电力技术的发展和应用

（一） 电机的发明与改进

1819年，奥斯特关于电流使磁针发生偏转的实验，揭示了电动机的基本原理。1821年，法拉第对奥斯特的实验装置进行了改进，制成了一台用化学电源驱动的电动机的雏形；法拉第使小磁针绕载记导线连续运动的装置，是人类第一台电能转化为机械能的电动机原型。在最初展出时，曾有人问法拉第这个玩意儿有什么用，法拉第机智地反问说：“新生的婴儿有什么用？”

1823年，英国科学家斯特金（1783年—1850年）发现在U型铁棒上绕了铜线之后，当铜线通电时，U型铁棒就变成了一块磁性很强的电磁铁，能吸引比自身重20倍的铁块，而且一旦切断电源后，就变成了普通的铁棒。1829年，美国物理学家亨利（1797年—1878年）用绝缘导线代替裸铜线，这样可以紧密地缠绕导线而不会短路，提高了电能转化为磁能的能力。1831年，他用一块电磁铁居然吸起1吨重的铁，使世人为之震惊。同年，亨利试制出了一台电动机的实验模型，由于使用了电磁铁，亨利的电动机模型比法拉第的实验装置产生的动能要大得多，是电动机发展史上的一大进步。1834年，俄国科学院院士雅可比（1801年—1874年）将亨利的电动机模型中的水平电磁铁改为转动的电枢，加装了脉动转矩和换向器，试制出了第一台实用的电动机。1838年，雅可比将进一步改进的电动机装在一艘小船上，成功地进行了航行。此后，发明家纷至沓来，使电动机研制进入一个高潮，1850年，美国发明家佩奇制造了一台10马力的电动机，并准备用它来驱动有轨电车。

在人们研制电动机的同时，发电机也处在研制阶段。早期的电动机都是直流的，由伏打电池供电，但伏打电池价格昂贵。1831年，法拉第在发现感生电流的实验装置的基础上，试制出一种最初的永磁铁发电机的实验模型。1832年，法国工程师皮希克（1808年—1835年）试制成功一台手摇永久磁铁旋转式脉流发电机。这台发电机上安装了一种原始的换向器，使得发电机所产生的交流电可以转变为当时工业生产所需要的直流电。1857年，英国电学家惠斯通（1802年—1875年）制成了用电磁铁的发电机，供应电磁铁的电流是靠电池提供的。这种靠外加电源来励磁的它激式发电机，仍有局限性。

真正的自激式发电机是将发电机本身所产生的电流用来为自身的电磁铁励磁。1866年，德国著名电气工程师西门子（1816年—1892年）发明了自激式直流发电机，靠发电机自身发出的电流为自己的磁铁励磁，并于1867年向柏林科学院提交了一篇论文——《关于不用永久磁铁而把机械能转换为电能的方法》。这就为建造大容量电机，获得强大电力，提供了技术上的现实可能性，意味着电气技术最重要的阶段的开始。由于甩掉了伏打电池，发电机本身也变得轻巧；电能开始以大量、廉价而赢得青睐。往后的发电机，几乎都是在西门子电机的原型基础上改进的。所以，西门子的发明在技术上相当于瓦特发明蒸汽机，有着划时代的重大意义，而西门子被称为近代德国科学技术之父。

到了1880年左右，电动机已被大量地用于各行各业。电锤和岩石钻相继问世，石磨机、制冰机、洗涤机等都用上了电动机，甚至还出现了牙医电钻、缝纫机马达、家用吸尘器。对电的需求的日益加大，直流电机的局限性开始表现出来。最主要是远距离供电问题在直流发电机上得不到解决，高压既使路耗太大，也使发电机的线圈无法承受。直流发电机还存在着换向器和电刷制造困难，质量不可靠且经常发生事故等问题。交流电就在这时被重新发现。

