直流电与交流电

电能不会凭空产生，它必须从其他能量转换而来，靠电池这种将很

少化学能变成电能的装置，显然不足以满足动力的要求。因此，需要发明一种设备能够将机械能、热能或者水能源源不断地转化为电能，这就是我们今天所说的发电机。世界上第一台真正能够工作的直流发电机是由德国的发明家、商业巨子维尔纳·冯·西门子（Werner von Siemens，1816—1892）设计的。和之前的发明家不同，西门子本身就是一个企业家，他搞发明更多的是为了应用（用西门子公司官方网站上的说法是“应用导向的发明”）。1866年，他受到法拉第研究工作的启发，发明了直流发电机，随后就由他自己的公司制造了。从此人类又能够利用一种新的能量——电能，并且由此进入了电力时代。21年后，即1887年，美国著名发明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）获得了多相交流发电机的专利权，与他合作的西屋电气公司开始利用特斯拉所发明的多相交流发电机为全美国提供照明和动力用电。

▲图6.17 特斯拉的多相交流发电机

从1820年奥斯特发现电磁感应现象，到西门子发明直流发电机，前后相隔46年，如果再算上特斯拉和西屋电气完成多相交流供电，电真正开始普及的时间则长达67年。有些人质疑那些不能直接投入应用的科学研究，从电的理论到电的应用所经历的漫长过程，其实给出了这个问题的答案，即几乎所有的科学研究最终都能够找到实用价值。当然，67年时间有些长，但是相比第一次工业革命长达一个世纪的准备（从牛顿的时代到瓦特的时代），这个时间并不算太长。今天从理论到应用的时间，又缩短到20~40年左右。

电的使用直接导致了以美国和德国为中心的第二次工业革命。这里要特别说的是美国从电的理论研究，到电的各种应用发明，在当时已经不落后于欧洲，甚至在一些领域遥遥领先，这也是美国最终超越英国的科技基础。在全世界范围，对于电的普及和应用贡献最大的两个发明家，当属爱迪生和特斯拉。

爱迪生至少有三个标签：自学成才、大发明家、老年保守。第一个标签其实意义不大，第三个标签是误解，第二个才是他真实的身份。

在很多的励志故事中，爱迪生被说成一个带有残疾（耳聋）、没有机会接受教育、靠自学成才和努力工作成就一番事业的发明家。这种说法有一定根据，不过需要指出的是，爱迪生的父母并不是没受过教育的底层人，他的父亲是一位不成功的商人，他的母亲当过小学教师。爱迪生虽然只在学校里上了三个月的学，但是他的母亲是一位不错的老师，一直在家里给他应有的教育。爱迪生从小就对新事物好奇，爱做实验，喜欢发明东西，这无疑是他后来获得上千项专利的根本原因。

爱迪生被人谈论最多的事情是他发明了实用的电灯、留声机和电影机等大量电器。爱迪生发明电灯的故事可谓家喻户晓，这也成为众多励志读物的内容。通常大家强调的是爱迪生勤奋的一面，这里不再赘述。我们从另一个角度来看，爱迪生发明白炽灯时是如何解决问题的。

在爱迪生之前，人们已经懂得电流通过电阻会发热，当电阻的温度达到1000多摄氏度后就会发光，但是大部分金属在这个温度下已经融化或者迅速氧化了。因此之前处于研究阶段的电灯不仅价格昂贵，而且用不了几个小时就烧毁了。爱迪生的天才之处在于他能很快意识到那些在实验室里的白炽灯面临的最大问题——灯丝，因为将灯丝加热到1000多摄氏度而不被烧断可不容易。因此，爱迪生首先考虑的就是耐热性。为了改进灯丝，他和同事先后尝试了1600多种耐热材料。他们较早实验过碳丝，但是当时没有考虑碳丝高温时容易氧化的特点，因此没有成功。他们还实验了贵重金属铂金，它几乎不会氧化，而且熔点很高（1773摄氏度）。但铂金非常昂贵，这样的灯泡根本无法商业化。在大量的实验过程中，他们发现将灯泡抽成真空后，可以防止灯丝的氧化。当灯丝工作的环境改变之后（从有空气到真空），爱迪生又回过头来重新梳理他过去所放弃的各种灯丝材料，发现竹子纤维在高温下炭化形成的碳丝是合适的灯丝材料，这才发明出可以工作几十个小时的电灯。当然，碳丝太脆易损，于是爱迪生再次改进，最后找到了更合适并被使用至今的钨丝。在发明白炽灯的过程中，爱迪生不是蛮干，而是一边总结失败的原因，一边改进设计。在科研中，从来不乏勤奋的人，但是更需要爱动脑筋的人，爱迪生就是这样的人。

