第一章 神奇的电世界

远在上古时期,居住在地中海区域的人们,特别是希腊人已经最早观察到今天众所周知的“电”和“磁”的现象。而“电”这一术语,到16世纪末、17世纪初才出现。后来,特别是从 18世纪起,电的内容逐渐地得到了充实。最后,到 19世纪,电才开始为人类服务。

1600年,英国自然学家、医生威廉·吉尔伯特的名著《论磁》出版问世了。一般说来,这是最先出现的在实验的基础上写出的专题学术著作之一。因此,在电磁学的历史上,这一年成了一个非常重要的转折时期。在此之前人们认为,电力只是琥珀所固有的,而磁力只是铁才可能有。吉尔伯特用试验来证明,有许多物质,如玻璃、树脂、矿物等在摩擦时就会出现起电现象,而地球虽然不单单是由铁所构成,但却是一个巨大的磁体。吉尔伯特使用了电力(即琥珀力)这一概念。18世纪起派生词“电”这一术语,开始广泛使用起来。在 18世纪的俄国科学书籍中“电”这一术语也被普遍使用起来。

当时人们对电现象和磁现象的本质及其相互间的联系还不了解。吉尔伯特认为这两种现象是完全不同的,而这一观点直到 18世纪中叶仍占统治地位。后来,多亏有了圣彼得堡科学院院士捷·埃皮努斯的著作,才给新观点(科学中又增加了电现象和磁现象是相似的这些概念)奠定了基础。在古代的生活中,人们观察到了大气放电现象,在人体接触某些鱼类时有麻的感觉,但是并未由此理解到这就是电力的表现。直到 18世纪后 10年,人们才开始对静电进行研究,并试图实际去运用它。而静电只限于用来医疗疾病,用来放出电火花使火药引爆,以及用来把电荷传到远方,后一种用途也就是创造电报机的最早尝试。

在 18世纪,通过对静电的观察而积累了大批资料。弄清了导电体和非导电体的存在,证明了电有两种,即阳电(玻璃电)和阴电(树脂电);找到了用机器获得大量静电荷的较完善的方法;发明了用来顿瓶和电容器储存静电荷的方法;发现了静电感应现象。因此,在对电的现象进行定性研究方面取得了巨大成就。18世纪末,库仑确定了电荷相互作用量的特性曲线。这就是著名的库仑定律。

虽然对静电的性质和作用的研究,并未能预示它在何种程度上可以运用于实际目的,但对电现象的进一步认识却具有极重要的意义。通过研究,发现了静电荷的有趣的特性,创立了一系列重要的电学理论,完善了试验技术,精心创造出一系列试验仪器。更为重要的是,电现象的研究已经引起了人们的密切注视,电学研究专著的数量在 18世纪也迅速得到了增长。

18世纪的后 10年,科学家的注意力转到了路·伽伐尼所发现的并为亚·伏特发展了的一系列新的电现象方面,进一步发现了人们认为与摩擦电不同的新形式的电,这就是电流。

18世纪的最后一年(即 1800年),科学上发生了一个著名的重大事件。亚·伏特根据自己的同国人路·伽伐尼所做过的试验和结论作了进一步的试验和分析,制造出第一台恒向(直流)电流发电机,这就是著名的伏特电堆和环形电池。从此,开辟了伽伐尼电流研究的新时代。对伏特发明的那种新的电池现象的检验,证明这些材料是完全可信的。从此,更进一步探索电流秘密的工作开始了,电工技术的最重要时期开始了。这一时期的特点是,整个时期全部被用来研究伽伐尼电流,并试图投入实际应用。

众所周知,电能的运用是五花八门的,大体说,可以分为两种:一、作为动力,就是大量地把电能变成另外几种形式的能,如变成机械能(传动、牵引),光能(照明),热能(加热过程),化学能(各种电解过程)等;二、作为非动力,基本上就是利用电脉冲或少量的能,以便作用于各种指示器或调整仪器等。

从 1800年伏特发明电堆到 1831年法拉第发现电磁感应现象,这是电工技术发展的第一时期。这一时期对于电流的利用来说虽收效甚微,但对电流的特性的研究和实际利用途径的初步探索却收效极大。卡莱尔和尼科尔逊早在 1800年就已发现了电流的化学作用,并用电流把水的构成元素分解出来。1801年乌·赫·沃拉斯顿用实验方法证明:从伏特电堆中所获取的电流同在出现静电时所获得的那些电荷相同,曾发现电流的热效应,即电流可使导体变热并出现火花形式的发光效应。