（二） 电能的广泛应用

1882年，法国物理学家和电气技师德普勒（1843年—1910年）在德国工厂主的资助下，建成了世界上第一条远距离直流输电线路，该线路将米斯尼赫水电站的直流发动机与慕尼黑博览会的一台电动水泵相连，全长57公里。使用时，始端电压为1343伏，末端电压为850伏，输送功率不到200瓦，路耗达到78%。德普勒的试验，既雄辩地证明了远距离输电的可能性，也充分显示了直流电在远距输电中的局限性。

交流电能够有效地解决远距输电问题。在远距输电中，为了减少路耗必须提高输电电压。法拉第于1831年发现的自感现象为变压器提供了理论依据。在同一个铁心上绕上两组线圈，当一组线圈上通有交变的电流时，在另一组线圈上便会感应上同样交变的电动势来。线圈匝数不同，感应到的电动势便会不同。根据这一原理，就可以制成变压器，使电压变高或变低。1883年，法国人高拉德和英国人吉布斯制成了第一台实用的变压器。

由于变压器的出现，从19世纪80年代起，交流电的发展和应用迅速扩大。从前的电动机均使用直流电，方向不断变化的交流电不能在直流电动机上使用。交流电动机起源于旋转磁场的发现。1881年，塞尔维亚裔美籍科学家、发明家特斯拉（1856年—1943年）发现了旋转磁场原理。1885年，意大利物理学家费拉里斯（1847年—1897年）和特斯拉各自独立地依据旋转磁场原理，发明了交流感应电动机。1886年，美国的斯坦施莱建立了最早的交流发电站。1888年特斯拉又发明了交流输电系统，1891年发明了特斯拉线圈，解决了电力传输与配置的关键问题，大大提高了人类使用电力的能力。1889年，俄国科学家多里沃-多布洛夫斯基研制成第一台实用的三相交流鼠笼异步发电机，并取得专利；1890年他发明了三相变压器，1891年完成了世界上第一条长达170千米、电压为1500伏的三相交流输电线。

三相交流电的发明标志着电工技术发展到一个新阶段。交流电具有安全、成本低、功耗小、便于远距离输送等优点，克服了直流发电和供电系统的种种弊端，适应了社会的需要。19世纪的最后十几年，交流电发展很快并逐步代替直流电。

随着电能应用的迅速扩大，发电厂相应地发展起来，由功率小的“住户式”电站，进而发展为大功率的中心发电厂。1889年，英国建成了一座电站，是现代大型中心发电站的先驱。1901年美国在密西西比河流域建成了50千伏的高压输电线。远距离输电技术的发展，使电力成为比蒸汽动力更强大更方便的动力，它的广泛应用对工业的发展具有决定性的作用。

1882年慕尼黑展览会上展出德普勒的实验性远距离输电线路，曾引起马克思和恩格斯的热烈讨论，认为它将“使十分巨大的、一向白白浪费的全部水力立即可以得到利用”，“使工业几乎彻底摆脱地方条件所规定的一切界限”，“如果在最初它只是对城市有利，那末到最后它终将成为消除城乡对立的最强有力的杠杆”^[9]。 1883年 3月，恩格斯指出：“蒸汽机教我们把热变成机械运动，而电的利用将为我们开辟一条道路，使一切形式的能——热、机械运动、电、磁、光——互相转化，并在工业中加以利用。”“这件事还只是处于萌芽状态”，但它将“使工业几乎彻底摆脱地方条件所规定的一切界限，并且使极遥远的水力的利用成为可能”，“生产力将因此得到极大的发展”，“这实际上是一次巨大的革命”^[10]。可见，在马克思、恩格斯看来：德普勒的这个实验是一系列预示着一个新的技术革命时代即将到来的技术成就中的一项，是“那种对工业、对一般历史发展立即产生革命性影响的发现”。这显示了马克思主义的深邃的历史眼光。可以说，是马克思、恩格斯首先对第二次技术革命及其对一般历史发展的重大影响做出了预见。

