书城科普读物创造与发明
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第8章 发明,走进奇异世界(2)

1669年,一位德国的炼金术士布兰德从人尿中分离出一种白色蜡状物质,在黑暗中发着冷光,布兰德将其命名为磷,意思是“发光者”。布兰德未公开他的发现,但磷这种自然界诱人的物质,还是幸运地在1680年被当时英国的大化学家波义耳再度发现。

在波义耳发现磷后不久就有人试图用磷制造火柴,世界上第一根火柴诞生于200多年前的意大利。火柴梗用木棒制成,火柴头的主要成分是氯酸钾和蔗糖,使用时将火柴头接触一下浓硫磺,片刻后火柴头会剧烈燃烧。

1827年左右,英国药剂师约翰·沃克制出了最早的摩擦火柴。火柴头裹了一层加树胶和水制成膏状的硫化锑和氯酸钾。把火柴夹在砂纸中拉动便会着火。比起浓硫磺,这种火柴要安全得多,因此也被叫做“安全火柴”。

1834年,以白磷为原料制作的火柴逐渐流行开来。但白磷是一种极易燃烧的物质,在空气中稍一受热,就会烧起来,容易引起火灾。而且白磷有毒,长期使用会致人死亡,所以,白磷火柴又叫“有毒火柴”。19世纪末,白磷被三硫化四磷取代。

1845年,德国人施罗脱制成红磷并用于火柴制造,红磷火柴安全无毒。19世纪50年代中期,瑞典制造商伦德斯特罗姆将磷与其他易燃成分分开,把无毒的红磷涂在火柴匣表面的擦面上,其他成分则涂在火柴头上,藏于匣内。这样,火柴头只有在擦面上摩擦才能点燃,由于这种火柴性能可靠,价格低廉,因此,很快风靡全球。这也就是沿用至今的“安全火柴”。

火柴分类

根据用途和药头成分,火柴可分为日用火柴(普通火柴)和特种火柴两大类。

日用火柴,按包装外形和所用原料有木梗火柴、蜡纸梗火柴和书式火柴3种。木梗火柴:用质地比较松软的木材制成方形截面的火柴梗,梗端沾上石蜡和药浆,干燥后装于木片或纸板制成的小盒中,盒侧面涂以磷层。最普通的火柴是蜡纸梗火柴,简称蜡梗火柴。用薄纸浸以熔融的石蜡后挤缩成截面为圆形或方形的长梗条,再经切断制成火柴梗。适合于缺乏木材的地区。因梗枝含蜡量大,引燃性能比较好,燃烧时间也比同样规格的木梗长2~3倍,适用于航海、渔猎、勘探等野外作业的环境。但是石蜡在较高温度下易软化,使梗枝的刚度降低,影响使用,故不适用于热带地区。书式火柴:因其包装外形扁薄且似书册而得名。其梗枝是用木片或纸板冲切而成,每10支或15支为一组,一端基部相连,呈梳齿状,梗尖一端沾石蜡及药浆。制成火柴后,用卡纸封面装订成册。磷层涂刷于封面装订处。使用时逐根撕下擦划。这种火柴外形美观、携带方便。

特种火柴:采用特种的药头配方,以产生不同的特殊功能。它主要分为抗风防水火柴、高温火柴、信号火柴、多次燃烧火柴及感光火柴。

电池——携带方便的电源

“莱顿瓶”

1745年,普鲁士的克莱斯特利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时,受到猛烈的一击。

可能是在这个发现的启发下,莱顿大学的马森布罗克在1746年发明了收集电荷的“莱顿瓶”。因为他看到好不容易收集的电却很容易地在空气中逐渐消失,就想寻找一种保存电的方法。有一天,他将一支枪管悬在空中,用起电机与枪管相连,另用一根铜线从枪管中引出,浸入一个盛有水的玻璃瓶中,他让一个助手一只手握着玻璃瓶,马森布罗克在一旁使劲摇动起电机。这时他的助手不小心另一只手与枪管碰上,他猛然感到一次强烈的电击,喊了起来。马森布罗克于是与助手互换了一下,让助手摇起电机,他自己一手拿水瓶子,另一只手去碰枪管,也是同样的情景。

