有线电报的出现,立刻成了科技界和工商界注视的焦点。在美国第一条电报线路建立以后只有一年,英国就成立了电报公司。亚历山大·贝尔、西门子、爱迪生等人对电报这个新鲜事物非常敏感,他们都和电报打过交道,然后又向电学应用的各个领域进军。能够利用电线传递字码,那么直接传送人的声音不就更好了吗?贝尔沿着这条思路发明了“顺风耳”——电话。
亚历山大·贝尔出生在英国一个声学世家,曾经当过聋哑学校的教师,由于职业上的原因,他研究过听和说的生理功能。贝尔移居美国以后,受聘为波士顿大学声音生理学教授。1873年,他辞去了教授职务,开始专心研制电话。要研制成电话,先要把声音信号变成电信号,再将电信号变成声信号,怎样实现这个转换呢?在贝尔之前,已经有不少人在研究这个问题。1875年,贝尔在波士顿电报装置旁边工作的时候,看到电报中应用了能够把电信号和机械运动相互转换的电磁铁,这使他受到启发。贝尔开始设计制造电磁式电话。他最初把音叉放在带铁芯的线圈前,音叉振动引起铁芯作相应运动,产生感生电流,电流信号再传到导线另一头作相反转换,变成声信号。随后,贝尔又把音叉改换成能够随着声音振动的金属片,把铁芯改为磁棒,经过反复实验,制成了实用的电话装置。
1876年7月,为庆祝美国独立100周年举办的博览会在费城开幕。贝尔和他的助手华生带着他们的新发明来到费城。可悲的是那些观众竟把他们看作杂技演员。后来还是巴西皇帝彼得罗二世好奇地拿起了受话器,当听到电线传来的话音时,他惊呼道:“我的上帝,它说话了!”皇帝的震惊引起了大家的注意,人们一个接一个地把耳朵贴到话筒上,他们清晰地听到了贝尔的话声。一位名叫伊泽的日本游客,竟对电话高声问:“日本话也能传达吗?”当从电话中得到了肯定的答复后,他向两位发明者深深地鞠了一个躬。博览会后,贝尔又对电话进行了许多改进,1878年,他又在波士顿和纽约之间进行了首次长途通话,并取得了成功。
有线电报和电话都离不开电线,能不能不要电线呢?赫兹发现了电磁波,提供了这种可能性。所谓电磁波是指电磁场的变化在空间传播时的一种波的形式。1894年,只有20岁的意大利人马可尼从赫兹去世的讣告中了解到电磁波的性质,产生了利用电磁波进行无线电通信的想法。马可尼经过研究改进了旧式检波器,在发送电波信号和接收检测电波信号方法方面做了大量细致的工作。
1896年,马可尼来到海上强国——英国,希望在船只和陆地之间的无线通讯实验方面获得支持。
结果,许多有远见卓识的人都愿与他合作,无线电通信的范围很快从几百米增加到几十千米。马可尼开设了工厂,开始大量生产发射电磁波的感应线圈和接收用的金属屑检波器。英国、德国和意大利的海军以及许多商业航运公司开始采用无线电报来通讯。马可尼并不满足无线电报只能在短距离里使用,1901年,他又在英国建设了一个高高矗立的发射塔,向空中发射的电磁波在大西洋彼岸被收到了。
马可尼推测空中有能够反射电磁波的电离层存在,后来的实验证实了他的推测。无线电报从此取代了有线电报。
电报和电话的发明在历史上具有划时代的意义,它们是自觉应用电学知识的产物。电报和电话开创了信息革命,人们可以在一刹那间知道几千公里外正在发生的事情。它的伟大意义可以和蒸汽机相比。蒸汽机利用自然力代替了人的体力,是扩展了人类肢体功能的一次革命;电话和电报是扩展人类感官功能的一次革命。
为人间洒下光明
与电机发展同步的不仅有电讯等“弱电”技术,而且还有电灯、电影机等“强电”技术。电力不但比蒸汽机更伟大,而且更神奇,它是现代“神灯”——电灯的光明之源。
1979年,美国举行了一次长达一年,花费几百万美元的纪念活动,来纪念爱迪生发明电灯一百周年。这充分反映了人们对爱迪生的怀念。爱迪生出身贫苦,12岁就成了铁路上的报童,15岁在火车站当电报员,16岁时发明了自动电报机,爱迪生中年的时候已经很富有了,1876年,他又投资两万美元建立起世界上第一个研究所。
1877年,爱迪生发明用碳粒构成的声电信号转换器。这种转换器用在贝尔电话的听筒和话筒里,大大推进了电话的改进和发展。这一年的秋天,他又发明了手摇留声机,他后来还发明了电影机等新事物,他一生的发明有专利可查的就有一千多件,因此他获得了“发明大王”的美名。
发明家与科学家相比有许多不同的特点,科学家的兴趣在于探索未知世界,他们以发现自然界的奥秘为乐事。很多科学家在研究某个问题的时候,说不清这项研究有什么实际意义。比如法拉第发现了电磁的相互作用和转化,他并没有花很大气力去研制实用的发电机,而是去探索好像跟实际没有关系的电磁和引力的作用。
发明家却有很大不同,他们的工作并不是为了探索未知来满足求知的欲望,他们以创造出能够更好地满足生产或者生活实际需要的东西为己任。爱迪生研制电灯的过程就充分体现了这一点。
