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第8章 电动机(1)

现在人们把美国科学家约瑟夫·亨利看成是电动机的创始人。1799年亨利出生在纽约州的奥尔巴尼。由于家境贫困,父母把他寄养在一位亲戚家中,他10岁时就在乡村的小店里做伙计。在苦难的日子里,只有他养的那只小白兔与他朝夕相处,给他带来一点欢乐。说来也真有趣,竟是这只小白免引导他走上了一条新生活的道路。一天,小白兔从笼子里跑出来了,亨利尾随后面紧追不舍,一直追进了教堂才将兔子逮住。这时他才注意到教堂里悄然无声,四周色彩斑斓的壁画和大量的藏书使他觉得这里是多么的神圣和肃穆。从此他经常到里来读书。有一天他读到了一本1808年伦敦出版的《格利戈里关于实验科学、天文学和化学讲集》,扉页上写道:“你向空中扔一块石头或射出一枝箭,为什么它不朝着你给予的方向一直向前飞去?”这个问题一下子把亨利给迷住了。他读完了这本书后就下决心献身于科学事业。亨利在电学上有杰出的贡献。他发明了继电器(电报的雏形),比法拉第更早发现了电磁感应现象,但却没有及时去申请专利。只有对电动机的设想使他荣获了发明家的殊荣,他在1831年7月的《西门子》杂志上阐述了有关电动机的原理和构想。他说:“这一原理——或者经过较大幅度地修改——应用于某种有益的用途,不是不可能的。”显然,他的话是太谨慎了。

电动机具有十分广泛的用途,它开拓了电气化时代的新纪元。1838年某天,俄罗斯中部涅瓦河的一个码头上,挤着不少人。有的人在搓手,有的人在呵气。这么冷的天气,他们在寒风里干什么?“来了,来了。”人群中有人喊。大家朝上流方向眺望,只见灰蒙蒙的寒气之中,出现了一个黑影,原来是一艘机动船在慢慢地驶来。船渐渐近了。大家看得清晰,船上坐着12位旅客,船尾的机舱边站着一个胖子,兴奋得满脸通红,还不住地向码头上的人群招手示意。此人就是船主雅可比。“这船有什么好看?”人群里有人问。“看,这小船上没有烟囱,不烧油、不烧煤,它是用电力来开动的。”这条由雅可比创制的不起眼的机动船是用40部马达和320个大电池来驱动的,是世界上第一艘电机船。雅可比生于德国波茨坦,曾在柏林大学读过书。去年他来到了俄国,成为彼得堡科学院院士。他研究了当时许多人发明的“玩具电动机”,认为这种电动机之所以没有实用价值是因为天然磁铁的磁场强度太小了。于是他利用电磁铁产生出强得多的磁场,从而使电动机向实用迈开了一大步。由于电动机不需要燃烧,不会产生污染,又有容易控制的特点,所以它的出现立即

显示出巨大的生命力。

不过几年,形式各异的电动机层出不穷。英国技师大卫制成了电动双人座车;美国铁匠托马斯和法国的吉弗罗兰也先后申请了电动机专利。但这些电动机都必须用伏打电池来供电,这种电池供给的电流很小,又不耐用,使用起来显然是得不偿失,怎么办呢?这个看起来十分困难的问题却在一次偶然事件中获得了圆满的解决。

1873年维也纳国际博览会开幕了。当时欧洲各国的科技界和工商界都将最新的发明样品送去展览。数以千计的人从欧洲大陆各地赶到这“音乐之城”参观这个科学、工业、艺术和建筑的最新奇迹。而这次奇迹中的奇迹是展览会里发生了一次偶然事故。一位工作人员因为疏忽把两台发电机连接了起来。这时一台发电机发出的电流,流进了第二台发电机的电枢线圈里。奇迹出现了,第二台发电机的电枢竟在这股电流的驱动下迅速地旋转起来。在场的工程师们惊喜若狂。这许多年来连做梦都在觅找的廉价能竟这样令人难以置信地找到了,只要用发电机提供的电力,就能使电动机运行起来。伏打电池现在可台退居二线了。工程师们在欣喜之余,立即动手搭建了一个新的表演厅,用一个小型的人工瀑布来驱动水力发电机,发电机发出的电流来带动电动机,电动机又带动小水泵来喷射泉水。

这个奇妙的实验,意义极为深远。它不仅告诉人们只要利用发电机发出的电力就可以驱使电动机旋转,从而代替人力和畜力做功。而且还说明用机械能驱使发电机发出的电能,可以通过传输线传递到很远的地方去,并通过电动机再重新变为机械能。从而实现了能量的远距离传递和转化,开创了一个崭新的时代——电气化时代。蒸汽机

