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第18章 世界之最(5)

为了解决这些新的问题,爱迪生将研究灯泡的研究所改成了研究发电和输电的电力研究所,于1882年在纽约成立了世界上第一家中央发电所。在这个发电所里,有经过爱迪生进一步改进的发电设备和输变电设备。这个发电所里发出的电,经过电线可给附近的800多个电灯供电,一年后,可供的电量能满足1700多个灯泡使用。

世界的夜晚由于电灯的发明变得越来越光明了,这标志着人类进入了电气时代。

在电的历史上,爱迪生的贡献实在是太多了,仅仅1880年这一年内,他获得的发明专利就有47项,其中电灯方面37项,发电方面3项,输配电方面7项。他差不多每个月就有4项专利,因此被人们称为“魔术师”、“发明大王”。

爱迪生发明的炭化竹丝灯芯,直到1908年威廉·克里奇发明了钨丝灯芯以后,才逐渐被淘汰。

威廉·克里奇是1892年成立的“爱迪生电气公司”的技术员,他出身农民,但从小对发明情有独钟。他对白炽灯的改进十分感兴趣,他不怕艰辛,用了长达4年的时间,于1908年研制成功了钨丝灯芯。

这时,爱迪生已是一个61岁的老人了,他到研究室看望了威廉。此时,两个人都心潮澎湃、感慨万千。威廉说:“爱迪生老师,谢谢您!我的钨丝灯芯所以能研制成功,全靠了您的研究成果的指引。”爱迪生说:“别这么说,我在钨丝灯芯面前止住了脚步,而你却将它发扬光大了,真是后生可畏呀!”爱迪生还称赞威廉:“你有着超常的耐性,真令人佩服!”他们在钨丝灯下促膝长谈,这就是创造人工太阳的人。

还有一位发明家我们不应忘记,他叫兰谬尔,也在爱迪生电气公司任职。他的主要贡献是往灯泡内加了氩气,避免了在真空状态下钨的蒸发,从此灯泡玻璃不再变黑了。寿命也明显地延长了,这是一个伟大的成功。

电灯就是这样由爱迪生发明,并经过威廉、兰谬尔的改进后发展而成的。

伟大的发明家爱迪生,在发明电灯以后,继续他的发明事业:电车、摄影机、蓄电池、电信机等等。他的发明专利达到1300多项,是世界上获得专利最多的发明家。“为人类的幸福生活而发明”,这就是爱迪生一生的信念。

法拉第的发明

法拉第是英国一位穷铁匠的儿子,13岁开始就当学徒,没有受过正规的学校教育,完全靠自学成才,是一个有许多重大发现的人。他的许多实验结果虽然没有数学证明,但从数学上来说,也是相当正确而优秀的。他1821年发明了电动机,1823年完成了液气氧化实验,1825年发现了苯,1831年发现了电磁感应现象并以此制造了发电机,不久又发现了电解法则。后来,法拉第几乎做遍了电与磁的所有实验,发表了很多研究成果,在19世纪里他获得的发明专利之多,仅次于后来的“发明大王”爱迪生。因此,被世人誉为“电气学之父”,这对法拉第来说是当之无愧的。

法拉第发现电磁感应现象的情况是这样的。将一根条形磁铁放人在连接有电流表的线圈中,这个电流表的零点在刻度盘的中央位置上,以便能表示电流的大小和方向。若磁铁不动,则电流表的指针指在零点位置上。若将磁铁拔出和再插入,则会发现电流表的指针会向着两个不同的方向偏转,这表咀由于磁铁的拔出和插入,在线圈中产生了方向相反的电流。由此可见,只有当磁铁处在运动中时,电流表才能表示线圈中有电流存在。而且,磁铁移动得越快,指针偏转的角度越大,因此电流也就越大。这种电流叫做感应电流,产生感应电流的过程,就叫做电磁感应现象。在电磁感应现象中,影响感应电流大小的因素,除了条形磁铁相对于线圈运动的快慢以外,另一个因素就是线圈内电线绕的圈儿数的多少,圈儿数多1倍,产生的感应电流也就大1倍,相反,如果圈儿数减少,则感应电流也就要成比例也减小。

电磁感应现象告诉我们,通过线圈所包围面积的磁场通量发生变化时,在线圈中也能产生电流,这正好是与电流(运动电荷)产生磁场相反的过程。这就从另一个方面揭示了电与磁密不可分的关系。由此,法拉第预感到:电与磁不仅有着密切的联系,而且在一定的条件下可以相互转化。但是,由于法拉第数学基础差,他的想法和观点,虽然有实验事实为根据,但缺少数学上的证明,使人感到遗憾。他在论文里只习惯于用比喻手段生动地进行说明,而常常不使用数学式来表示。因此,当时科学界普遍认为法拉第是个优秀的实验家,而不是一个好的理论家。对于习惯用数学式来思考和解释问题的科学家们来说,法拉第的理论变得难以理解,因此,法拉第的电磁感应也在不被理解中逐渐被人们所遗忘;而法拉第所预感到的电与磁以及磁与电的转化关系,也没有引起科学家们应有的重视。然而,法拉第的贡献是开创性的。后来,麦克斯韦正是在法拉第工作的基础上,通过数学的手段建立起了电磁场理论的完整体系。

