书城科普身手不凡的机器人:无处不在的新科技
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第7章 电的世界(2)

有了特斯拉发明的变压器,就可以将发电厂建在离城市很远的地方,同时用高电压输送电流,以减少电在输电线路上的损耗。等电输送到城市里以后,再用变压器降低到一定的电压后,供给工厂和家庭使用。这样就可以省去建设许多发电厂的麻烦以及减少其产生的污染。

特斯拉是一位出生在南斯拉夫的美籍发明家,自小表现出的机械学方面的天赋为他走上成功之路奠定了基础。

1884年,不甘平凡的特斯拉决定去美国闯一闯。很快,他成为爱迪生的助手,在此期间,善于发现和思考的他注意到1831年法拉第在研究电磁感应定律时,曾经做过的一个实验:法拉第把两组线圈绕在同一个软铁环上,在原线圈内通电的瞬间,会在另一个副线圈上感应出电流来。断电时也会感应出电流,但是等电流稳定流动时,副线圈中则没有电流。特斯拉由此想到,如果不断地使原线圈电流发生变化,副线圈中不就可以不断地感应出电流来吗?由于电流瞬间的通断,人们不会轻易看出电灯的明灭闪烁,这种大小和方向不断变化的电流,就是交流电。特斯拉发现这种装置可以提高或者是降低电压,副线圈的绕线圈数越多,感应电压就越高,原线圈和副线圈的绕线圈数比值,就是它们的电压比值,这就是变压器的基本原理。

为了使变压器有用武之地,特斯拉发明了交流发电机和交流电动机。1887年,特斯拉成立了自己的电气公司,并获得交流电生产专利,自此,人们迎来了交流电时代。

七、电力传输技术

大家使用电器时,只要按动相应的开关,电器就会通电,并正常的运作起来。显然,电器获得的电流并不是来自我们的家里,它同工厂里所有的商品一样,是被“分配”并“输送”到我们家中的。与其他商品的传送不同的是,“电力”都是被送货上门,正常情况下,都是“随用随到”。那么,电力究竟是怎样传输的?

一般来说,电力的传送过程主要有三大系统,即发电站、传输网、变电站。具体来说,当“电”从发电站出发后,首先会经过变压器来调整电压,接着通过其他设备的操作,被输送线路接受并传输。这时,“电”就会像大江大河的支流一样各奔东西。因为各个工厂、家庭等单位所需要的电压具体标准不同,所以在电力传送的过程中,变压器会承担调控者的身份,往往多次调整电压。经过了前面这些步骤后,沿着不同路线的“电”继续前进,直至到达各种用户那里。

电流有交流电与直流电之分,其中电流的大小和方向不发生变化的称为直流电,而电流的大小和方向不断发生周期性变化的则称为交流电。相对直流电,交流电可以通过变压器来调整电压,从而提供不同电压的电流。如今我们生活中使用的多为交流电,而电池提供的电流是直流电。

输电线路分为架空输电线路和电缆线路。架空输电线路架设在地面之上,由导线、绝缘子、杆塔基础、接地装置等构成。这种线路维修方便,成本低,但容易受到环境的影响而出现故障;电缆线路是指设在地下(或水域下)的电缆。电缆的造价比较高,不容易检修维护,但相对‘露天”的电线,它的安全性好,并且适合在空间少的大城市利用。

电压是形成电流的原因。输电线路输送电能的最大功率称为输送容量,而在输送容量相同的条件下,电压越高,线路上损耗的电能就越少;换句话说,提高输电线路的电压就可以实现大容量远距离的输电。目前,电压在220千伏以下的称为高压输电;电压为330~765千伏的称为超高压输电;电压在1000千伏以上的称为特高压输电。

电力在传输过程中的升压和降压都要用到变压器,而变电站即是变换电压和配送电力的场所。变电站由变压器、配电室以及控制系统等部分组成。常见的变电站有三种:独立式变电站。它一般与其他建筑物保持一定的距离,多在城市;杆上变电站,其一般安装在支撑的杆架上,适用于小乡镇;成套式户内变电站,一般设在高层建筑和办公大楼内。

八、直上摩天的电器——电梯

电梯是一种电力驱动乘人载物的升降机。早在古罗马时代,建筑师维特罗维斯就设计出一种上下垂直运输货物或人的升降台。这种升降台依靠人力、畜力或水力,由滑轮等机械部件操纵,就像用绳子把吊篮吊着上下运输东西一样。

18世纪至19世纪末,欧洲和美国的工业革命带来了生产力的飞速发展和经济繁荣。这个时期,城市化进程加快,城市人口高速增长。为了在较小的土地范围内建造更多的使用面积,建筑物不得不向高空发展。电梯的出现,使建筑物突破了5层的高度限制。

美国发明家奥蒂斯是一个很细心的科学家,高层建筑的大量出现引发了他改造升降机的念头。1852年,成为奥蒂斯发明生涯中的一个转折点。纽约贝德斯泰德制造公司的老板要求他制造一台货运升降梯来装运产品。作为一名熟练的工长,奥蒂斯并没有被这项任务所难倒,他认为如果将升降梯改造得更好,建筑物就可以突破高度的限制,这是一个多么令人心动的想法啊!

