舌头上来的电
1800年3月的一天,英国皇家学会收到了一封来信,打开一看,是宣布一项发明的信函,发明人是巴费尔大学的教授伏打,发明项目就是今天的化学电源——伏打电池。
在这之前,要获得电能只有两种方法:一种是从静电机上通过摩擦收集电荷,另一种是从电容器的老祖先——莱顿瓶中收集电荷。
为此,许多科学家都在孜孜不倦地研究新的电源。意大利博洛纳大学的教授伽伐尼,就是热心为此奋斗的一员。经过多年的研究,他发现:当用两片不同的金属片接触到青蛙大腿时,青蛙大腿就会骤然一抽,这是由电流造成的肌肉组织的收缩。于是教授宣布:动物体本身也蓄有电流,只要用金属片将电流引导出来就行。
当时,许多学者都相信这位教授关于“动物电”的理论,可是巴费尔大学的伏打教授就偏偏不相信。他坚信“动物电”是一种误解,它的正确答案应该是:当两种潮湿而不同的金属放在一起,就会产生电流。
他曾做过有趣而简单的实验:把自己的舌头夹在一张锡箔和一块银币中间,当用手指按紧银币和锡箔时,他感到有一种特殊的酸味。他又做了无数次类似的实验,最后确信:当两种不同的金属导体之间放进一个潮湿的导体时,这两种金属导体的端处会产生出电流。他当众做了一个著名的实验:用一块银币和一块与它一般大小的锌板,中间夹着一张潮湿的纸板,做成一组最原始的电池。伏打用20组、30组、60组这样的电池连接在一起,流出来的电流就相当多了。这时如果用手指去触及这一大串电池的两端,就会明显地感到麻酥酥的。如果用一根导线连着一端去触及另一端,就会看到闪闪的电火花。
麻酥酥的触电感觉和瞬间的火花给了伏打极大的鼓舞,他知道,人们要寻找的新电源已经来到了他的实验室里。他又日夜埋头实验,努力使这种新电源得到完善。他发觉潮湿纸板里的水容易被挤出来,影响电流的产生,就改用类似杯子的容器。以后又发现用食盐水代替普通水,会产生更多的电火花。这里的伏打电池已经达到实用的地步了。
当伏打宣布这一发明的一个月后,伏打电池就已被人们用来把水分解为氧气和氢气了。
2000个电池也不行
19世纪初,英国科学家戴维做了一个有趣的实验:他用2000个伏打电池串联起来,正负极分别接在两根炭条上。结果,一个令人吃惊的现象出现了:炭条之间产生了长1厘米的刺眼的电光。
这种电弧光给人们带来了光明。可惜,它不能持久,这2000个电池里的电能很快就消耗完了。因此,人们很希望有一种能产生高电压大电流的新电源。
1831年,法拉第的一个实验把人们引上了这条希望之路。他用一块磁铁移近一个用60多米的铜线缠成的线圈,这线圈的两端就产生了电流,使电流计的指针微微摆动。摆动的指针告诉我们:在磁场中上下移动导体,可以产生电流。随后,法拉第制成世界上第一台铜盘发电机。
1832年,法国的皮克希也设计制造出一台发电机。这是一台手摇发电机,它有两个线圈是固定的,线圈下面有一个马蹄形的永久磁铁,由齿轮带动它旋转。齿轮是靠人摇动的。这正好和今天一般的发电机相反。
使发电机走上今日构造轨道的人,是美国的萨克斯通。他使两个线圈不断旋转,而永久磁铁固定不动。
1840年~1865年,人们已经制造出好几种发电机了,不过它们都是采用永久磁铁,结果效率并不高,发电量不超过1.5千瓦。当然,它和电池相比,已经向前跨出了一大步。
由于实践的需要,人们盼望能从发电机里流出电压更高、电流更强的电流。