虽然马森布罗克不愿再做这个实验,但他由此得出结论:把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来。只是当时搞不清楚起保存电作用的究竟是瓶子还是瓶子里的水,后来人们就把这个蓄电的瓶子称作“莱顿瓶”,这个实验称为“莱顿瓶实验”。这种“电震”现象的发现,轰动一时,极大的增加了人们对莱顿瓶的关注。

电的来源

19世纪末,许多电器已经诞生,如电灯、电话、电报、电唱机等。这些电器的问世,给人们的生活带来了便利和欢乐。然而,这些电器都是要用电的。没有了电,这些东西就毫无利用价值,成了一堆废物。

电的来源有两个途径:一是由发电机发电,二是由蓄电池供电。蓄电池便于携带,使用方便,但它供电的时间太短,因为当时的铅蓄电池是由铅和硫酸制成的。它的工作原理是,让铅和硫酸两个“冤家”碰在一起,让它们“打架”。在这个过程中,就产生了电流。由于硫酸的腐蚀性非常强,更有“战斗力”,因此,铅难以招架,不久就被打得“遍身鳞伤”,“举起两手投降”。这样,一场“恶斗”很快就结束了,电流也就不能产生了。这种蓄电池使用时间短,因此,人们管它叫“短命蓄电池”。

爱迪生蓄电池

在20世纪即将来临的时候,爱迪生觉得发明一种“长寿”的蓄电池,比发明其他电器更有意义。于是,爱迪生把研制新型蓄电池的工作排上了日程。

在经过反反复复地试验、比较、分析之后,爱迪生确认病根出在硫酸上。因此,治好病根的方案与原来设想的一样:用一种碱性溶液代替酸性溶液,然后找一种金属代替铅。当然这种金属应该会与选用的碱性溶液发生化学反应,并能产生电流。

问题看起来很简单,只要选定一种碱性溶液,再找一种合适的金属就行了。然而,做起来却是非常非常的困难。

爱迪生试用了几千种材料,做了4万多次的实验,可依然没有什么收获。

1904年,在一个阳光灿烂的日子,爱迪生终于用氢氧化钠溶液代替硫酸,用镍、铁代替铅,制成世界上第一块镍铁碱电池。它的供电时间相当长,在当时可以算是“老寿星”了。

正当助手们欢呼试验成功的时候,爱迪生十分冷静。他觉得,试验还没有结束,还需要对新型蓄电池的性能做进一步的验证。因此,他没有急着报道这一重大新闻。

为了试验新蓄电池的耐久性和机械强度,他用新电池装配6部电动车,并叫司机每天将车开到凸凹不平的路面上跑100英里,然后他将蓄电池从四楼高处往下摔来做机械强度实验。

经过严格的考验,不断地改进。1909年,爱迪生向世人宣布:他已成功地研制出性能良好的镍铁碱电池。

为了纪念爱迪生付出的辛勤劳动,人们管镍铁碱电池叫“爱迪生蓄电池”。

电灯——光明的传递者

爱迪生与电灯

电灯的发明是人类照明设施的巨大进步,对社会发展影响巨大而深远。

在电灯问世以前,人们主要的照明工具是煤油灯或蜡烛。这不但需要经常添加燃料,而且很不方便。更严重的是,灯烛的明火容易导致火灾。因此,当电被发明后,人们迫切希望能出现一种既安全又方便的照明工具。

1809年英国化学家戴维斯发明了弧光灯,这虽然能够解决夜晚的照明,但是却不适合家庭使用,因为它过于刺眼,只能在街道或者广场充当照明设施。

1878年,爱迪生开始了电灯实验,而且在完成了对玻璃泡的真空处理后,碳化丝点亮了,但是持续时间仍然不长;应该选一种熔点较高的材料制成灯丝,他立即想到了白金,不过这种昂贵的金属并不理想。

