电力与第二次工业革命:对人类好奇心的奖励
电,作为最原生态的能源,终于走进千家万户,开始主宰人类的生活。

“电”是一个与人们生活息息相关、密不可分的事物,它的发明和利用,促进了人类制造技术的发展,而以制造业为基础的工业文明,使人类社会进入了一个崭新的时代。

其实,在近代科学昌明之前,人类一直苦于没有办法将电运用于生产生活。直到19世纪以后,伴随着工业革命和科学思潮,人类发现了制造和储存电能的方式,由之而来的就是电能的大规模运用,这在世界历史上被称为“第二次工业革命”。而作为第二次工业革命最重要标志的电力,也在走完19世纪不平凡的发展史之后,在20世纪继续着自己的进化历程。

意大利科学家伏打,右下角即伏打电堆

人类最早知道的电能来自摩擦起电,这种电能从本质上讲是利用的电势差1800年,意大利科学家伏打发明的伏打电堆成为了世界上第一个可以稳定供应电力的装置。如此,人们对电的认识一下子就跃出了静电的领域,就不再是摩擦毛皮上的电,雷雨中的电,莱顿瓶里的电,也不只是动物身上的电,而是能控制流动的电。

伏打的发明虽然意义重大,但是其释放的电能很不稳定,而且伏打电堆过于庞大,不便于携带。在整个19世纪,还有许多科学家沿着伏打的思路改进电池,并陆续研究出了蓄电池和干电池,但电池产生的电能并不足以驱动大规模的工业生产。

保存至今的伏打电堆实物

此后不久,1820 年,丹麦物理学家奥斯特发现电流能使其附近的小磁针偏转,显示了电和磁之间的联系;

在奥斯特工作的启发下,英国物理学家法拉第从1831年到1854年一直用各种方式进行电磁感应实验,法拉第的工作为电能和机械能的转化提供了基础,并为电动机和发电机的发明铺平了道路;

在这些理论支持下,德国人西门子于19世纪60年代发明了发电机到19世纪70年代发电机实用化之后,电器开始用于代替机器,成为补充和取代以蒸汽机为动力的新能源。随后,电灯、电车、电影放映机相继问世,人类进入了“电气时代”。

所谓“电气时代”,是指以电能作为一种主要的能量形式支配着社会经济生活。电能的突出优点在于:第一,它是一种易于传输的工业动力;第二,它还是极为有效、可靠的信息载体。因此,电力时代主要体现在动力传输与信息传输两个方面。与动力传输相关联,出现了大型发电机、高压输电网、各种各样的电动机和照明电灯;与信息传输相关联,出现了电报、电话和无线电通信。

西门子早年建造的发电机之一

电力的动力得到解决后,想要把电力应用于生产,还必须解决远距离输送问题。

1876年,俄国出现了街道及家庭的电力照明。1882年,法国学者德普勒发现了远距离送电的方法。同年,美国发明大王爱迪生的公司在改良了灯泡设计之后,立刻在直流输电技术上进行跟进。在纽约创建了美国第一个火力发电站,把输电线连接成网络。随着对电能需求的显著增加和用电区域的扩大,直流电动机逐渐显示出了成本高、易出事故等缺点。

爱迪生

从19世纪80年代起,人们又投入了对交流电的研究。交流电具有通过变压器任意变化电压的长处,使输电效率达到80%以上,最早较大规模使用交流电是在电力照明中的应用。

尼古拉·特斯拉是最早提出交流电设想的人,他原本是爱迪生公司团队的一员,后来因为受不了爱迪生强势的作风和在奖金问题上的食言而自立门户。后来,特斯拉开始在西屋电器与制造公司位于匹兹堡的实验室与乔治·威斯汀豪斯一起工作,这成了特斯拉和整个交流输电系统命运的转折点。

特斯拉改良了异步电动机,将交流电远距离高压传输的优点展现出来,同时也解决了机器不能使用交流电的问题。这次被后世称为“电流大战”的争端,以特斯拉和交流电的完胜而告终,这也奠定了如今电力系统的基础。

美国科学家特斯拉

1885年,意大利科学家法拉第提出的旋转磁场原理,对交流电机的发展起到了重要作用。19世纪80年代末90年代初,人们研制出三相异步电动机,这种比较经济、可靠的三相交流电机迅速得到推广。

电、电流、电磁感应和电磁波的发明和应用,以及电力传输的成功,是电力取代蒸汽动力的重大突破,它使电力很快成为广泛应用的能源和动力。电力工业的发展进入新的阶段。电力照亮了城市和农村,为工厂和矿山提供了方便、灵活的强大动力,成为生产、交通运输、通信等全面转向工业化的决定因素。

法拉第

19世纪末20世纪初,在世界上掀起了电气化的高潮,美国、德国由于最早实现了电气化而迅速进入世界工业强国行列。电力技术的广泛应用,首先促进了电力工业、电气设备工业的迅速发展。以发电、输电、配电这三个环节为主要内容的电力工业产生并发展起来了。发电机、电动机、变压器、断路器及电线、电缆等电气设备制造工业也迅速兴起,同时还促进了材料、工艺和控制等工程技术的发展。电力技术的发展使许多传统产业得到改造,使得一系列新技术应运而生。

20世纪以来,电池技术随着新材料和新技术的运用取得了长足进展。第二次世界大战期间的潜水艇技术中,德国人就已经开发出了续航力更久的电池组,战后,氢氧燃料电池、锂电池等新型电池作为伏打电堆遥远的子孙后代登上历史舞台,为人类的新能源问题提供了一种可能的解决方向。

目前的汽车市场中,虽然如特斯拉等电动汽车有着各种不足,但其搭载的电池无论是从可靠性和续航力上都比过去几年有了明显进步,这可谓是新时代电力发展的明证了。

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