奥蒂斯分析了各种类型的升降机,它们都具有一个致命的缺陷:只要吊绳突然断裂,吊篮就会呈自由落体运动急速下降。在升降梯的设计过程中,奥蒂斯就把难点放在了吊篮的控制上。他设计了这样一种制动器:在升降梯的平台顶部安装一个货车用的弹簧及一个制动杆,与升降梯井道两侧的导轨相联结,起吊绳与货车弹簧联结,这样仅起重平台的重量就足以拉开弹簧,避免与制动杆接触。如果绳子断裂,货车弹簧就会恢复原状,两端立刻与制动杆咬合,即可将平台牢固地固定在原位,以免继续下坠。

这种新设备叫安全升降梯,这项成功的发明使奥蒂斯成为众人注目的焦点。不久,他就收到了订制两台升降梯的订单。这份订单使奥蒂斯对自己的发明进行了认真思索,他坚信这个蒸蒸日上的国家将会需要更多的升降梯。

像任何企业家一样,奥蒂斯也要宣传自己的产品。1854年,在纽约的水晶宫展览会上,奥蒂斯亲自演示了安全升降梯。他爬上电梯的平台,将平台升到大家都能看到的高度。然后,命令助手切断缆绳,在一片惊呼声中,电梯并没有掉下来。当暴风雨般的掌声响起时,站在平台上的奥蒂斯挥动着手里的帽子向人们致意!

安全与这次表演联系起来,这个词使升降梯获得了普遍承认,纽约普通公众和小实业家们很快就想到在商店利用这种升降梯来为顾客服务。

但开始时,奥蒂斯的公司却没有因顾主们需要升降梯而被踢破门坎。1854年只销售几台;1855年也只有15台;1856年,奥蒂斯公司的记载说明,安全升降梯共售出27台,而且全部是货运升降梯。

到1857年3月,在纽约百老汇与布罗姆大街的豪沃特公司,专营法国瓷器和玻璃器皿的商店里安装了世界上第一台安全客运升降梯。该商店共五层,当时就算是相当高的建筑物了。升降梯的动力是由建筑物内的蒸汽动力站利用一系列轴及皮带驱动的。该梯可载重450千克,速度为每分钟12米,升降梯的初级市场终于起步了。

1880年,德国西门子发明了世界上第一台电动升降机——电梯。现在我们使用的电梯是在此基础上经过多次改进而成的。而电动扶梯直到1921年,美国的奥蒂斯公司才研制出来。

九、光明的使者——电灯泡

在电灯问世以前,人们普遍使用的照明工具是煤油灯或煤气灯。这种灯因燃烧煤油或煤气,因此,有浓烈的黑烟和刺鼻的臭味,而且要经常添加燃料,擦洗灯罩,很不方便。这种灯还容易引起火灾,酿成大祸。多少年来,很多科学家想尽办法,想发明一种既安全又方便的电灯。世界上第一盏电灯由美国科学家爱迪生于1879年试制成功。

爱迪生在认真总结了前人制造电灯的失败经验后,制订了详细的实验计划,分别从两方面进行:一是分类试验不同的耐热材料;二是改进抽空设备,使灯泡有高真空度。他还对新型发电机和电路分路系统等进行了研究。

在研制过程中,爱迪生仔细分析了当时的煤气灯和弧光灯,他的主攻方向是寻找一种耐热材料。由电流把它烧到白热化程度而发出炽热的光却又不至于断裂或熔化。他偶然发现棉线在空气中一下子烧成灰烬,而碳棉线放入处理过的玻璃球内则发出了炽光,但光亮只维持了几分钟就消失了。他放弃了这种材料,转而试用铯、镍、铂等不同的耐热材料,爱迪生将这些耐热发光的材料逐一试用后,只有白金丝性能最好,但白金价格贵得惊人,必须找到更合适的材料来代替。1879年,几经实验,爱迪生又回到了碳的研究上。