电流的化学作用的发现给当时年轻的科学家、伦敦皇家学院的化学教授赫·代维留下了强烈的印象。他在 1807年制造一个由 4000个铜片和锌片组成的功率强大的伽伐尼电流电源后,也观察了两个炭极间产生的电弧效应。代维利用这一功率强大的电流电源于 1807年—1808年对许多金属进行了电解并得到一些纯元素。弗·里特在 1803年发现伽伐尼电流的电能有可能被蓄积起来。

值得指出的是,伏特给皇家学会去信以后的几年内,各方面在伽伐尼电流方面进行了大量的实验工作。

在电流发现后的这一最初时期里,是否可以研究电的实际应用问题?电的应用的先决条件是否已经具备了呢?

那些年正是产业革命的胜利发展时期。机器工业和作为机械能源的蒸汽发动机普及到越来越多的新兴工业部门。速度更快和效率更高的运输工具(即由有蒸汽牵引车的铁路),很快取代陆地兽力运输工具,水运使用蒸汽发动机的试验也正在顺利进行。这些试验,有力地表明蒸汽发动机能使这一技术部门发生革命性的变革,能给予世世代代所使用的船帆以致命的打击。产业革命创造了许多先进条件,而这些条件的利用程度还很低。这时是否就需要寻求利用电流的途径呢?这种需要在电工学发展初期就已开始产生了。人们考虑到这一点,并对这些问题做了精心研究。首先研究的问题是:在使用了当时已做出了足够研究的力学、光学、气体动力学等学科的各种方法都不能解决重要的实践课题时,可否使用电来解决?为着这一目的,迫切需要解决的问题,首先就是利用电流能神速地沿着与大地绝缘程度很高的电线传导的特性;其次是利用电流能把各种液体电解成其各种组成成分的特性。

伽伐尼电堆的远距离神速传导的性能,可以被用来把信号传送到远方去,即用于有线电通讯。1909年泽海林格利用伏特计在液体分解时靠出现的气泡显示出脉冲现象的基础上发明了电解电报机,但并不好使用。帕韦尔·利沃维奇·希林格发明了电磁电报机。他在慕尼黑用他的电报机进行了多次试验,作出了不少的有益结论。

电磁电报机传送到离传送点很远的地点的脉冲能产生出火花,并能点燃某种爆炸物。帕·利·希林格在彼得堡涅瓦河(1812年)和在巴黎塞纳河(1815年)成功地演示电流起爆水雷法,并以此开创了地雷电工技术。

由于 1819年奥斯特发现了电磁现象,即电流作用于磁的现象,使电工技术发展在第一时期就有了极重要的变化。

由阿拉哥和安培等人所证实并发展了的埃尔斯捷德试验导致了创造出电线螺线管、扩程器、电磁铁和电流计;弄清了电流对导体的磁化和电磁的转动效应。巴洛、法拉第和亨利的试验表明,电能和磁能可以转变为机械能,即可以制造出电机。

我们认为 1880年—1831年这一时期内伏特电堆和所有各种各样的电池组实际应用起来功率太小,性能不稳定,不可靠。1821年塞贝克发现了热电并重视热电堆的建立。但热电并不能保证制造出实际所需电流的发电机。麦克尔、法拉第开始进行电感应及其他问题方面的试验。乔治·西蒙·欧姆在 1827年发表了对简单的传导电路规律性进行探讨的专著。毕奥·萨伐尔和拉卜拉斯在 1821年得出了电流和磁体间相互作用力的数学公式,而安培则得出了电流间的相互作用的数学公式。

