C。闪电大师的神秘共振圈

爱迪生为了诋毁交流电，破费数千美元来调动各种新闻手段到处宣扬高压交流电的危险性，甚至人为地制造交流电事故。他建立了一个实验室，残忍地将特意抓来的小猫小狗电死；他买通纽约州监狱的官员，用交流电执行死刑，制造可怕的景象，形成公众对交流电的恐惧、厌恶和反对。

为了反击爱迪生，说明高压交流电在正确使用情形下的安全性，特斯拉冒着生命危险，多次表演‘魔术’一样的交流电试验。“他身着软木鞋、晚礼服，打白领带，头戴礼帽，双手接通电路，用身体做导线，全身闪出电火花，人们被这一表演惊呆了。”表演时，特斯拉为了说明有危险的不是电压的高低，而是电流的大小，让上万伏的高频电压通过自己的身体，展示出惊人的放电效应。

图4.2：特斯拉坐在闪电试验室里看书

（右图：特斯拉坐在他在美国科泉市的实验室内，身前是产生百万伏电压的“放大发射机”。这是一张多重曝光照片，摄于1899年，后加彩色。）

在特斯拉的闪电试验中，用来产生高频高电压、低电流的设备叫做特斯拉线圈，是特斯拉最重要的发明之一。特斯拉线圈的原理很简单，实际上就是一台利用共振原理的变压器而已。收音机中调谐电路的原理也是利用共振，但是使用的目的不一样。特斯拉用它来方便地产生超高电压、超高频率但又是超低电流的交流电，从而制造出人工闪电的效果。直到现在，在世界各地仍有很多特斯拉线圈‘玩家’，他们做出了各种各样的设备，制造出惊心动魄又美丽眩目的闪电图景。因而，特斯拉不愧被人们称为闪电大师。

不过，特斯拉当时不是仅仅将特斯拉线圈用于‘玩’这种娱乐和教育的目的。他利用这些线圈进行了多项创新实验，研究高频率的交流电现象，产生X射线，并用于电疗和无线电能的传输，等等。采用特斯拉线圈的火花放电无线电发射机，被广泛用于传递电报信号。一直沿用到上世纪的二十年代，火花放电发射机才被真空电子管的无线电发射机所取代。

共振的现象在日常生活中司空见惯，比如乐器利用它产生的‘共鸣’。共振也是诸位在初中时候就学到了的简单物理道理。共振时，往往会有意料之外的突发现象出现。例如，在1940年，美国华盛顿州的的塔柯姆大桥因大风引起的共振而塌毁，还有传说中某某高音歌唱家演唱时震碎玻璃杯的故事等等。

‘电共振’这个简单现象，在特斯拉手上却被‘玩’出了很多花样，且听我们一一道来。

特斯拉特别关注共振，也源自于他年轻时的一段十分神秘的经历。据他自己的叙述：

“一天晚上，我看见无数天使腾云而来，其中一个居然是我的母亲！那一瞬间，我心中升起一股莫名的感觉，潜意识告诉我：母亲去世了！后来证实，这是真的！”

之后，特斯拉用‘共振’来解释这次幻觉的出现。他认为是因为他和母亲之间的脑电波达到了共振而产生的心灵感应！不管他的理论正确与否，他对共振现象的迷恋，引导他走向了‘特斯拉线圈’这一革命性的发明。

图4.3：特斯拉线圈原理图

特斯拉线圈的原理如图4.3右图所示。首先，一个普通的变压器将交流电的电压首先升到2千伏以上，这是可以击穿空气而放电的电压。初级线路中的电容C1充电达到一定数值后，距离几毫米的两个火花隙之间便产生放电。放电使得初级线圈（圈数很少）和电容C1构成一个LC振荡回路，产生高频振荡的电磁波，振荡频率通常在100kHz到1.5MHz之间。