▲图6.18 爱迪生的灯泡模型

爱迪生的第三个标签是拒绝使用交流电，而且还发表了很多贬低交流电的不实之词。交流输电的好处是显而易见的，它可以让输电电压变得非常高，以至在输电的过程中电量的消耗可以忽略不计。这就使长距离输电成为可能，电厂也不需要建在居民区旁边了。相比之下，早期直流输电因为电压不能太高，所以输电的过程中电能损失大，并且不能远距离传输。爱迪生坚持使用直流输电这件事，被很多人诟病，并且评价他到了“晚年”，开始变得保守而固执，不愿意接受新事物。其实，事情远不是这么简单。爱迪生确实激烈地批评过交流电的副作用，但如果考虑到交流、直流之争本身不只是技术方案之争，更是商业竞争，就不难理解爱迪生的言论和行为了。

交流发电并不是爱迪生想采用就可以采用的，因为西屋电气和特斯拉的交流输电、发电以及交流发电机技术是受到专利保护的。西屋电气公司采用了特斯拉的技术，为此支付了高额的专利费，除了一次性支付6万美元现金以及股票，同时每度电还要再支付2.5美元，西屋电气差点因此而破产。而爱迪生在过去做特斯拉老板时与后者有矛盾，两个人从此一生结怨，因此，特斯拉根本不可能让爱迪生低价使用专利。从商业的角度说，爱迪生即使因为输电损失掉一大半电能，也比支付高额的专利费省钱。事实证明，在金融界大佬J. P.摩根的帮助下，早期采用直流输电并没有让爱迪生的公司倒闭，倒是出高价使用特斯拉专利的西屋电气公司后来有点不堪重负。最后，经过与特斯拉等人的协商，西屋电气公司以相对合理的价钱（近22万美元）买断了他们的专利，西屋电气才算是活了过来，并使交流电在全世界得以普及和推广。

爱迪生在和特斯拉就输电方式争论时刚刚40岁，远没有到“晚年”，这位长寿的发明家活了84岁。在40岁之后，他的新发明还在不断地涌现。即便在1930年，83岁高龄的爱迪生还发明了实用的电动火车。因此，他的思想一辈子都不保守，爱迪生不采用交流电只是利益使然。当我们看到爱迪生作为企业家的一面，而不仅仅是发明家时，这一切就都解释得通了。

相比讲究实际的爱迪生，特斯拉则是一个喜欢狂想、超越时代的人。他有很多超前的想法，比如无线传输电力（直到今天才实现）。特斯拉一生有无数的发明，他靠转让专利赚的钱比办公司多得多。然而，特斯拉后来又将所有的钱投入到研究那些至今无法实现的技术上，最后一无所获。他的晚年过得十分悲惨，在他去世前，已经没有人关注这位伟大的发明家了。直到今天，人们才重新给予了他在电的普及方面所应得的荣誉。

电的使用对文明的作用远在蒸汽机之上。蒸汽机主要是为人类提供动力，而电不仅是比蒸汽机更方便的动力，而且改造了几乎所有的产业。今天大约80%~90%的产业在使用电之前就已经存在了，但电使这些产业脱胎换骨，以崭新的形式重新出现。比如在交通、城市建设等方面，得益于电梯的发明，20世纪初美国的纽约和芝加哥等大城市，摩天大楼开始如雨后春笋般地出现，而有轨电车和地铁也带来了城市公共交通的大发展。立体城市和交通的发展又导致了世界上超级大都市的诞生。

电的作用还远不止作为一种动力，电本身还有一些特殊的性质（如正负极性），利用这些性质可以让物质发生化学变化，比如，将某种化合物变成另一种化合物或者单质。通过电解，人类发现了很多新的元素，比如化学性质活跃的钠、钾、钙、镁等。电解法也改变了历史悠久的冶金业，纯铜和铝就是靠这种方法生产的。此外，电影的出现也改变了古老的娱乐业。电灯的出现不仅方便了照明，还改变了人类几万年来日出而作、日落而息的生活习惯。

在电出现之后，各国又有了一个衡量文明程度的新方式——发电量。和人类之前使用的所有能量都不同，电不仅可以承载能量，还能承载信息，这就导致了后来的通信革命。