综上所述,可以说 1800年—1831年这一时期为以后技术上使用电流的工作创造了许多先决条件。这些先决条件涉及到对电流特性的研究和电流的表现形式与作用的发现。

电工技术发展的第二时期(1831年—1867年)有关电的知识进一步扩大了,而且技术上利用电流的许多问题也得到了实际解决。第二时期是以法拉第的卓越发现(电磁感应的发现)开始的。愈来愈多地利用感应现象过程是在这一时期度过的。电磁感应的发现,过去是现在依然是全部物理学史中的最主要的阶段之一。所有现代的“强电流电工技术”,即照明、电解和电热过程,机械能的产生和其他电的动力应用,都是以法拉第的发现为其渊源的。帕韦尔·利沃维奇·希林格由于把扩程器用作按一定电码传送脉冲的指示器,遂于 1828年—1832年创造出了合乎实用的电磁电报机。在这一时期末,欧洲大陆和北美洲大陆上都布满了密集的电报线路网。使用了专门设计出来的水底电缆进行起铺设穿越大面积水域的电报线路的试验来。起初,电报电缆铺设在穿过河下的不大的距离上;这对于弄清电缆在水下的工作条件和改进绝缘情况,具有特别重要的意义。1850年,电缆曾穿过英吉利海峡铺设过去,但在过了一年以后,才得到良好的通讯效果。

1856年,为筹划在英国和美国之间进行电报通信而组织了大西洋电报公司。该公司拥有雄厚的资财,它吸收了大批科学人才参加它的工作;威廉·汤姆生(开耳芬)领导了建设这一巨大工程的技术工作。1866年,这个公司在为排除大量事故而付出了 10年艰难劳动之后,欧美间的电报通信终于建立起来了。这一条 3600公里(1900海里)远的电缆的敷设,是一个特别重要的电工技术的实地训练:它引导人们去研究和解决在远距离线路上电流传导的许多特殊问题,并去详细研究电气安装技术的实际问题。

一些伟大理论家(开耳芬等人)和许多实践家都参加了电报技术方面的工作。电报传送数量增加和电报传送距离增大,就要求强化线路的利用率(所谓复用)。于是就研究出了各种自动化的和多路同步电报系统。

电报技术也要求改进伽伐尼电池这种供电电源,而采用了丹尼尔、格罗夫和本生等人的电池。1859年普兰捷发明了铅蓄电池,把它作为电流的次级电源使用。

电报机构造的发展,对于制定和建立国际电单位制起了重要作用(这一工作早在 40年代就开始了,但到 1860年由英国科学促进会委员会初次把建立电单位制作科学基础之前,一直是困难重重极不协调地进行着)。电报技术的发展促进了电测量技术的建立和完善,以及测量仪器的制造。电报技术的经验也被利用来制造电气自动学和遥控机械学的电路、仪表和装置。这一时期详细研究了如弧光灯的自动调整器的主要类型,以及许多电磁装置、电机装置、电热装置和诸如此类的演示装置。

有一点很重要,需要提出来,即 1860年进行了制造电话机的最早尝试,而德国教师菲力浦·赖斯的试验是最有名的。

电报技术是在电工技术发展的这一阶段中运用电的最主要方面,它没有利用电磁感应现象就迅速发展起来了。制造电动机也是这样,可以根据纯电磁原理制造出来。但发明家们却未取得任何良好的效果。问题在于这种电动机需要强大和稳定的电源,伽伐尼电池组不能保证这种电动机的用电量,而靠感应原理工作的发电机才是这样的电源。但这种发电机到 1870年才制造成功。

电报技术在这一时期已经成为技术上得到精湛研究、在实践中得到广泛应用的一个部门。这个时候电工技术的其他一些部门却还处在用试验性装置进行研究和探讨阶段。1838年鲍里斯·谢明诺维奇·雅科比院士发明了电版术。在很多城市兴办起了镀银镍等的电镀作坊。电解电镀术在电工技术发展的第三时期依靠格拉姆(1870年)、赫失纳—阿利捷涅克(1873年)等人制造出质量高的发电机后才得以全面发展。

就在这个时期,有人做了一些利用电流进行电热作用的试验。但继电报术之后最引人关注的和最有意义的事,应属电力照明问题了。对于这一问题来说,电工技术发展的第二时期是它的重要的准备阶段。在上个世纪 70年代,电力照明的设想成了现实,虽然最初电照明的普及由于电能价格昂贵而受到限制。