1851年,又有人提出一种新方式,那就是在这发电机的永久磁铁外面也缠上线圈,让发电机发出来的电的一部分流入这线圈,发明者认为,这样可以增加发电机的磁场,可以使发电机获得更强的电流。
这个理论给正在寻找强电流的人一种启示,有许多学者努力通过实验,把这个理论变为现实。4年之后,由一个丹麦人制造成功这种发电机。由于它的优点显著,获得了专利权。到1866年,西门子进一步用电磁铁代替了永久磁铁,发电机的效率又向更高水平迈进。
1875年,发电机在迈向今天这种构造的轨道上走完了重要的一步。那就是在圆柱形铁棒身上开凿一条沟,就像纺织厂里的梭子一般,然后在这沟上缠上线圈,让这线圈在周围的马蹄形电磁铁之间旋转,这线圈两端就会产生出强电流。
1882年,世界上第一个商用电光源公司诞生,此时,发电机已经在50多年里,走完了从幻想到理论,从理论到实验,从实验到生产的历程,踏上了为人类服务的征途。直到今天,它们仍然夜以继日地为我们输送强大的电流,并朝着更新更完善的方向进展。
格拉斯哥草坪上的灵感
1765年5月下旬的一天,天气晴朗,白云高高飘浮,微风吹拂着格拉斯哥的大草坪。有一个青年工人低着头聚精会神地走着,好像用脚步丈量草坪似的,走了一遍又一遍。
草坪上有什么东西吸引着他呢?
是一个理想的闪光在这个青年的脑海里掠过:他想起了在草坪前面的格拉斯哥大学,他在那里从事修理纽科门蒸汽机已经好多年了,发现了许多纽科门蒸汽机的毛病。现在想到的是:能不能自己动手改进纽科门蒸汽机,改掉它的毛病呢?这灵感像给多年积蓄的实践与知识的水库打开了闸门,水流朝着前方奔腾咆哮而去。
从此,这个青年工人走上了制造新型蒸汽机的道路。他就是赫赫有名的大发明家詹姆斯?瓦特。
一晃几年时间过去了,瓦特总结了过去维修纽科门蒸汽机的经验,找到了纽科门蒸汽机蒸汽消耗量大的根本原因,并做出了改进蒸汽机的设想和方案。他还做了大量的实验,研究了水蒸气的密度、压力和温度的关系,并着手进行改革纽科门蒸汽机的试验。
瓦特第一台改革的蒸汽机是在苏格兰制造的,但是没有成功。幸运的是,在伯明翰有个名叫马修?博尔顿的商人资助瓦特。不久,瓦特把家搬到伯明翰,在那儿他进一步改进了蒸汽机,终于获得了成功,造出了一台装有分离冷凝器、活塞用油润滑的单动式蒸汽机。
瓦特研制的蒸汽机的效率要比纽科门蒸汽机高,纽科门蒸汽机的热效率不到1%,每马力要消耗25千克煤,而瓦特蒸汽机热效率提高到3%,每马力只消耗煤4.3千克。
后来,博尔顿和瓦特合办了一个工厂,专门从事制造瓦特蒸汽机。1776年,有人前来订货购买瓦特蒸汽机。到1800年,他们这个工厂已经制造出蒸汽机173台。
瓦特并没有就此停步,他仍然不断地对蒸汽机进行改进。他发觉生产出来的蒸汽机中有93台用于纺织工业,有52台用于采矿业。他希望自己的蒸汽机最好没有什么特殊目的,而能适应一切工业部门的需要。他的老同事博尔顿也鼓励瓦特朝这个目标努力。
于是,瓦特独自又设计了一种新型的齿轮系统——“太阳与行星”,来代替原来的曲柄结构。以后瓦特又在汽缸上下工夫。1784年,瓦特的双功能发动机闻名于世。它运转平稳,动力又增大一倍。
从此,瓦特蒸汽机无敌于天下。这是人类开发和利用能源的具有划时代意义的进步,它拉开了人类生产机械化的序幕。
瓦特发明蒸汽机,并不像传说的那样,是偶然看到水壶盖被水汽顶起来后产生的想法,而是用自己的勤奋,让实践中的灵感开出了智慧之花,让闪光的理想结出了探索之果。