莫尔斯发明电报

美国人莫尔斯(S.F.B.Morse,1792—1872)原本是个画家,对科学技术是外行。1832年10月,莫尔斯在欧洲进修绘画后乘船回国途中,产生了设计电报机的想法。同船乘客有一位杰克逊博士,在船上用几种电气设备进行试验,用来排除旅行中的寂寞。莫尔斯热心地为这个实验帮忙,并为电的神奇力量所吸引。他想:如果在电路的任何部位上都能看到电的存在,不就可以立即实现传递信息了吗?从此,他放弃了绘画,要努力实现这个理想。

1835年制成了第一台电报机的最初样品。经过几年的努力,又发明了一套用点、划代表字母和数字的符号——莫尔斯电码,并设计了一套线路,发报端是一个电键,它把以长短电流脉冲形式出现的电码输入导线,在接收端电流脉冲冲击电报装置中的电磁铁,使笔尖断断续续地压在不断移动的纸带上,将电码记录下来。美国政府资助莫尔斯,在华盛顿到巴尔的摩之间安设了一条64千米长的试验电线,于1844年用这套电报系统开始通报。从此电报开始了它在工业、商业等各个领域的广泛应用。

由于资本主义世界经济发展的需要,电报必须能穿洋过海,以便加强世界范围的工商业联系。于是从19世纪中叶起,在欧洲和美国又掀起了一股铺设海底电缆的热潮。1850年开始铺设的横跨英吉利海峡的海底电报电缆颇为顺利,但横跨大西洋的电缆铺设工作就要困难得多了。以英国开尔文勋爵(1824—1907)为代表的工程技术人员屡败屡战,克服了各项技术难点,终于在经过10年的努力之后获得了成功。1869年铺成的从英国伦敦出发,经欧洲大陆,部分经陆地,部分经水下到达印度卡里卡特城的电缆,全长1万海里。1902年的电缆线穿过太平洋,把澳大利亚和加拿大连接起来。

电报的发明和应用不仅适应了工业、商业发展的需要,而且为人们之间的相互交往提供了即简单又便宜的通讯方法,对人类生活的各个方面都产生了深刻影响。

贝尔发明电话

电报的发明,把人们想要传递的信息以每秒30万千米的速度传向远方。这是人类信息史上划时代的创举。但久而久之、人们又有点不满足了。因为发电报,不仅手续繁多,而且不能及时地进行双向信息交流,要得到对方的回电,还需要等较长的时间。人们对电报的不满,促使科学家们开始新的探索。19世纪30年代后,人们开始探索用电磁现象来传送音乐和话音的方法,其中最有成就的要算是贝尔了。

贝尔(G.Bell,1847—1922),美国语音学家。1847年生于英国苏格兰,他的祖父毕生都从事聋哑人的教育事业,知识渊博得像一部百科全书。他对孙子非常疼爱,管教也极其严格,经常教育他要学好功课,还给他讲许多有趣的科学知识,培养了他的科学志向。

有一次,贝尔在做电报实验时,偶然发现了一块铁片在磁铁前振动会发出微弱声音的现象。而且他还发现这种声音能通过导线传向远方。这给贝尔以很大的启发。他想:如果对着铁片讲活,不也可以引起铁片的振动吗?这就是贝尔关于电话的最初构想。1783年3月,贝尔在华盛顿向当时美国著名的物理学家约瑟夫·亨利讲述了自己的发现和用电传话的设想。他鼓了鼓勇气问:“先生,您看我该怎么办,是发表我的设想,让别人去做,还是我自己也应努力去实现它呢?”“你有一个伟大发明的设想,干吧!”亨利鼓舞贝尔说。“可是、先生,有许多制作方面的困难,而且,我不太懂电学。”贝尔胆怯地说。“那就掌握它!”亨利斩钉截铁的回答。正是在亨利老师的肯定和鼓励下,贝尔坚定了继续走下去的决心。

1875年,贝尔受电报中运用电磁铁完成电信号和机械运动相互转换的启发,开始设计制造电磁式电话。他先把音叉放在带铁芯的线圈前,音叉振动引起铁芯做相应运动,产生了感应电流;电流信号传列导线另一头做相反转换,变为声信号。随后,贝尔又把音叉转换成能随声音振动的金属片,把铁芯做成磁棒,进行反复实验,终于制成实用电话装置。