电照明的历史,将在专论托·阿·爱迪生致力于改进白炽灯的一章里予以详细的阐述。我们在这里仅仅指出,在电工技术发展的第二时期,主要类型的弧光灯已被创造出来,并进行了试验;许多白炽灯的结构已提出来了;稀疏气体放电管(盖斯勒电管)已制成并试验了。当时,作了大量试验性材料的准备,以便研究解决实际运用电照明所不可缺少的重要条件:必须保证照明设备有可靠的廉价的电源。这种电源就来自那种根据法拉第所发现的电磁感应原理而工作的发电机。电机制造业经过了电磁发电机制造阶段;然后又经过了电磁和他激发电机制造阶段,终于在 1867年采用了自激原理,根据这一原理,可以制造出优质直流发电机。这个阶段就介于电工技术发展的第二时期和第三时期之间。

我们在这里只能根据电的技术运用的进步观点,来评述电工技术发展的“法拉第阶段”(1831年—1867年)。而电学和磁学方面的科学进步,我们只能扼要地提一提。

需要指出的是,由克希荷夫所确立的分支电路定律;韦伯和高斯在磁学方面的著作;能量守恒定律和能量转换定律的确立;电流的热效应定律(焦耳—楞次定律)的确立;以及法拉第在电解定律、抗磁现象定律等,是这方面所进行的广泛研究。麦克斯韦在这一时期详细研究了电学和磁学的理论。这种理论在稍晚一些时候,即在电工技术发展的第三时期刚一开始,便为广大科学家们所熟悉。整个第二时期就是从技术上广泛利用电脉冲时期,也就是真正实现“非动力的”运用电并在照明、传动和运输方面,在技术操作过程中准备开始广泛地把电流用作动力的时期。电磁感应的发现和利用发电机磁场内的导线移位法获取电能的可能性,使电流转变为动力完全成了现实。

在整个第二时期期间,只有直流电得到了实际运用;人们对交流电持怀疑和警惕的态度。因为当时对交流电很少研究,而且运用也有限。

第一批生产电器、仪表和机器的企业出现了。因为架设电报线路的工作在当时具有重要的意义,所以电气工业企业基本上是生产电线、电缆、绝缘材料、电报机、电磁铁、继电器、伽伐尼电池、某些类型的测量仪器(主要是测量电阻、电流强度和电动势的测量仪器)。电机的生产有其独特性;既没有成批生产,更没有大量的生产。弧光灯这时制造量相对总是比较多的,型号也很多,但却没有一种型号能成批生产。

当时人们是否都足够清楚地了解到,电给技术和人类的生活会带来哪些巨大的变化呢?对这一点人们是日益明确起来了。电工技术方面的发明申请书数量和专利特许证颁发出的数量,正在异常迅速地增长。美国专利部门在 1849年的报告书中表明,电在不久将来就要得到各种各样的运用,电的运用比起当时许多人为寻找幸福而涌向的加利福尼亚砂金矿,更能促使人们发财致富。这个报告书指出,电除了供电报通信外,“还可以从发出地被迅速输送到远方,可以开动陆地上的车辆、水上的船只,可以使各种生产机器动起来,可以参与农业或家务劳动”。

电工技术发展的第三时期是从 1867年到 1891年。这一时期,是以在电磁感应现象和自激原理(直流发电原理)的基础上创制出格拉姆发电机时开始的。格拉姆发电机比用伽伐尼电池,能更便于保证电能生产;同时,感应方法比伽伐尼电池能提供出更加廉价的电能。格拉姆环形电枢发电机证明新发电方法是优越的。在这种发电机之后,又出现了更为完善的圆筒形电枢发电机(赫夫纳—阿利捷涅克,1873年),而且这些发电机的结构形式也因发明人的不同而各异。直流电机的功率在不断增大;随之又出现了更加完善的型号即多极电机。在七十年代后五年里,巴·泥·亚布罗齐柯夫悉心研究,开始制成单相交流发电机。

这样,最主要的问题解决了:由于电力不足、价格昂贵所造成的电工技术发展中的种种限制解除了。

电工技术发展第二时期(1831年—1867年),是“弱电流电工技术”也就是电能非动力运用的极盛时期,也是“强电流电工技术”即电能的动力运用开始深入研究的时期。在第三时期(1867年—1891年)非动力运用(电报术、电话术、电信号设备、闭路装置、自动装置、遥控等)得到了进一步发展,而在动力运用方面,从试验阶段转为直接实际运用。

