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物理故事丨他是把电的福音传播到人间的天使 精选

已有 3689 次阅读 2018-6-14 10:15 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

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回顾物理学的发展历史,我们发现,一直到18世纪中叶,电与磁似乎还只是一种令人着迷的玩具。科学在萌发之初似乎都有一种游戏的性质,艺术也是一样,这是很有意思的一件事。但发展到后来,它们就有可能改变世界。这也是人类重视科学的原因之一。


在美国,托马斯·阿尔瓦·爱迪生(Thomas Alva Edison,1847—1931)是家喻户晓的天才,也是美国人所崇尚的传奇人物,在世界各地都享有盛誉。因为他一生完成了2000 余项发明,包括影响世界的留声机、电影机、电灯等(当然,在他背后有强大的团队),发明专利达1093 项,这个纪录一直保持至今。所以,人们把爱迪生叫作“发明大王”。

 

像许多天才人物一样,少年时代的爱迪生喜欢钻研和冥思苦想。据说5 岁那年,爱迪生父亲看到他一声不吭地蹲在鸡窝里,不知他在干什么,原来他是在模仿母鸡孵小鸡。上小学时,他常常提一些稀奇古怪的问题。老师若不回答他,觉得自己没有尽到职责;若回答他,又不知如何回答,因为他提的问题有些不着边际。所以,学校老师有些不喜欢他,并告诉爱迪生的母亲说,这个孩子有点儿傻,上学也是白搭。

 

母亲一气之下就让他退了学,把他领回家自己教。让这位母亲生气的是学校僵化的教育方式,以及任课教师的平庸和短视。正是在母亲的教育下,爱迪生的天资得到了充分释放。他阅读了大量书籍,又喜欢动手做实验,在家里建了一个小小的实验室。

 

但爱迪生的家境并不富裕,为了买实验用品,他不得不出去挣钱。他先后在火车上当过报童、办过报纸。总之,吃了很多苦,受了很多累,不过也从中获得了许多启示,积累了许多经验。

 

说到爱迪生,我们首先想到的就是电灯。早在1809 年,英国化学家戴维就发明了弧光灯,但弧光灯要用2000 多组伏打电池作为电源,成本实在是太高了。而且,它的光线太刺眼,不能用于普通家庭照明。

 

有了电之后,发明电灯的关键是要找到合适的灯丝,它要具备两个条件:一个是在通电状态下能发光,另一个是要经久耐用。

 

爱迪生在1879 年发明白炽灯成为轰动世界的新闻,他以碳化纤维(实际上是一种碳化了的竹子纤维)作为灯丝,竟然可以照明达1200小时,这个时间已经足够长,完全可以用于普通照明。那是人类的第一盏电灯。它意味着,每当夜幕降临时,人们不必总是面对黑暗了。

 

描写爱迪生的故事很容易,但故事的背后充满了艰辛和坎坷。就以电灯的发明为例,据说爱迪生为此试验了1600 多种耐热材料和6000种植物纤维,失败了1000 多次。最后的成功带来了世界的辉煌,当然,也带来了他自己人生的辉煌。

 

爱迪生在发明电灯的过程中曾发现了一个重要的物理现象:当通电时,在灯丝和灯泡内的金属板之间有电流通过。他当时并没有意识到这一发现有什么重要价值,但还是记录在案,并申请了发明专利。十多年后,这种现象才得到了合理解释。原来,在通电时,灯丝一发热就有电子发射出来,它与金属板之间正好形成回路。我们把这种现象叫作爱迪生效应。利用这个效应,英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明(John Ambrose Fleming,1864—1945)在20 世纪初发明了电子二极管,另一次技术革命就是由电子管引起的。这是后话。

 

爱迪生发明的电灯照亮了夜晚,使人们看到了科学技术改变世界的力量。除了电灯,还有留声机、电影机等,这些都是改变人类历史进程的伟大发明。



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1876 年,爱迪生将一张锡纸包在圆筒上,做成一个滚筒,将一根小针浮在滚筒的表面,再把话筒后面的声波振动装置与小针固定相连,当人说话时转动圆筒,声波的振动通过小针在锡纸滚筒上划出一条刻痕,这条刻痕就将人的声音记录下来。下一次当小针沿着它移动时,声音就可以再现出来了。

 

这就是爱迪生发明的留声机。留声机是世界上第一台会说话的机器,它的轰动效应可想而知,爱迪生也因此而声名鹊起。很多人被留声机征服了,有了这种神奇美妙的东西,声音从此就可以保留下来。今天当然有更多的留住声音的方法,但在当时,这种留住声音的方法是人类历史上的第一种方法。直到20 世纪20—30 年代,一些富裕的家庭还把留声机作为一种时尚的奢侈品。

 

那一年,爱迪生29 岁,之后,他才把目光转向了电灯。

 

再说说电影的发明。1824 年,英国医生罗吉特发现了视觉暂留现象,也就是说,当物体消失后,人的眼睛里的物象还能继续保留短暂的时间。根据这个原理,不连续的画面快速变动时,可以在人的眼睛里形成连续的景象,这就是爱迪生发明电影的理论基础。1889 年,爱迪生开始着手研制电影机。他研究了视觉暂留现象,考察了法国人制作的动画片,弄清楚了电影放映机的基本原理。5 年后,他制成了世界上第一台电影放映机,它可以将动画用电灯光投射到屏幕上。世界上第一部电影《火车进站》就是爱迪生的公司拍摄的。

 

人们常说,爱迪生是把电的福音传播到人间的天使,真是一点儿都不夸张。许多人往往只看到了爱迪生成功时的幸福和他身上的光环,但却忽略了他一路走来的艰辛。他的失败远远多于成功。就那一次成功,却有可能改变世界的面貌。

 

“天才不过是百分之一的灵感,再加上百分之九十九的汗水。”这句话就是爱迪生说的,他说的绝对是肺腑之言。

 

在发电机的发明上,爱迪生没有成功,虽然他也花了很多心思,用了很多时间,但没有占得先机。失败的原因可能是他太执着于直流电,他甚至跟人说,交流电对人类有害。电灯用的是直流电,电灯的迅速推广带动了电网建设,他为此还专门配置了直流电站。

 

法拉第定律是制造交流发电机的理论基础,按那个线索去努力,才有可能水到渠成。而且,只有交流电才能使用变压器,才有利于长途输电。

 

在这一方面,乔治·威斯汀豪斯(George Westinghouse,1846—1914)和尼古拉·特斯拉(Nicola Tesla,1856—1943)赢得了交流发电机的发明权。特斯拉年轻时从匈牙利移民到美国,在爱迪生手下做事。他热衷于交流电,与执着于直流电的爱迪生观点不一致,于是就辞职了。

 

不久,威斯汀豪斯雇用了特斯拉。1882 年,特斯拉制成了世界上第一部交流发电机,很快就占领了市场。特斯拉拥有700 项专利,除了交流发电机外,还有日光灯、变压器等重要发明。

 

1896 年,科学家将尼加拉气势壮观的瀑布的水能转化成了强大的电能,世界的电气化历程拉开了序幕,电磁学的故事刚刚开了个头。



本文摘编自杨天林教授撰著的“科学的故事丛书”之《物理的故事》(杨天林著,刘金岩审订)第一章。


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“科学的故事丛书”

杨天林 著  刘金岩 审订

责任编辑:张莉  乔艳茹

北京:科学出版社 2018.04

ISBN 978-7-03-053747-8


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(本期编辑:安 静)

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1 尤明庆

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