最右边是次级回路，包括一个圈数很多的次级线圈和一个高高耸在顶端的放电金属托球。导电托球与地面构成一个等效电容C2，C2和次级线圈的电感也形成一个LC振荡回路。当初级回路和次级回路的LC振荡频率相等时，初级线圈发出的电磁波的大部分会被次级振荡回路吸收，使得放电顶端和地面之间的电压逐渐累积升高。这时，如果人体靠近顶端的托球，高电压的托球便通过人体产生放电，形成很小的电流，如果在电流的通路上再串联一个荧光灯泡，电流就能使灯泡发光。特斯拉经常邀请投资人和好朋友参与们此类‘电闪雷鸣’的实验。著名美国作家马克•吐温对这类实验总是自告奋勇，图4.3的中间一图，便是马克·吐温在特斯拉的实验室里让电流通过身体再点亮荧光灯时所拍的照片。

特斯拉对共振现象痴迷，还可从另外一件传说的趣事看出：1898年，特斯拉在纽约的实验室里试验一个装在铁杆上的小型电气机械振荡器。他在逐渐缓慢地调整振动频率的过程中，没想到竟然使整栋大楼都颤动起来了，甚至招来纽约警察冲进了他的实验室，他才赶快抡起锤子，砸坏了这个该死的振动装置。 

D。‘真正无线电’之梦

特斯拉有了他的能造出闪电的线圈之后，进一步突发奇想。他将特斯拉线圈的线路进行一定的改动，发明了无线电发射机。后来人们心目中的‘无线电之父’，是意大利物理学家马可尼，但实际上，却是特斯拉第一次提出了完善的无线通信系统的设想。不过，特斯拉并不仅仅满足于只是‘无线’地传递信号，像我们目前所用的通信技术这样。现在，人类有了无线的电传、电话、视频、网络，无论是声音、图像、还是复杂的数据，都能转眼就传到千里之外，通信技术已经达到了登峰造极的水平。但是，几乎所有的家用电器，还是一定要连着两根电线，以接通电源。即使是小到能装在口袋里的手机、电子表，也少不了其中那个关键的元件：电池。换句话说，我们现有的无线电，只是传输信号时‘无线’，而凡是与能量有关的传输，用的仍然是由导线传输的交流电！

大师毕竟是大师，我们现在每天所享受到的，以全球交流输电网为基础的人类文明，是特斯拉在一百多年前发明的。我们现在还做不到的事情-无线输电，大师也在一个世纪之前就为我们想到了，并且，重要的是，他不单单是预见、想象，还为此奋斗终生，花费了数年时间进行探索和实验，试图造出全球无线输电系统，实现他的‘真正无线电’之梦。，

特斯拉比较其他发明家的伟大之处，是在于他不是仅仅做些鸡毛蒜皮的小发明，而考虑的是世界级、宇宙范围的大问题。

特斯拉利用电磁共振，制造了闪电、发明了无线电通信、震动了大楼……。他不满足，他还要用他的电磁共振，来控制气象、消灭战争，用他的无线输电来造福人类。他要把整个地球和电离层，都纳入他的特斯拉共振线圈之中。尽管当今的无线电通信使用的也是他的专利，但是，他对于无线输电构想的基本原理，却不同于无线通信的原理。他的安装在沃登克里夫巨塔上的所谓‘放大发射机’，主要功能不是用来向空中四处均匀地发射电磁波，那种‘远场’方式发射的电磁波的能量，将随着距离的增大而很快衰减，特斯拉认为那是一种浪费。特斯拉感兴趣的是‘近场’电磁波的效应，这种近场电磁波可以诱发地球和电离层之间的巨大电容所参与的‘全球电振荡’。然后，特斯拉的目的是要让这个巨大的电容器储存他的‘放大发射机’发出的电能，这个某种频率的振荡能量，以表面电流（或电磁波）的形式，沿着地球表面环形流动。如果没有接收器与其共振的话，这个能量不会损耗，或者是只有很小的损耗。

特斯拉无线传输电能的想法，类似于交流电传输过程中的无功功率部分，交流电在电感电容之间来回，这对于传输是必要的，但如果没有负载的话，电磁能并没有转换成其他形式的能量。特斯拉的无线传输电能的思想也是这样，发射机在地球与电离层之间建立起大约8赫兹的低频共振，只与天地谐振腔交换无功能量。‘放大发射机’发出电能，然后传输、储存在地球磁场中，直到在地球的另一个地点，有一个接收器与这个频率产生共振。那时，接收器因为共振而将能量吸收过来，达到输电的目的。特斯拉甚至还进一步的构想：接收器接收到的，还有可能不仅仅是从人造的发射器中送来的能量，也许还附加上一点地球磁场中原来的能量？这样想下去，有点像是个永动机模型了。实际上，特斯拉的确认为，宇宙本身就是一个永动机。特斯拉做着黄梁美梦，还付诸于实践，为了未来的人类能用上‘免费能源’！ 