整个第三时期,基本上是在运用直流电的标志下过去的;只是由于亚布罗齐柯夫电烛的发明,单相交流电才得到了运用。在这一时期末,单相交流电在解决了电能集中生产和远距离输送问题的情况下,才开始发挥巨大作用。

究竟有哪些用电的部门,在这时已经形成并巩固下来了呢?首先应当提到的是电照明。弧光灯作为一种光源,从设计上说在某种程度上已达到可以广泛实际运用的地步;因为不仅成功地创造出了许多效能很好的自动调节器系统,而且也解决了当时视为十分复杂的“电流分配问题”,即在一条电路上任意数目的弧光灯(契柯列夫、赫夫纳—阿利捷涅克的差动弧光灯)同时工作的问题。

这时涌现出了一批城市,它的街道、胡同和广场都有电照明。例如,美国的沃巴什市(印第安纳州)的所有室外照明全部使用弧光灯。1885年,俄国的皇村(现叫普希金镇)的街道、住宅和公共场所全都用电灯照明。看来,这是历史上第一次实现了整个城市照明设施全部电气化。

巴维尔·尼古拉耶维奇·亚布罗齐柯夫在这一时期(1876年—1881年)的工作获得了卓越成就,而且对提高电照明的研究兴趣产生了巨大影响;他所发明的电烛使首都和一些大城市的公共场所和街道、港湾、码头、沿河街、公园和戏院等地方,有可能安装大量电照明设备。

发明家早就试图制造出白炽灯。第一批电灯还在上个世纪 40年代和50年代就已创制出来。而在电工技术发展的第三时期,终于制造出了完全适合于大量实际运用的电灯。白炽灯已被广泛运用了,它使整个照明技术发生了革命,它对电工技术的发展产生了巨大影响。与此同时,提出了一系列新的任务,而其中最主要的任务是:电能的集中生产和用输电线把所需数量的电能输送给消费者。在整个这一时期内,各处都在建立电站;制造分配电能的设备以供应电站附近消费者;并进行远距离能量输送的试验。

对远距离能量输送问题的详细研究,导致了一场关于电流种类的极激烈的辩论。出现了彼此观点完全对立的两个阵营。直流电的拥护者们,持有相当有力的论据。当时,对直流电已进行了有效的研究并进行了广泛的试验。比较适宜于用交流电的亚布罗齐柯夫电烛,在一段时间内使交流电的拥护者占了上风,但随着亚布罗齐柯夫电烛的时过境迁,领先地位又转到直流电的拥护者方面。有利于直流电的主要论据是,直流电可能把蓄电池的设备作为该系统的主要元件加以应用;可以把夜间负载转换到蓄电池上,关掉发电机,节省原动机的机械能。在负载的高峰时候,可以接通蓄电池和发电机并联工作。当时人们认为,发交流电耗煤量要比发直流电耗煤量多一倍半,也就是说交流电比较贵;交流发电厂的额定功率应比配有蓄电池设备的直流发电厂的功率大。对此应当补充说明的是,最初人们并没有使一些交流发电机并联工作;发电厂的每一个发电机都为一定的消费者服务。当某一个交流发电机负载不足的时候,绝不能把它断开,而把负载转加到另外负载不足的发电机上。交流发电机并联工作,不是一蹴而成的。

人们对电能的需求不断增长,这样,直流电拥护者的阵地趋于巩固。直流电发动机便于操作,而合乎实际运用的单相交流电发动机当时还没有。这是普及交流电的严重障碍之一。由于对电能需求的增加和力求使电能的价格降低,人们理所当然地提出这样的愿望:建立大发电厂集中生产电能,并把电能远距离地输送分配给消费者。但这是一件需要进行专门研究和试验的崭新的工作。当时没有预料到在装备比现有功率还要大的发电厂时,会有多大的困难;另一方面,谁也没有仔细研究和弄清楚这个问题的另一方面:如何能以最小限度的损耗,把电能输送到远方去。