麦克斯韦的发现

真理是不会被埋没的,总有一天会放出光芒。就在法拉第发现电磁感应现象并发明了发电机的1831年,在英国的一位着名的律师家里,降生了一个小生命,他的名字叫麦克斯韦。

麦克斯韦从小家中富有,聪明好学,尤其是数学天才突出,16岁时就发表了数学论文,他的才能在少年时代就露出了光芒。1850年他进入英国剑桥大学学习数学专业,1854年以优异的成绩毕业。麦克斯韦大学毕业以后,便开始了电与磁理论的研究。

这个时候,法拉第发现电磁感应已经有23年的了。法拉第始终认为,磁场变化时能产生电流,而电力和磁力都是通过某种媒介物而传递的。但是,大部分科学家认为不是这样,有的还提出了与法拉第认识才皈的一些观点。可见,当时的电和磁的理论,在一些主要观点上争论还是很激烈的。

麦克斯韦是个很有主意的人。这时他下定决心对法拉第没有数学根据的观点进行深入的考查。他说:“如果迄今为止没有数学证明这一理论,那么让我去做这一工作吧!”

1855年麦克斯韦完成了名为《论法拉第的力线》的数学论文,第一次从数学上证明了法拉第理论的正确性。1862年麦克斯韦又发表了名为《论物理的力线》的论文,得出了“电或磁的波动是光的一种”的重要结论。他用数学的方法证明了变化的电场能产生磁场,变化的磁场也能产生电场,他把电场与磁场的这种波动,就称为电磁波。他用数学的方法还证明了电磁波与光是同样的物质,两者的传播速度也相等。

1864年,麦克斯韦又发表了一篇非常重要的文章,题目是《电磁场的动力学理论》。在这篇文章中,麦克斯韦对法拉第等人和自己的研究工作进行了系统而概括的总结,提出了联系着电荷、电流、电场、磁场的一个完整的数学方程组。后来,有人对这个方程组又进行了一些加工和整理,成为了电磁场理论的基本方程,人们把它叫做麦克斯韦方程组。由这个方程组得出的结论,大体上有以下几个方面:①不仅变化的磁场能产生电场,而且变化的电场也能产生磁场;②只要有变化的电流,就有变化的电场和变化的磁场在空间的传播,从而形成电磁波;③电磁波中的电场和磁场相互成90度角,而且又都和传播方向相垂直;④电磁波的传播速度始终是一定的,它总是以光的速度传播,1秒中就可以走30万千米。

麦克斯韦的上述观点,是用纯数学方法阐述的,被称为电磁场理论基本方程的麦克斯韦方程组,也是用纯数学方法建立起来的理论。由于当时还没有在实验中获得电磁波,因此仍有不少人怀疑麦克斯韦的理论,也不承认电磁波的实际存在。

赫兹的试验

1864年,在麦克斯韦用数学式证明了电磁场理论之后,在科学家中看法并不统一。支持派认为,麦克斯韦的数学证明十分严密,结论是可信的;反对派认为,虽然数学上严密,但没有事实上的证明,电磁波的真实性还不能相信。双方进行着激烈的争论,但遗憾的是谁也没有充分的理由来驳倒对方。

就在这种情况下,支持派中的一些年轻人,决定通过实验的方法来获得电磁波,这当然是一个十分困难的问题。

当时在德国波恩大学任物理学教授的赫兹,认真阅读了麦克斯韦关于研究电磁波的书,并于1887年着手于对电磁波进一步深入研究。他大胆地设想:如果想办法撞激电火花,使它周围产生电振动,这种电振动肯定会向四面八方传播,那么,可不可以在火花周围捕获一些振动,再用来撞激别的火花呢?赫兹带着这个问题,开始了企图通过实验的方法获得电磁波的研究工作。

赫兹的实验其实很简单。他利用一个与感应线圈连接着的没有闭合的电路作为振动器,这个电路中包括了两根金属放电杆,每根金属杆的一端安上一个金属球,作为放电器,再将装在莱顿瓶中的电进行放电,则在两个金属球之间就激起了火花。这时就能发现在10米远的地方开路金属环两个金属球之间,也出现了火花的闪现。也就是说:如果使莱顿瓶放电,则突然增大的电流就像蛇一样来回振动起来,这就说明有变化的电磁场向四周传播,电磁波弥漫在了整个空间,进而引发在较远处的开路金属环两个金属球之间产生了火花。这样,赫兹终于在1887年通过实验的方法,成功地捕捉到了电磁波,从而证明了麦克斯韦预言电磁波存在的正确性。赫兹于1888年发表了他的实验结果,当时他还很年轻,只有31岁。

在这之后,赫兹又用实验的方法证明了电磁波与光有同样的特性;电磁波的传播速度等于光速;电磁波能跟光一样,遇到金属板可以反射。由此说明了光也是电磁波的事实。赫兹还测出了自己实验中获得的电磁波的波长为96米。

赫兹实验有着非常重要的意义,它从根本上证明了法拉第预感和麦克斯韦理论都是正确的。但可惜的是在赫兹发表他的实验成果的1888年,法拉第已经去世21年,麦克斯韦也去世9年了,他们都未能看到赫兹实验成功的这光辉的一幕,但历史将永远铭记他们。

赫兹实验的成功,开创了人类对电磁波应用的新时代。遗憾的是,赫兹对电磁波的应用不感兴趣。有人曾经多次问他:“是否将您的发现用于电信呢?”赫兹总是回答说:“我认为这不太可能。”

1894年,年仅37岁的伟大的实验物理学家赫兹,与世长辞了。他没有能看到电磁波用于无线电通信,更没有能看到电磁波的广泛应用和对人类社会的发展带来的巨大影响。

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