最早发现蒸汽的力量,并且利用这股力量制作出了第一台利用蒸汽力的器具的发明人,人们一致认为,要上推到公元60年前后的古希腊工程师希罗。

希罗是一位工程师,他对机械学有许多卓越的认识和杰出的创造,使现代科学家都感到叹服。希罗最著名的发明是用蒸汽推动的空心球。空心球是用铜做的,上面连着两个空心的、方向相反的弯管,把这个空心球卡在连通着蒸汽的管道上,当球下面的器皿里的水烧沸腾起来的时候,蒸汽进入那个空心球,然后从装在空心球上的两根弯管的管口喷了出来,因为两个管口的方向相反,两股相反的力形成一股扭力,这股扭力就会推动着空心球不停地迅速转动。

这是人类最早发明的将蒸汽力转变为一种运动的方法,用人们的现代科技名词来表述,它可以称得上是早期的蒸汽机。希罗还曾经利用这种蒸汽能推动物体转动的原理,制造了一种能转动的女神,当人们点燃殿前的蜡烛时,人们就放出蒸汽,推动着女神围绕着她的神座转动一圈。同样的道理,也可以在信徒们要想进入神殿的时候,只要提供一些供品,躲在暗处的僧侣就会开启蒸汽的通路,神殿的大门也会转动着打开,仿佛有一种看不见的神奇力量在开启大门似的。

当然,在希罗的那个时代,他发明的蒸汽空心球,不过是当作娱乐的一种玩具,而那种用蒸汽去推动女神转动或神殿大门开启的创造,只不过供给僧侣们用来骗取虔诚的信徒们的供奉罢了。在奴隶时代的那个社会,有谁会去想到利用这种非动物界蕴藏的力量去做工,用来代替奴隶们进行的繁重而痛苦的体力劳动呢!

幸喜希罗对自己的发明和研究,写了几本著作,其中一本名叫《压缩空气的理论和应用》在这本书里,希罗描述了虹吸、蒸汽装置、硬币操纵的机器,一种救火器和一种水琴,使人们看到了希罗的才智。

至于希罗发明的那种会转动的空心球,也并不是一点用处也没有。这也是一个很巧妙的设计,而且它并不一定要靠蒸汽来推动,只要受到内部流体力量的冲击,就能转动。现在已经根据这种原理制造出一种可以旋转喷水的喷灌器,而用于驱使喷灌器的喷头转动的那股动力,已不是蒸汽的力,而是有压力的水流。当你走到公园的草坪上,看见喷灌器的喷头在旋转着绕着圆圈喷水的时候,不妨留住脚步仔细地观察一下它的结构,想一想它的基本原理竟是在大约2000年前,一位名叫希罗的古希腊学者发明的,那个时代还远远没有建立物理学的理论体系哩!至于要想具体问一问希罗究竟是哪个世纪的学者,我们不能回答得那么

准确,因为历史并没有准确的记录,人们只是根据他在一本著作中曾经记载了一次月食,而这次月食在公元62年时在希罗生活的亚历山大城可以观察到,人们由此推断,希罗大概是公元20年左右出生的。

历史进入了18世纪,在英国,由于炼钢的需要,英国的森林几乎都要被砍伐光了,但是企业家们对燃料的需要仍旧十分迫切,这时人们发现,幸亏英国的地底下蕴藏着丰富的煤,一时之间,矿业主们纷纷投入资金和设备去大力开采地下的煤矿。

煤矿的开掘越挖越深,从矿井里渗透出来的地下水使矿主们伤透了脑筋。因为为了将矿井里的地下水排除出去,不得不动用马拉动辘轳或者戽斗去把地下深处的水提上来,有的矿井要用500匹马来干这种活,想想看,这要耗费多大的费用。精明的矿主一合算,觉得自己开采煤矿所得的那点赢利,付出高昂的排水费用以后,剩下来的就不多了。

在这样的背景下,社会迫切需要找到一种能代替马力去排水的其他办法,这时,当然就会有人开动脑筋去寻求。17世纪的德国物理学家葛里克,于1650年花了两万美元制造了第一台抽气机,在当众进行表演的时候,他曾说,只要能够制造出真空的装置,大气压力就会创造出奇迹来。但是用手工气压泵来制造真空的装置,既费力,也太费时了。有没有比较简便而又省力的方法制造真空呢?这个问题一直萦绕在一位名叫萨弗里的工程师的脑际。

萨弗里是英国皇家工程师队的大尉军官,1650年出生于康沃尔,那里是出产铜矿的地方。萨弗里在那里亲眼目睹了矿工们在开采铜矿时遇到的困难:当矿井掘到一定深度的时候,地下水就会不断地渗透出来,涌满了整个坑道,矿工双腿都没在冷水中操作。为了排出坑道的积水,当时只有采用根据葛里克提出的真空提水的水泵用手压泵造成真空的办法提水。