1880年,杰普列和拉钦诺夫经过研究很快就明确了,为减少线路的热损耗,电能应当在高压情况下输送,他们开始在直流电路进行实际试验,开始把由专门设计的发电机所发出的高压直流电输送到了远方。1882年,马尔谢利·杰普列用双线把电压为 2000伏特的直流电,输送到距离为 57公里的地方(由米斯巴赫至慕尼黑),这是一次重要的尝试。这种输送法的有效系数是低的,但这一尝试表明,把电能输送到这样远距离(当时被认为是很远的)去是可能的。为增加输电距离,就必须采用更高的电压,而当时做到这一点却是很困难的,因为绝缘技术当时还处于发展的初级阶段,而且当时还不能制造出电压高于 6000伏特的发电机。

爱迪生和霍普金森提出了一个获得高压的新设想,即用把通常的工作电压(100—120伏特)的发电机串联起来的多线制。但这种方法仅适宜于在较短距离内输送能量,更何况,多线制提高了设备的造价。

在用高压直流电输电时,必须在线路的另一端给变电站的强力蓄电池设备充电;而用户也应得到工作电压的直流电能。如果采用交流电输电,输电问题的解决就大大地简化了。因为交流电电压通过了变压器可高可低。1885年,匈牙利工程师姆·杰里奥托·布拉季、卡罗伊·齐佩尔诺夫斯基研制出工业用型单相变压器,并提出把这些变压器并联起来使用。从此,用单相电流输电的问题就得到了合理解决。单相电流输电的设备开始制造出来,而且应用的电压也越来越高了。例如,富兰克林1887年在英国建立了杰普特福尔德发电厂,供给离电厂约有 15公里远的伦敦商业区照明电;这里的电压是十千伏特。用单相交流电输电,任何时候都不能保证电传动,因为,单相电动机完全不适宜于用在电传动上。

这一时期,许多地方已开始建设中心发电站,开始远距离输送电能:电能成了商品。

利用直流电机可逆性原理,使人们能够以新的方式解决电动机问题。格拉姆、赫夫纳-阿利捷涅克(以西门子电机而著名的)以及其他一些人的发电机,在机器发动起来以后完全能保证电传动的需要。电能开始应用到工业传动装置上了,但还是在直流电的基础上。虽然这时人们已认清了电工业传动装置的巨大优越性,但电工业传动装置发展得还很缓慢。其原因在于单相交流电有其自身的矛盾:它有把电能输送到远方的优点,但也有完全不适宜于用来作传动的缺点。

为创造电气化运输工具曾进行过许多次尝试。从 1879年起,这些工作就有系统地在进行着。而从 80年代初起,无论是城市的电车路线,还是最初的电气铁路运输线,都投入了运行。

各种类型的电焊,首先是电弧焊接,被发明了出来,并成功地运用于实践中。电炉、电气升降机和运输装置制造出来了。电开始广泛深入到电化学工艺学(电解装置和其他装置)中去。

电工技术的各项成就很快在国际的和各国的博览会上展示出来。1851年在伦敦,1878年在巴黎,1880年在彼得堡、1881年又在巴黎举办了博览会。而在 1878年的巴黎博览会上展出了巴维尔·尼古拉耶维奇·亚布罗齐柯夫卓有成效的发明“俄罗斯之光”,这是这次展览会上的“明珠”。1881年的巴黎博览会上爱迪生最卓越的发明之一——白炽灯和照明系统作了出色的演示。其他展品也普遍得到好评。因为这些展品证明了在电机制造中,在有线电通讯和其他用电的电气仪表和机械制造中有了突飞猛进。在 1881年巴黎博览会之后,又于 1882年、1883年、1884年、1889年先后在慕尼黑和伦敦、维也纳、费拉德尔菲亚举办了博览会。在费拉德尔菲亚博览会上展出了电机、照明、电力传动、电力牵引、电热学等方面的成果。爱迪生在这里又大显身手,展出了他的许多新发明或对原结构作了改进的东西(如留声机)。这次博览会举办的同时还召开了电学家代表大会,把制定电单位和电标准的工作又推进了一步。

在这一时期中,学术领域也获得了巨大成果。麦克斯韦根据法拉第所得到的丰富的试验资料,创立了电学和磁学的概括性理论(1873年)。赫兹根据麦克斯韦理论的结论,发现了一种新现象即电波,指出它的特性,从而为无线电报学奠定了基础。斯托列托夫、霍普金森和容格的著作研究了钢的磁性和磁化过程。休斯、普里斯和汤姆生开创了电话传话理论。费拉里斯通过试验(1885年)发现了旋转磁场;多相电流方面的工作也开始了。