后来,爱迪生在此基础上又做了改进。他在电话送话器中加上了一对线圈,使电流能克服导线的电阻,把声音传送到更远的地方。1878年,英国第一家商业电话公司开办。接着巴黎在1879年、柏林和彼得堡在1881年也相继成立了电话局。1889年,美国又发明了自动电话交换台。电话的迅速发展与普及,极大地改变了通信技术的面貌。

无线通信技术

有线电报的产生,极大地方便了人们的信息交流。但是,这需要大量的金属导线。能不能不用电线进行通信呢?

赫兹于1888年发现了电磁波,提供了无线电通信的可能。对无线电通信技术做出卓越贡献的有俄国物理学家、电气工程师波波夫(A.S.Popov,1859—1906)和意大利物理学家马可尼。

波波夫出生在乌拉尔的一个村庄。1877年进入彼得堡大学学习,1893年以优异成绩毕业后到俄国海军鱼雷学校任教。他认识到赫兹发现电磁波的重要意义,开始寻求远距离接收电磁波的方法。他制造出记录大气电扰动的装置,并于1895年7月安装在彼得堡林学院的气象站。几个月后,他发表论文指出:用那样的装置可以接收人工振**源发出的信号,条件是振**要足够强。1896牛3月,波波夫为彼得堡物理学年会表演了传送电磁波的实验,成功地把“赫兹”一词用莫尔斯电码发出。1898年,同俄国海军一道实现了距离超过10千米的舰只与海岸之间的通信,次年底通信距离又增加到50多千米。

与波波夫同时代的马可尼(G.Marconi,1874—1937)做出了更加卓著的贡献。马可尼出生于意大利的波伦亚。1894年,年仅20岁的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,并且利用相当简陋的装置进行了短距离的初步实验。之后,他改进了检波器,并使用垂直天线,使信号发送范围扩大到1.5英里。他还利用天线周围的反射器实验把把辐射的电能汇集成一束,不使其向四面八方漫射。1896年,马可尼迁居伦敦,得到了有识之士的合作与支持,无线电通信的范围很快从几百米增加到几万米。马可尼在其表兄丁·戴维斯的资助下办起了无线电报有限公司,1897年在英国南福兰角建立了一个无线电报站。1899牛9月,马可尼把无线电设备装在两艘美国船只上,用来把“美国杯”快艇比赛的情况向纽约市报界报道,这次成功引起了世界性的轰动。

1900年,马可尼又实现了几个台站以不同波长无干扰地通信。1901年,他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信号在大西洋彼岸被收到,从此打破了无线电报距离的限制、成为简单而快速的通信手段。马可尼对发展无线电报技术做出了巨大贡献,1909年荣获诺贝尔物理学奖。20世纪以来,无线电话已广泛地被运用到人类生活的几乎各个领域。

爱迪生发明电灯

爱迪生(Thomas Alva Edison,1847—1931)是举世闻名的电学家和发明家。他1847年诞生在美国中西部的俄亥俄州的米兰小市镇。爱迪生从小怀有一颗强烈的好奇心。他时常被大自然和生活中的种种现象引入冥思苦想之中,大凡新奇的东西,他都想看个究竟,对于不解的问题,他总要打破砂锅问到底。于是,在上小学时,他常常向老师提出一些稀奇古怪的问题,弄得老师莫名其妙却又无可奈何,有时甚至搞得老师极为难堪。由于爱迪生的心思不在学堂而另有所寄,因此每每考试倒数第一。有一天,老师请来了爱迪生的母亲向她说道,爱迪生是天生愚笨、不堪造就,干脆让他退学算了。母亲无奈,只好答应,爱迪生从此就离开了学校。孰不知,好奇是创造先导;怪异的思索,往往蕴含着发明的火花。