特斯拉说：“我们需要发展从永不枯竭的资源中获取能量的手段。”，“人类最重要的进步，仰赖于科技发明，而发明创新的终极目的，是完成对物质世界的掌控，驾驭自然的力量，使之符合人类的需求。”

图4.4：特斯拉的全球无线输电计划

无论如何，当马可尼使用特斯拉的多项无线电专利，成功的在英国进行了5公里范围内的无线信号传输时，我们伟大的发明家，来到了科罗拉多州的科泉市（Colorado Springs），展开他的一系列秘密实验。

据说科泉市是美国闪电雷鸣最多的地方。特斯拉认为，闪电就是大自然进行无线输电的一个例子。闪电发生的那个瞬间，空气分子被高电压离子化而成为导体，强大的电能从一个地方传送到另外一个地方。现在，我们既然能人工地做出闪电，也就能在不远的将来，做出人工无线输电！

因此，特斯拉在科泉市建造了一个巨大的特斯拉线圈，一架145英尺的天线从屋顶上高耸入云，天线顶端有一个铜箔圆球（图4.4的左图）。就此，特斯拉开始了他的全球电磁谐振的首次试验。

特斯拉对实验结果很满意，得到了对地球电性能的一些结论，作为无线能量传输的基础。比如，特斯拉根据实验结果计算出，地球和电离层的谐振频率约为8赫兹，这与几十年后的研究结果一致。

1901年，特斯拉得到金融大亨J.P.摩根的赞助，在纽约长岛建造了他的沃登克里弗塔，开始他的实现大西洋两岸‘无线输电’之用。见图4.4。不幸的是，这项工程两年之后因为摩根将投资转向马可尼而停止。后来，特斯拉破产，1917年战争期间，美国政府以安全为名炸毁拆除了沃登克里弗塔，致使特斯拉的全球无线输电宏伟计划胎死腹中！

晚年的特斯拉，孤僻落寞、一贫如洗，靠喂鸽子、吃救济来打发时日。他没钱再做实验，脑中却仍然奇想不断。除了进一步思考他的无线输电之外，还到各盟国游说他的‘死亡射线’之类的新式武器。不过，他在公众的心目中，已经逐渐不再是敢想敢干的发明大师，而更像是一个想入非非的科技幻想家了。

还有几件颇具讽刺意义的事件：马可尼使用特斯拉的无线电专利，成功地实现无线通信的越洋传输，后来得到1909年的诺贝尔物理奖；传言特斯拉和爱迪生曾经拒绝分享1915年的诺贝尔物理奖，因而最后此奖颁给了布拉格；特斯拉和Westinghouse共同与爱迪生进行交流直流的战争，后来，两人都被授予过‘爱迪生奖章’。

1943年1月7日，特斯拉孤独地死于纽约一间残旧的旅馆中。

参考资料：

[1] JohnPatrick Barrett, Electricity at the Columbian Exposition. R.R. Donnelley 1894(World's Columbian Exposition, 1893, Chicago, Ill.) Page 168–169

[2] Cheney,Margaret, "Tesla: Man Out of Time", 1979.

[3]《光电帝国》(Empires of Light) 中译本，作者: 吉尔.琼斯，译者: 吴敏，中信出版社，2006.

[4] TheNew York Journal, Sunday, August 8, 1897 : "Tesla Has Fired the SparkFlashed Round the World"

[5] NewYork American, May 22, 1904: Tesla's Tower

[6] Tesla- Master of Lightning (Vedio) http://www.youtube.com/watch?v=Cg7NeWnN1e4

加中文字幕：http://v.youku.com/v_show/id_XMTkxNjE5NzQw.html

[7] NikolaTesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to WirelessTelegraphy, Telephony and Transmission of Power

http://www.tfcbooks.com/tesla/nt_on_ac.htm

[8]Tesla Presents series, Part 1， Leland I. Anderson,Editor，ISBN-13: 978-1-893817-01-2 | ISBN-10:1-893817-01-6, Pub. Date: 2002

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