电引起科学界注意以后,有许多人在探索用电照明的道路。1809年,英国的戴维发明了弧光灯,他发现两个炭棒之间大电流放电可以发出很亮的弧光,用这个原理制成的照明灯就是弧光灯。但这种灯使用范围很窄,只能用在海上照明的灯塔上。后来,人们开始转向对白炽电灯的研制。最早的白炽电灯是1820年法国人德·拉留制成的,发光的白热体用的是白金线。因为白金太贵,人们还是愿意用汽灯,白炽灯因不能和汽灯竞争而被淘汰。1878年时,已经有不少人在研制电灯方法上做了大量工作,灯泡抽真空的问题也基本得到解决。英国人斯万努力研究电灯已经30多年,他研制成用坚韧的碳丝做灯丝。当时爱迪生刚开始研制电灯,他试用了上千种灯丝材料,直到1879年在《科学的美国人》杂志上看到了斯万用碳丝做灯丝的报道,才重新研制碳丝灯泡,并很快取得了成功。
为什么发明电灯的桂冠没有戴在斯万头上,却戴在爱迪生头上了呢?这主要是因为爱迪生更好地适应了技术研究的特点。技术研究常常需要有各方面特长的人共同协作,而且还要花费大量资金。斯万在研制电灯的几十年过程中,经常只有一个助手,爱迪生却有整个研究所做他的后盾。爱迪生为研制电灯花费了40000美元,大批购买各种实验材料,这是斯万望尘莫及的,爱迪生后来居上,很快超过了斯万,在1881年巴黎博览会上获得荣誉奖,斯万只获得了比较低等的一级金质奖章。
技术研究不能一出成果就收兵,必须解决成果的应用和推广的各种实际问题。在这方面爱迪生是所有发明家的典范。为了使电灯能够实用,灯泡在电路上要并联而不能串联,这样才不会因为一个灯泡的关闭或损坏而影响整个线路。并联要求灯泡有高电阻,为此就必须要让灯丝的横截面积小,爱迪生研制出了灯丝极细的灯泡,并且大量生产。只有灯泡还不能解决公众的照明问题,爱迪生又努力研究发电和供电。1882年,爱迪生公司首先建成了电力站和电力网,使供电像供水一样。
当然,爱迪生也有失误,他的电力网输送的都是直流电,由于直流低压输电损失很大,输电范围也很有限,这就成了直流输电的致命弱点。由于爱迪生没受过正规学校教育,缺乏基本知识素养,数学又不在行,因为认识交流电的特性要求有较多的数学知识,所以他没有看到交流电技术的发展前景,因此抱着直流电不放,坚决反对交流输电技术,直到晚年,他在直流与交流电竞争之中彻底失败为止。
另外,技术研究成果一般以是否获得专利为标准,爱迪生对电灯的每一项改进都申请了专利,到1883年已经获得有关电灯的专利147项,可是斯万在制成第一个碳丝灯泡的32年以后,直到1880年才第一次申请灯泡专利。
连锁反应
电机的发明,导致电力技术的普遍运用,出现了人类历史上第二次技术革命。如果说第一次技术革命完成时,出现了到处烟囱林立的工厂和星罗棋布的铁路的话,那么进入20世纪,则是到处林立的高压铁塔和星罗棋布如同蜘蛛网一般的电网。
高压交流输电方式确立后,各国争先修建电站,发电量的增加极为迅速。比如,美国电站的输出功率1889年仅为260千瓦,1939年达到29439千瓦,增加了200倍。电力供应迅速增加,使产业革命以来的工业化进入了更高的发展阶段,导致了技术上的连锁反应。
首先,它使传统技术得到改造而焕发了生机。在19世纪的蒸汽机时代,工厂的动力主要是蒸汽机,车间的所有设备都是用皮带传动的,对机械的控制和加工速度、精度都有很大的影响。电动机和机电控制装置的出现,促进了生产的初步自动化。电梯、电铲、电拖斗、电照明、电泵等一系列发明彻底改变了矿井面貌,电冶、电铸、电解的应用,为制备优质的金属、非金属材料创造了条件。电照明又使工厂、街道以至家庭都发生了很大变化。
其次,出现了一批新兴的技术。例如,电解、电镀、电热、电焊、电冶等技术的出现。同时,围绕电力技术的发展,又形成了一批新兴的工业部门,如锅炉、汽轮机、水轮机、变压器、电线电缆、电器、电测、绝缘材料等。
而且,由于电力拖动的发展,出现了新型的交通工具,城市中电车取代了马车,在20世纪上半叶成为市区的主要交通工具。城市的地铁在19世纪中叶即出现,但由于使用蒸汽机车做动力,黑烟滚滚,脏污不堪,电力机车出现后,地铁才成为一种清洁便利的城市交通工具。在建筑上,随着电力卷扬机和升降机、电梯的发明,以及钢筋混凝土结构方式的采用,在20世纪前后出现了许多高层建筑。1932年,美国建成的帝国大厦有102层,378米高,在很长时间内一直保持世界第一高楼的桂冠。
在强电技术发展的同时,弱电技术也随之而发展。电报、电话、无线电以及后来的电影、电视等,都极大地提高了信息传播的数量和速度,扩大了广播范围,促进了技术、经济及社会的繁荣。
电力是由一次能源转换的二次能源,由于任何能源都可以转化为电能,因此电力技术的出现,为人类广泛、合理地利用各种能源开辟了道路,今天,尽管有了原子能,但也要将它转化为电能,才能为人所使用。从能源动力革命的角度看,它是蒸汽动力革命的继续,是能源动力革命的更高阶段。