服了芝加哥世博会。当2000马力的埃利斯蒸汽机驱动两台巨型的多相交流发电机，全场7万弧光灯和13万白炽灯一齐点亮，把“白城”照耀得如同白昼，巴黎制造的150英尺直径电动喷泉流光溢彩，7英里外密歇根湖上的串串浮标都安上了100烛光的白炽灯泡，电动游船能直接在码头充电，仿真的伊利诺伊军舰也靠电力来演示炮塔转动。用变压器向每个角落送电实属轻而易举。芝加哥世博会选择了交流电，也是历史性地选择了美国工业发展道路。雷霆万钧的尼亚加拉大瀑布是世界奇观，也是可遇不可求的水力发电最佳选址，但早期开发以来始终没有找到理想方案。开氏温标创始人开尔文在1893年芝加哥世博会上目睹了交流电的种种优势，作为国际尼亚加拉瀑布委员会主任，他和同事们一槌定音，决定采用特斯拉的交流电系统并和威斯汀豪斯公司签订了合同。这一重大选择最终确立了交流电的主导地位。新落成的尼亚加拉水电站在1896年11月16日深夜向48英里外的布法罗送电。媒体报道说“合上电闸，尼亚加拉瀑布流向了山巅。”1901年布法罗世博会上，电首次成为领衔挂帅的主角。尼亚加拉瀑布5000马力机组发出的电流用11000伏高压线路送到世博园区，再降低到1800伏分配到各个展馆。各场馆共安装白炽灯泡50万个，柔和而清晰的橙色暖光绘出了一个童话般的世界。411英尺高的电力塔用4万个灯泡装点，塔上强大的探照灯和尼亚加拉瀑布探照灯互相应答，光线能传到58英里外的多伦多。电力馆中最风光的展览是尼亚加拉水电站工作模型，“外墙”剖开的机房显露出涡轮组如何与主机连接并被水力推动。人们通过耳机，能听到尼亚加拉“水帘洞”里传来的大瀑布奔腾咆哮之声。诺贝尔奖得主纳斯特发明的新型灯具别开生面，粗短的“灯丝”用陶瓷材料制成。而最让公众啧啧称奇的发明，还要数问世不久的X光机了。美国总统麦金来9月5日中午12时来到布法罗世博会广场，对欢呼的人群发表了著名演说：“世博会是进步的计时员”，“每届世博会不论大小都有助于文明的提升”。这是对世博会最精辟和经典的评价。但就在麦金来演讲的第二天下午4点，极端无政府主义者柯佐罗兹在音乐厅当众朝总统腹部连开两枪。9月14日凌晨2点，58岁的麦金来总统因手术后感染而去世。令人不胜叹息的是，世博会50万盏电灯竟然没有一盏安装在急救室，总统的手术台是靠着护士举着一只平底锅反射窗外阳光来照明的。而备受赞美的X光机也没有为寻找总统体内的子弹派上用场。对于以电为荣耀的布法罗世博会，不能不留下永久的尴尬和遗憾。1901年10月29日，刺客柯佐罗兹被处决，所用刑具正是“电流战争”的直接产物电椅。爱迪生在1901年布法罗世博会上依然受到众星捧月般的尊崇，他首次展出的铁镍碱性蓄电池重5.75磅，容量为100安培小时，被誉为白炽电灯后最重要的发明。蓄电池的功能是将化学能转变成电能。20年前普兰特已经发明了铅酸蓄电池，铁镍碱性蓄电池的重量减轻了一半，寿命却大大延长，不过爱迪生主动放弃了角逐布法罗世博会大奖，他认为自己的展品还远远不够完善。爱迪生发明蓄电池的故事几乎完全重演了发明电灯时“试错法”的浩瀚历程，先后实验多达5万次，几乎“穷尽”了所有可用的金属和酸碱材料。爱迪生常和下属一起工作到深夜，头枕化学词典伏案小憩，被戏称“梦里读书”。经过“十年磨一剑”，这种“长寿蓄电池”1909年才最后大批量投产并风行美国。谁能想到电动机竟然是在1873年维也纳世博会上偶然诞生的呢？比利时人格拉姆在展出他的直流发电机时将线错接在另一台发电机上，结果发电机意外转了起来，格拉姆恍然悟到原来动能和电能在磁场中的转换是可逆的。1888年特斯拉发明了交流电动机，让全世界机械工业面貌一新。早期由蒸汽机通过皮带、连杆和齿轮驱动各类机器的景观永不复见了，1904年圣路易斯世博会发电厂的规模几乎和纽约地铁中心电厂相当。通用公司展出了世界最大的1万马力的发电机，威斯汀豪斯公司展出了2000马力的电动机。电已经从扶墙摸壁的稚子长成了顶天立地的巨人。1910年代，碳丝白炽灯终于完成了历史使命，将“光明火炬”传递给了效率更高、寿命更长的钨丝白炽灯。匈牙利化学家汉纳和加斯特于1904年发现电阻大、稳定性强、熔点为3422摄氏度的金属钨非常适合制造灯丝，欧洲1905年开始生产钨丝灯泡。美国通用公司研究室主任库里奇对钨丝灯泡的改进功不可没。而注入碘或其他卤族元素，在高温下将卤化钨在灯丝上再次还原为金属钨，能让灯泡“益寿延年”。但白炽灯发出可见光的效率只有10%以下，绝大部分能量都变成了热。1926年德国工程师杰莫首次制成实用的日光灯，当电流通过水银蒸汽发出紫外线时，均匀涂在灯管上的荧光粉便会发出“冷光”。具有极高的能量转换效率。白炽电灯最终被日光灯所淘汰只是时间问题了。1933年芝加哥世博会再次成为电的盛会，姹紫嫣红的巨大花坛里“埋伏”着许多用金属制作的假花并涂以各种新问世的荧光材料，夜幕降临时紫外线从隐秘处射来，这些“暗藏”的钢花铁朵立即变成了通体明亮的金枝玉叶。霓虹灯也首次在世博会登场，烘托出七彩纷呈的灯光效果。然而在喜庆的气氛中，每天都有川流不息的人群凭吊爱迪生纪念馆，旁边花园的灌木和橡树是特地从新泽西爱迪生故居运来的。1931年10月18日，84岁的爱迪生因糖尿病逝世，为人类留下了1093项发明。10月21日葬礼那天全美国熄灯一分钟，悼念这位“带领世界走出黑暗的掌灯者”。然而学界对“人杰盖棺”仍评论参差。1880年2月爱迪生便从实验中发现白炽灯丝和接通阳极的金属箔之间有电流“跳过”，但“重实践，轻理论”的长期习惯却让爱迪生在电的“精灵”露出本相时从指缝溜走了。此后英国科学家汤姆逊是从“爱迪生现象”中发现了电子并获得诺贝尔奖的。1915年11月7日纽约时报报道爱迪生将和特斯拉分享当年的诺贝尔物理奖，但这一消息却最终未能成真。据传因为特斯拉扬言绝不与爱迪生为伍。思如瀚海、行如天马的特斯拉也许近乎古怪并超越了时代，他与爱迪生多年的恩怨纠葛和截然不同的行为模式留给后人太多的思索和争论。今天如果要历数电的用途和贡献，不如反过来看看还有哪个领域能脱离和电的