1879年10月21日那天,他把一截直径为0.025厘米碳化了的棉丝弯成马蹄形,装到坩埚中加热,做成灯丝,放到灯泡中,再用抽气机抽去灯泡内空气,电灯亮了,发出的光度明亮、稳定,足足亮了45个小时。就这样,世界上第一批白炽灯问世了。

不久,爱迪生改用碳化了的卡纸,大大增长了电灯寿命后,生产商就迫不及待地把它投入生产。1880年除夕,数千人走上纽约街头观赏这一新发明。成功并未使爱迪生停步。他又接连试验了6000多种植物纤维,最后又选用竹丝,通过高温密闭炉烧焦,再加工,得到碳化竹丝,装到灯泡里,再次提高了灯泡的真空度,电灯竞可连续点亮1200个小时。

20世纪初,美国的库里奇用钨丝做灯丝,发明了钨丝灯泡。从此,电灯跃上新台阶,日光灯、碘钨灯等形形色色的灯,如雨后春笋般登上照明舞台。

十、冬暖夏凉的科技——空调

空调是一种可调节室内温度的电器。在炎炎的夏日,它可以为人们带来丝丝清凉;在寒冷的冬日,它可以提供一个较为温暖的室内空间。空调的发明,减轻了高温或者严寒给人们带来的苦恼和伤害。自此,人们可以随时自由调换自己喜欢的“季节”了。

一般的空调器主要包括压缩机、冷凝器、电热元件、控温器、风机等。它的工作原理是:空调器里有一定量的制冷剂,压缩机把制冷剂压缩成高温高压的气体,送到室外的冷凝器内。在冷凝器里,气体变成液体,并向周围散热。这种液体又经过毛细管流到蒸发器里,变成低压液体,它们在冷凝器里变成气体,并吸收周围热量。这样,在室内的冷凝器里就有了冷的空气。空调取暖过程和制冷过程正相反。

1881年7月,美国总统加菲尔德遇刺受重伤。医生提出,在这样的盛夏,只有降低室温才能为总统实施手术。美国政府便把研制室内降温设备的任务交给了工程师谢多。谢多思考以后认为,空气经过压缩之后会释放出热量,那么如果压缩后的空气恢复到原来的正常状态,是不是会吸收热量呢?循着这条思路,谢多最终制成了空气压缩器,成功地使总统病房的温度下降,而空气压缩器正是空调的“萌芽”。

第一台空调是1902年由美国发明家威利斯·开利设计。他的发明应部分归功于纽约一个印刷厂老板。这位老板的印刷机由于空气温度与湿度的变化,所以印出来的东西总是模模糊糊。经过开利设计的空调系统对室温的调节,印刷品的质量立即有了好转,自此,如纺织业、化工业、食品业等其他的行业也陆续引进了空调,空调开始了为工业服务的新时代!

按照样式的不同,空调可分为壁挂式、落地式和窗式等形式。我们常见的空调器一般是将制冷机放在室内,排风机放在室外。随着空调的发展,空调已经不仅能够调节室温,而且还具有一系列的新功能,比如清新空气。

空调从它发明那天开始,并没有立即被居民家庭所采用。直到1924年,底特律的一家商场,常因天气闷热而有不少人晕倒,因此他们首先安装了三台中央空调,从此,习习的凉风使顾客们没有了“中暑”的后顾之忧,他们开始喜欢在商场里待一待,结果商场盈利大增。其他商家见到这种“空调效应”,也竞相安装空调。

家用空调现在已经在大城市的家庭里得到了普及,但是随着家中电器的增多,我们也要打好“小算盘”,使空调尽可能的少耗电,其中的办法有:不使用时应拔掉插头,因为空调在待机时也会耗电;应避免频繁开关机,因为压缩机的启动非常耗电;长时间离开房间要关空调;空气滤网每年至少清洗一次,以提高工作效率;内外机的连管越短,电耗越小。

十一、洗衣机的发明

在过去的漫长岁月中,洗衣实在是一项繁重的家务活。而洗衣机的发明将家庭妇女从繁重的家务中解放出来,使她们能和男人一样平等地工作和参与政治生活,从这个意义上说,洗衣机已忧为改变妇女命支的一项神奇的发明。

从古到今,洗衣服都是一项难以逃避的家务劳动,而在洗衣机出现以前,对于许多人而言,它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣,手搓、棒击、冲刷、甩打……这些不断重复的简单的体力劳动,留给人的感受常常是:辛苦劳累。早在1677年,人们就把衣物放在袋子里,其一端固定,另一端用一个轮子和一个圆筒来拧,这是一种尝试性的机械洗衣法。