电的发现和电气时代的到来

邱家评

一直到18世纪为止,人类还一直认为电和磁是没有任何关系的两件事物。对电和磁的知识还相当原始。

18世纪末,一位叫伽伐尼的意大利医生想吃青蛙,他的太太用外科小刀剥青蛙皮,当小刀失手掉在青蛙腿上,同时又碰到锌盘时,那只死青蛙的腿剧烈地跳动了一下。伽伐尼注意到这一现象,于1780年11月6日进行了实验,并把实验重复了许多次,认为蛙腿的收缩是由于动物电引起的,他于1791年发表了《论电力对肌肉的作用》。伽伐尼的朋友、物理学家伏打很快弄清了蛙腿收缩的道理:神经和肌肉被外界的由金属产生的电流激发了,并找到了产生电流的条件:“干性导体”和“湿性导体”的两类金属相互接触就会产生电流。1800年3月,伏打把30块、40块乃至60块铜块与同样多的锡块或锌块连在一起,再在金属层间充满水(或盐水、碱水),伏打电堆问世了。从此电的研究在整个科学界炙手可热。1820年春天,丹麦化学家兼外科制药师汉斯·克利斯蒂安·奥斯特(1777—1851)在哥本哈根大学的教室里做实验时,将一根与伏打电堆相连的金属丝放在磁针旁边,发现当电流通过时,磁针会偏向一边,激动万分的奥斯特发表了题为《电流对磁针影响的实验》的论文,证明磁和电之间是有联系的。1821年,一位思想敏锐默默无闻的英国化学家法拉第在日记中写下了一个闪光的设想:“从磁产生电!”。1831年法拉第取一个磁铁从铜线圈中穿过,线圈产生电流。这就是著名的电磁感应实验。1862年才华横溢的麦克斯韦写出《论物理学的力线》,用方程式的方式揭示了电和磁之间深刻的联系。1886年赫兹进行了证实电磁波存在的实验,人类进入到电的时代。

1866年,德国科学家兼工程师西门子发明了世界上第一台大功率自激式发电机,标志着第二次工业革命的开始。电作为新能源逐步应用于工业、照明及城市公用事业,标志着电气时代的来临。1902年,美国已有发电厂3621座,装机容量为121.2万千瓦。1907年,德国23.3万多家机器动力企业中,使用电动机的企业有7.1万家,总马力达到190万以上,居各种动力之首,占总数的30.6%。1870年美国几乎没有电气设备工业,9年以后电气设备工厂生产了价值190万美元的产品,1890年电器产品价值高达2180万美元。1875年,世界上第—座发电厂——专供弧光灯照明用电的巴黎北火车站电厂建成。19世纪80年代,美、英等国出现第—批商业性发电站。1882年9月,纽约市爱迪生珍珠街电厂投入运行,这是世界上第—座比较正规的发电厂。同年,爱迪生在威斯康星州创建了亚伯尔水电厂这是世界上最早的水力发电厂之一。同年,德国米斯巴赫小型水电站也投入运行。1890年,伦敦迪普德福特电厂建成,安装有2台柴油机拖动的交流发电机和4台蒸汽机拖动的交流发电机,给伦敦地区供电。1893年,俄国诺沃罗西斯基建造了世界上第—座供工厂和港口用的三相交流发电厂。在商业电站不断出现的同时,电力技术和电力生产不断取得历史性的重大成就:发电机组容量和电厂规模从小到大,技术参数和自动化水平不断提高;发电能源由单一进而多样化(水力、火力发电等);输电电压等级不断提高,输电距离不断延长;发供电从孤立发展到联合为电网,电网规模日益扩大。19世纪末,欧美主要国家迅速地实现电气化,电力、电气技术在各工业部门得到越来越广的应用。19世纪70年代以前,蒸汽机是工业中惟一的动力机械,19世纪末,电动机开始排挤蒸汽机。进入20世纪,电力作为新的能源逐步取代蒸汽动力而占据统治地位。

电力能源的开发,电机工程的发展,使得独立的电力工业部门日渐成为近代工业体系中的重要部门之一。发电、输电、变电、配电和用电有机地构成一个整体,形成日渐庞大的系统。同时,以电机制造、家用电器为主体的电器行业迅速崛起,成为新兴的产业部门。

电力作为二次能源在能源的开发利用中起着极为重要的中介作用,它为整个社会生产创造了一种新的动力形式,从而为社会生产造就了新的动力基础。推动了整个技术领域的全面发展。正因为有了电,才能生产出更为灵敏机动的电气控制技术,使生产过程实现了机械化和半自动化,产生了新的产业;才涌现出一系列以电为能源和动力的新兴技术部门如电化学技术、电冶金技术、电焊技术、电镀技术、以及其它各种店加工技术;才推动了发电机、电动机、汽轮机、水轮机和各种电器、变压器、电线电缆、电工仪表等的高速发展,使电气工业技术形成一个庞大的工业部门;才使电报、电话、无线电等电信技术得以蓬勃发展,跨进了新时代。所有这些都说明,自19世纪70年代起,从生产到生活都转到了利用电能的基础上来,正因为这样,造成了比蒸汽机时代大得多的生产力。据不完全统计,世界工业产值在1870——1900年间增长了2.2倍,恩格斯说:“这实际上是一次巨大的革命。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……使工业几乎彻底摆脱了地方条件所规定的一切界限,……成为消除城乡对立的最强有力的杠杆。”