母爱是伟大的。爱迪生的母亲并不认为自己的孩子是个庸才,决心把教育爱迪生的重担独自承担下来,于是,母亲成为他的“家庭教师”。在母亲的教导下,11岁的爱迪生就阅读了科普读物《博物教科书》和法拉第的电学著作,还阅读了其他许多书籍。爱迪生涉猎了各方面的知识,并对科学实验产生了极大的兴趣。后来爱迪生在自家的地窖里办起了“实验室”。对此,爱迪生的父母非但没有反对,反而被爱迪生的执著精神所感动,进而支持他的实验“工作”,使爱迪生在科学的道路上迈出了第一步。

1862年8月,爱迪生勇敢地救出了一个在火车轨道上即将遇难的男孩。孩子的父亲对此感恩戴德,但由于无钱可以酬报,便教给他电报技术。从此,爱迪生便和这个神秘的电的新世界发生了关系,踏上了科学的征途。

爱迪生从事电力照明研究并率先取得卓越的成效。他认真总结前人的经验教训,在数不清的挫折和失败面前,用极大的毅力和耐心,试验了1600多种材料,各种金属、石墨、木材、稻草、亚麻、马鬃都成了试验品,最终找到了适合作为灯丝的材料。在1880年5月,爱迪生偶然发现竹子的纤维结构条理分明,纹丝匀称。他用竹子作灯丝树料,竟能连续点燃1200小时。从此,人们开始用上了真正的电灯。后人对爱迪生的灯泡进行了许多改进和发展,使电照明工具得到了进一步的完善。1882年秋天,当第一批实用的电灯问世后不久,爱迪生在纽约华尔街创建了发电所,正式向用户供电。

输电技术的发展

随着发电厂的纷纷建立,电力的发展遇到了一个新的问题,这就是电能的输送问题。电能在传输过程中的损失成了电力发展的障碍。爱迪生的“巨汉”发电机的电压为110伏,用这一低压向用户供电,电能的传输损失很大,较远地区用户的电灯很暗。1882年法国电器技师德普勒(1843—1918)成功地进行了较高电压的输电试验,并在慕尼黑国际展览会上进行了电压为1500伏和2000伏、距离为57千米的直流输电表演,传输了大约1500瓦的电能。

要把低电压的直流电直接变为高电压的直流电是很困难的,反之也如此,因此导致了交流电的研究,并使交流高压输电方式得以发展。发电机发出来的电本来就是交变的。1880年前后英国的费朗蒂极力主张采用交流高压输电方式,并改进了交流发电机。1885年意大利物理学家法拉里从不同相位的光可以产生干涉现象,联想到不同相位的电流磁场将会产生旋转磁场,旋转磁场原理的建立对交流电机的发展有着重要的意义。法拉里的学生曾制造了二相异步电机的模型。1886年,爱迪生的助手特斯拉独立地研制成了较完善的二相异步电动机。交流电机和电动机的研制为交流电的产生和应用开辟了道路,而实现交流高压输电的关键设备则是变压器。1831年法拉第已经提出了变压器的原理。在1882年至1885年间有许多人在研制变压器方面做出了贡献。其中包括法国人高兰德、英国人吉布斯、匈牙利工程师代里及布洛赫伊、齐派尔诺夫斯基,等等。还有英国人霍普金逊,他发明了具有封闭磁路的变压器。

在高压交流输电技术已经日益完善的情况下,却有人提出异议,甚至在电器方面有权威的爱迪生也表示反对,因此展开了交直流输电方式的争论。曾与爱迪生共事的特斯拉坚持主张交流供电,并于1888年建成了一个交流供电系统。19世纪末已陆续建立了交流发电站,以及由三相交流发电机、三相变压器、三相交流的水电站、火电站和变电所组成的交流高压输配电系统。水电站与热电站由于架设了高压电线很快连在一起,这样就出现了一个把所有电站连结在一起的电力网。高压交流输电网的建立,使电力得以方便而经济地输送到它所需要的地方。更由于电能与其它能源之间可以相互转化,电能还较为容易管理和控制,使电力很快得以在各个领域中加以运用,它不仅有利于大工业,也有利于商业及手工业。电力工业的发展在19世纪末已开始使几乎所有的车间乃至个体企业都发生了一场深刻的变革。