他没有气馁,又前后试验了1600余种材料,均不符合灯丝的要求。实验工作陷入低谷,他焦虑不已,顺手去拉自己脖子上的围巾,却扯下来一根棉纱,他不由得眼前一亮,棉纱是不是可以当做灯丝呢?他立即把棉纱进行了碳化处理,没想到居然连续亮了13个小时,后来的试验又达到45个小时。

后来,爱迪生发现日本出产的一种竹子特别合适作灯丝,于是便大量从日本进口这种竹子。同时,爱迪生又开设了美国第一家电厂,架设电线,人们使用电灯的时代到来了。

1906年,人们改用钨丝充当灯丝,这就是我们今天所用的白炽灯。

爱迪生把生产出来的第一批灯泡安装在“佳内特号”考察舰上,以便考察人员有更多的工作时间。

此后,爱迪生连续解决了并联供电、稳压器、开关、接线盒、绝缘带、保险丝等一系列配件问题,使得电灯用起来既安全又方便,这样,电灯开始进入普通老百姓的家庭生活中。

电灯发明引发的争议

大多数人都认为电灯是由美国人托马斯·阿尔瓦·爱迪生发明的。但是,另一美国人亨利·戈培尔比爱迪生早数十年就已经发明了使用相同原理和物料且可靠的电灯泡,而在爱迪生之前很多科学家都对电灯的发明作出了不少贡献。

1874年,加拿大的两名电气技师申请了一项电灯专利。他们在玻璃泡之下充入氦气,以通电的碳杆发光。但是他们没有足够财力继续发展这项发明,于是在1875年把专利卖给爱迪生。爱迪生购下专利后,尝试改良使用的灯丝。1879年他改以碳丝造灯泡,成功维持13个小时。

到了1880年,他造出的炭化竹丝灯泡曾成功在实验室维持1200个小时。但是在英国,斯旺控告爱迪生侵犯专利,并且获得胜诉。爱迪生在英国的电灯公司被迫让斯旺加入为合伙人。但后来斯旺把他的权益及专利都卖给了爱迪生。在美国,爱迪生的专利亦被挑战。美国专利局曾判决他的发明已有前科,属于无效。最后经过多年的官司,爱迪生才取得碳丝白炽灯的专利权。

无绳电灯

美国麻省理工学院研究人员2007年6月10日进行了“无绳灯泡”的实验。由索尔贾希克领导的研究小组利用两个铜丝线圈充当共振器,一个线圈与电源相连,作为发射器;另一个与台灯相连,充当接收器。结果,他们成功地把一盏距发射器2.13米开外的60瓦电灯点亮。而且试验显示“无线电能传输”技术对人类无害,因为电磁场只对能与之产生共振的物品有影响。

中国的第一盏电灯

中国的第一盏电灯出现在清光绪五年四月初八(1879年5月28日),当时在上海公共租界工部局工作的英国电气工程师毕晓浦在境内乍浦路一幢仓库里,以10马力的蒸汽机为动力,带动自激式直流发电机发电,点燃碳极弧光灯,由此,宣告电灯在中国开始投入使用。

1882年英国人立德尔购买美国制造的发电设备,在南京路江西路北角(今华东电业管理局)创办了中国第一家发电厂,并在外滩一带串接15盏电灯。

20世纪50年代,在鼓浪屿上,每天晚上只要电灯暗了一下立马又亮起来,人们就知道是8点整了。

染料——创造缤纷世界

染料的提取史

颜色是人类社会生活中不可缺少的组成部分。从洪荒中走出的原始人群,也喜欢佩带美丽的饰物,装点彩色的人生。

很久以前,印度人就学会了从植物中提取天然染料。首先,他们从自然界采集树叶,选择可以做原料的部分用水溶解;再经过一些必要处理,制成黄色的液体,经太阳晒后变成青色;最后,出现蓝靛沉淀物。这是人们从天然植物中提取蓝靛染料的过程。