电工技术发展的第三时期,在电工技术已获得成就的情况下,特别明显地突出了一个当时尚未解决的问题,尽管以前进行过大量的试验。这个问题就是在把电能输送(当然是以最小的损耗)到远方后,要保证大多数主要的用电机器能够有电用。不能变压的直流电,在当时的技术发展水平上,是不能把电流输送到相当远的距离的。当时,即使直流电能实现这样的电力输送,那么在利用输送来的高压电能过程中也会产生困难。因此,解决把电站集中生产的电能输送到远方去这一任务,是无成功希望的。单相电流能被变压,结果就无必要生产高压电流,因为变压器能够履行这种职能。单相交流电是不适宜于所有用电器的,但它完全能够用来作为白炽灯和某些类型的弧光灯的电源,而由于单相电动机不能直接启动,所以工业上的电传动就不能靠单相电流来实现。因此,困难就产生了。为满足对电能的日益增长的需求,就需要建起功率越来越强大的电站,而且这些电站应当为广大地区服务,至少应当为两类基本用户(即照明用户和电力传动用户)服务。这场危机之所以能得到解决,是由于发现了旋转磁场现象(费拉里斯,1885年),以及在这一现象基础上创造了多相电流制:两相制(尼古拉·特斯拉)和三相制(多里沃—多勃罗沃尔斯基)。

第三时期末,即在 1891年以前,详细研究和部分试验了三相制的基本元件:发电机、变压器、电动机、绝缘器、相位计、测量仪器。从劳芬到法兰克福这一距离为 175公里的电力输送表明,三相电流明显胜于直流电和单相交流电。三相电流能变压,三相电流电动机具有易启动的性能,而且负荷很大,完全能保证电力传动的需用量。

仲马院士在 1881年巴黎博览会和电学家代表大会闭幕时曾预言道:“电的时代开始了。”对三相电流的深入研究使动力学中的这一新阶段的发展有了现实的可能性。

电工技术发展的第四时期,是 1891年把电力从劳芬输送到法兰克福时开始的,现在这一时期仍在继续着。第四时期的特点是功率最大的热电站和水电站以及后来的原子能电站的发电量的巨大增长;工业、运输、日常生活和农业的广泛电气化;以及以电作为重要中间媒介把一种能转变为另一种能的所有方法的改进。在这一时期,无线电技术和电子学产生了,并得到了突飞猛进的发展。电闯入了工艺学,并成了重要的生产要素。我们创建了自动学、遥控力学的精良装置和制出用电子计算机控制的仪器等等。所有这一切都是人所共知的,因此就没有必要再来描述电工技术的现代成就。

托·阿·爱迪生在电工技术史上应占有什么样的地位呢?正如大家从他的传记中所知道的那样,爱迪生早在青年时代就接触了电报机。开始,他使用电报机是为他所编辑和印刷的列车报接收消息。爱迪生 16岁就开始在芒特—克勒门斯车站(1862年)学习报务。他很快就成为了一名技术精湛的报务员,一位在拍发和接收电报方面创造记录的人。爱迪生有些年(1863年—1868年)是“流浪报务员”。大陆的电报通信网非常稠密。创建洲际电报通信,首先是欧美间的电报通信的工作进行得热火朝天。当时,这是技术长足发展的开端,这种长足发展是有其获得巨大成就的先决条件。电成了一种具有神奇魔力的力量,它吸引着在寻求新的、尚未为人知晓的、神秘的和将能造福人类的东西的那些先进青年。爱迪生当时只有 20岁,而在当时年轻人中间所普遍风行的对电极感兴趣的那种心理也把他迷住了。

如果分析一下那些献身于电学领域,并以自己的发现和发明在 19世纪最后 30年出名的人物的出生年代资料,那么就会发现,他们所有的人几乎全都是爱迪生的同龄人,其中大部分都出生于上个世纪 40年代。所以,对电工技术使青年爱迪生入了迷、终于使他把自己的全部精力和兴趣都贡献给电学一事,就不应感到惊奇了。