然而,采用这种方法提水,并不能一次就达到将水提到所需要的高度,而需要在几个高度安装几台水泵,接力提水,可以想象得到,要想在狭窄、黑暗的坑道里安装几台水泵,它的难度肯定很大,费用也是很可观的。于是萨弗里想到,手压水泵为的是要造成能使大气将地下水挤压上来的真空,而充满蒸汽的容器在冷凝以后,不是同样可以得到真空吗?这样不就同样可以达到利用大气的压力将近地下水挤压到形成真空的管道里去了吗?他设计发明了一种利用蒸汽的抽水机。这台蒸汽机的工作原理,简单地说,是这样的:锅炉B里的水烧开以后,蒸汽从上面的管道送出,通过汽桶T,蒸汽挤压着汽桶里的水从通向上方的P1管中排出,待汽桶T里的水排空,蒸汽又冷凝以后,汽桶T变成真空状态,大气压力就会挤压着地下水从通向下方的P管中涌上来,将汽桶T灌满。在这种循环的过程中,从锅炉B到汽桶T,连通的管道有一阀门,可以启开通入蒸汽,也可以关闭不让蒸汽进入。

而与汽桶T相通的P管和P1管,则都有一个单向阀门,只能让水流进和流出。萨弗里发明的这种机器,原理和构造都比较简单,但却同时利用了两种力量:利用蒸汽的张力把水送出去,利用大气的压力将水从地下提上来。当然,萨弗里真正投入生产的蒸汽机比这个原理图要复杂得多。萨弗里将自己发明的机器模型,于1698年夏天在汉普顿宫呈献给威廉三世。他将自己发明的这种机器称为“矿工之友”(实际上,将它翻译为“矿业主之友”会更合适些,因为受益的实际上是矿业的主人即企业家们)。萨弗里在他的专利申请书中,用带有浓厚的宣传色彩的语言介绍自己的发明及动机,他写道:致英格兰矿业界诸位企业家先生:

我很能体会,诸位中有很多位仍把我所发明的,用火的推进力来提升地下水的方法看成是一种无用的设计,而且认为这样的发动机完全不能在地下使用,也不能用来提升和排除你们矿井中的积水,也就不配受到你们的任何鼓励。这种看法绝不符合我进行这一发明的意图,也不符合我的抱负。我不希望自己背着一个投机创办人的坏名声,所以特此呈献我的机器草图一份,列举出它的种种用途,以便你们可以考虑决定它到底是否值得费你们一些事来利用它……对于排除矿井和煤坑中的积水,只要采用这种发动机,它就可充分表现出自己是能够提升水的,不但简便易行而且节省费用。我不怀疑,几年之内,它将使矿业的生产,达到今天效率的两倍,如果达不到三倍的话,从而矿业的生产成为我们王国中不可低估的一部分财源。再说,当前我们王国大量出口的铅、锡和煤,是在花费了大量的排水开支和矿工们忍受了一言难尽的排水痛苦和困难的情况下才取得的,那么,只要一旦采用了这种在各个方面都适于矿井需要的发动机,开支大大节省,效率大大提高,矿业的出口量岂不将大大提高吗?萨弗里是很擅于进行宣传鼓动的,他认为,自己的这项发明可以有多种用途:用来抽干沼地,排出矿井中的积水,供给城市和人们的用水、扑灭火灾、推动磨轮等等。加上他为自己发明的蒸汽机的名字起到很能引起矿业主和矿工们的好感,他对自己专利的申请又写得是那么入情入理,富有诱惑力,于是首先被矿业主在矿井上使用。首先是应用在康沃尔郡的一个铜矿里,后来又被用在斯塔德耶郡的一个煤矿里。使人感到失望的是,萨弗里的“矿工之友”在实际应用的过程中,并没有达到他所表白的那样高的效率。它并不能将水升到矿井中所需要的高度,又因为它没有安全阀的装置,而如果将蒸汽的压力再加大一些,又很容易造成锅炉团承受不住这么大的压力而发生爆炸。可在当时的条件下,人们又还没有找到具有足够耐压力的材料和高超的技术来制造出耐压的锅炉,又缺少测量显示出锅炉内压力的装置,可以及时预防,保证安全。再者它的锅炉受热面积太小,在冷凝过程中造成的燃料浪费十分严重,如果用它来给城市居民供水,费用又太昂费,所以,“矿工之友”蒸汽机只用在有的花园式私人住宅中进行装饰性喷水,因为这不需要很大的功率,提升的高度也不大,效

果还可以。

不过,萨弗里也有属于他自己的创新——他在蒸汽锅炉上安装了量水旋塞,可以用它观察到锅炉中的水位。那么,萨弗里在蒸汽机的这段科技史中有什么意义呢?