19世纪末20世纪初在世界上掀起了电气化的高潮，美国、德国由于最早实现了电气化而迅速进入世界工业强国的行列。电力技术的广泛应用，首先促进了电力工业、电气设备工业的迅速发展。以发电、输电、配电这三个环节为主要内容的电力工业产生和发展起来了，制造发电机、电动机、变压器、断路器以及电线、电缆等电气设备的工业也迅速兴起，同时还促进了材料、工艺和控制等工程技术的发展。电力技术的发展使许多传统产业得到改造，使一系列新技术应运而生。

电能作为新能源逐步取代蒸汽动力而占据了统治地位。电能相对于蒸汽动力呈现出明显的优势：第一，电能可以集中生产、分散使用，便于传输和分配；第二，电能的应用灵活，易于转化为热、光、机械、化学等各种形态的能量，以满足人类生产和生活的多方面的需要，而蒸汽机则只能把热能转化为机械能。

（三） 电灯的发明

电磁式发电机发出的电力，开始时并没有立即用作工业动力，而是主要用于电气照明。电灯的发明，首推美国发明家爱迪生（1847年—1931年）。他是一位传奇般的人物，美利坚民族崇尚的那种传奇般的人物——没有受过良好的学校教育，但凭个人奋斗和非凡才智获得巨大成功。像许多天才人物一样，少年时代的爱迪生少年时代就喜欢冥思苦想，爱提古怪的问题。上小学时，老师常被他古怪的问题问得张口结舌，并当着他母亲的面说他是一个傻瓜，将来不会有什么出息。母亲一气之下让爱迪生退了学，由她指导爱迪生的教育。在母亲的指导下，爱迪生阅读了大量的书籍，并在家中自己建立了一个小实验室。后来，爱迪生阅读了法拉第的电学著作，很快投入了研究开发之中。

1876年，爱迪生发明了“会说话的机器”——留声机，在社会上引起轰动，人们惊叹不已，当时爱迪生才29岁。

1878年，爱迪生将兴趣转到电灯的研制上来。研制电灯的关键是找灯丝材料。已经有不少入在这方面攻关，著名的有英国电机工程师斯旺，他从19世纪40年代末就开始研制，花了近30年的努力，最后在1878年终于发现碳丝很适合做灯丝材料。爱迪生先是独立地工作，但每每失败，许多可发光材料或者一亮即灭，或者寿命不长。当时人们已经知道，在真空中灯丝可以保持更长的寿命，但能长到投入日常使用的材料还是没有找到。据说爱迪生试验了1600多种耐热材料和6000种植物纤维，但还是没有成功。1879年10月，爱迪生在一本杂志上看到斯旺用碳丝制成了白炽灯的报道，深受启发。10月21日，他用棉线烧成碳丝，再将碳丝装进灯泡，小心地抽成真空，当电灯通上电流时，灯丝发出明亮的光辉，而且持续了45个小时，这只灯终于成功了。

爱迪生并未满足，因为这只灯的寿命还太短。经过一次又一次的反复实验，终于发现，竹子纤维在碳化后可以做灯丝，其寿命长达1200小时。爱迪生马上大批量生产这种灯泡，并且为此专门开直流电站、架设电网。到1882年，爱迪生已经在纽约建成了一个当时世界上最大规模的电力系统；发电能力为900马力，供7200个灯泡使用，完成了电力工业技术体系。

后来，人们之所以把电灯的发明归功于爱迪生，是因为他使电灯实用化、商业化获得了成功。爱迪生在1878年就设立了“爱迪生电气照明公司”，他所生产的炭化竹丝灯泡在19世纪80年代就被广泛采用了。而斯万的研究工作却由于受到英国玻璃灯公司的猛烈反对，条件困难，进展迟缓。对社会的巨大贡献，使爱迪生获得了发明世界之光的荣誉。

爱迪生被称为“发明大王”是当之无愧的，他一生取得了1300多项的发明专利。特别在电气应用领域，他更是成果累累、功勋卓著。人们说，他是把电的福音传播人间的天使，这是毫不过分的贺词。爱迪生的成功的背后经历了许多失败：为寻找灯丝，他试验了数千种材料；为了试制一种新的蓄电池，他失败了8000次。因此爱迪生常常说：天才不过是百分之一的灵感，再加上百分之九十九的汗水。