我们现在观察到一种类似的现象。我们这个时代先进的技术方法是建立在广泛应用电学、电子学、无线电工程、计算机、计算机控制装置、新的合成材料等等的基础上。目前那部分最有才能的青年正向何方奔去?他们正奔向这样的学校,在那里他们可以研究这些新技术,可以获得他们为了成为一批新技术部门专家所需要的物理的、化学的以及数学的知识。因为这些新技术部门正在以革命的手段改变着生产的许多方面,并大大地促进着社会生产力的发展。

爱迪生由于对电工技术发生了兴趣,自然就要首先研究当时最迫切的问题。只有一个方向能由他来选定:这就是电报学。电报学问题当时引起了人们极大的注意。爱迪生在这方面已具有很多的实践技能,而在理论上还有许多东西需要他来弄清楚。他不仅开始进行卓有成效的实践活动,而且也可望获得一定的成就。

事实正是这样:爱迪生最初进行的工作是利用电报术方面的方法来制造各种装置(投票计数机、交易所行情标志机),而且还直接改进了电报机(自动和复式电报机)。声音和言语的远距离传送问题,已是当时人们需要解决的现实问题,所以爱迪生便致力于这种装置结构的研究工作。1876年,还存在很多缺陷的电磁式电话机的出现,促使他着手改进这种大家需要但还不能使用的装置。1871年,爱迪生发明了炭质送话器(传声器),这是他的一项重大成就,并且向获得电话传送的可靠性、清晰度和准确性方面迈进了重要一步。紧接着,爱迪生有了一个录音和放音的想法,因而发明了自己所心爱的——留声机,并在这一世纪的随后 20多年中付出了大量心血来改进它。

弧光灯,特别是亚布罗齐柯夫电烛所获得的电照明成就,使爱迪生懂得这是一个极其重要的问题。这一问题的顺利解决,将不仅是冲破电光源范围的限制问题,而且要使整个电工技术发生根本的变化;电照明及电照明相联系的电工技术各部门,由于是专用来满足大众的需求,所以都将成为科学、技术和商业活动的广阔场所。爱迪生放弃其他一些问题的研究,而完全献身于研究白炽灯和电照明系统的时期就开始了。他在这方面取得了卓越成就,并给人们带来了他的前辈所不曾带来的巨大的物质利益。

在 1882年—1887年期间,爱迪生基本上是埋头推广电照明方面的工作;他建立了为推广电照明所需要的生产企业、电站、安装业和商务办事处;不仅美洲市场,而且欧洲市场也都有他的公司。他逐渐成了所有电力技术和电气工业中的要人。爱迪生由于了解了铁路电气化的重要性,就详细研究了电气机车问题,建立了试验性的电气化铁路。爱迪生在看到电深入到工艺学的情况和在工艺学领域里出现的一些新的可能性时,便精心研究了磁选矿的方法。他致力于电曾起极其重要作用的各种活动的人体图像和物体图像再现的试验。最后,在我们这个世纪,爱迪生发明了新的能源——碱性蓄电池,并几乎用了 10年(1900年—1909年)时间来改进它,把它应用于汽车行业、矿井照明等方面。爱迪生是美国电气工业的组织者之一,在他的发明和发明专利特许证的基础上,利用了他的助手们的丰富技术和生产经验,建立了当时世界上最大的电工技术康采恩——“通用电气公司”。

在爱迪生诞生时,美国的大面积土地还没有被充分开拓起来;在纽约和芝加哥这两个相距比较近的最大城市之间,还没有铺上铁路;从用莫尔斯电报机在美国拍发了第一批电报时起,一共才过了没几年;爱迪生在美国国内战争结束后不久,就公布出自己的最初的一批发明。在上个世纪 70年代,当欧洲已把电用于工业、运输等等,而特别是用于照明时,而在美国,电的应用还处于萌芽状态。在欧洲已制造出优良的电机和电动装置时,美国一直到 1878年对此了解得还很少。在美国电工技术落后的条件下,爱迪生的首创精神、范围广阔的活动和卓越成就,就显得更为有意义了。爱迪生成了美国电力技术和电气工业中的要人。他作为一个用劳动创造起了一个工业部门的活动家而成为全世界注意的中心人物。因此,对爱迪生为什么举世闻名一事就不难理解了。因而,全世界都认为他是一个卓越的技术活动家。