从大自然中提取染料,这种方式耗时费力,而且数量有限。于是,人们渐渐地转向从化学物质中提取染料。

19世纪,欧洲的许多工厂都掌握了从苯中提取蓝色染料的技术。

后来人们发现温度计里的水银流进锅里,原来需要两天的加热制取染料工作,却仅用一个小时就完成了。紧接着,一个更大规模的蓝靛染料工厂破土兴建,化学染料开始大量生产。

但是,真正的化学染料的发明者,是一位年仅18岁的大学生——珀金。

珀金是英国人,18岁的时候,珀金已是一位大二的学生。他想利用暑假搞些研究,于是,他的老师让他自己尝试着做一些化学合成实验。

于是,年轻的珀金忙碌开了。一次,珀金将重铬酸钾加进从煤焦油里提炼出的苯胺里,突然发现试管底部有一些奇怪的黑色沉淀物。他决定研究一下这奇怪的沉淀物。当珀金将黑色沉淀物放入酒精中后,意外地出现了美丽的紫色。他想,要是将这漂亮的颜色染在布匹上,制成衣服肯定很好看。这个念头在珀金的脑子里一闪而过,他巡视四周,发现衣架上挂着一条素白色的围巾。

他顺手取下,用那紫色液体染制一番,然后晾在了绳子上,一条美丽的围巾就产生了。

次日清晨,珀金发现美丽的围巾掉在了地上,粘上了一些尘土。他只好把它放在水盆里轻轻冲洗。没想到的是,围巾上的颜色一点不掉。珀金惊讶极了,他用热水、肥皂对围巾使劲搓洗,但色彩依然光鲜如故。接着他又将围巾拿到太阳下暴晒,色彩还是毫不脱落。

后来,珀金将他的发明命名为“阿尼林紫”。

染色牢度

染色牢度是指染色织物在使用过程中或在以后的加工过程中,染料或颜料在各种外界因素影响下,能保持原来颜色状态的能力。

染色牢度是衡量染色成品的重要质量指标之一,容易褪色的染色牢度低,不易褪色的染色牢度高。染色牢度在很大程度上取决于其化学结构。此外,染料在纤维上的物理状态、分散程度、染料与纤维的结合情况、染色方法和工艺条件等也有很大影响。

染色牢度是多方面的,对消费者来说,一般比较主要的包括:日晒、皂洗、汗渍、摩擦、刷洗、熨烫、烟气等牢度。另外,纺织品的用途不同或加工过程不同,它们的牢度要求也不一样。为了对产品进行质量检验,纺织部门和商业部门参照纺织品的使用情况,制订了一套染色牢度的测试方法和标准。

环保型染料

环保型染料应包括以下十方面的内容:

1.不含在特定条件下会裂解释放出22种致癌物质的染料,无论这些致癌芳香胺游离于染料中或由染料裂解所产生。

2.不是致癌性染料。

3.不是过敏性染料。

4.可萃取重金属的含量在限制值以下。

5.不是急性毒性染料。

6.不含环境激素。

7.不含会产生环境污染的化学物质。

8.甲醛含量在规定的限值以下。

9.不含变异性化合物和持久性有机污染物。

10.不含被限制农药的品种且总量在规定的限值以下。

从严格意义上讲,能满足上面要求的染料应该称为环保型的染料,真正的环保染料除满足上面要求外,还应该在生产过程中对环境友好,不要产生“三废”,即使产生少量的“三废”,也可以通过常规的方法处理而达到国家和地方的环保和生态要求。

罐头食品——拿破仑悬赏征集的“秘方”

罐头食品——征集到的秘方

18世纪末,拿破仑率领的法国军队远征意大利、埃及和叙利亚,由于供给线过长,许多食品在运输途中就腐烂变质了。为了解决这一问题,法国政府于1795年悬赏12000法郎,征求长期保存食品的方法。看到公告,许多人马上开始研究和试验。在研究者中,出现了一个名叫尼古拉·阿佩尔的巴黎人。