文明的起源:35电动机驱动世界

  人类创造的世界光彩夺目,绚丽耀眼,令人赞叹称奇。它为什么是现在的这个样子?迎着阳光,在现代文明精致的面庞和魁梧的身躯后面,有一条长长的影子,从那里,可以看到岁月、历史和长路。

  现代世界简直就是用电动机(和内燃机)驱动的。制造业和建筑业用机器代替人类的双手,交通工具用机器代替畜力,哪一样离得开电动机呢?可以说,“转动”就是这个世界最神奇的魔法,没有“转动”,就没有现代文明。

  工厂里的任何机器、水泵、鼓风机、压缩机、医疗设备、电动车、电梯、冰箱、风扇、空调、电动门、吸尘器……随你想象,随你列举,离开了电动机,世界就停止转动了。

  很显然,我们的主题是电、磁,以及电和磁的关系。我们在上一篇文章已经介绍了电,现在我们来梳理一下关于电磁关系的文明史。

  磁石是一种天然矿物,中国在战国时代和汉朝已经发明出了司南,用于指示地理上的南北。司南是现代指南针的鼻祖。西方人在17世纪早期提出了地球是个大磁体的理论(吉尔伯特,1600年)。

  电,也是自然界的产物,闪电、某些带电的鱼类、摩擦起电,人类的科学就是在自然的基础上起步的。后来,人类生成电、储藏电、用数学描述电、找到电的原理……

  但是,在19世纪之前,人们从没想过电和磁之间会有什么关系。电就是电,磁就是磁。就像水是水,火是火,就像男人是男人,女人是女人。

  1777年出生的丹麦小子汉斯·克海斯提安·奥斯特,43年后将成为在电和磁之间连接一根纽带的第一个人。

  奥斯特本来会成为一位深沉的哲学家和一名业余的药剂师,青年时,他学的就是这些。但一次偶然的机会,让他产生了对物理学的兴趣。25岁那年,他交到一个好朋友——小有名气的德国物理学家Ritter,是这位物理学家向他提出了这个设想:电和磁之间很可能是有某种物理学关系。奥斯特非常喜欢这个设想,希望能够证实这个设想。因此他转行学习和研究物理学。

  1806年,29岁的奥斯特成为哥本哈根大学的教授。他一边教授物理中的电学和磁学,一边研究电和磁的关系。

  25岁开始喜欢物理,4年后就成为大学物理教授,人类文明靠这些天才实现跳跃式的发展,靠勇敢而勤劳的普通人亦步亦趋,永不停歇。

  怎么证明电和磁之间有关系呢?当然是先把这两者摆在一起做实验。用磁铁摩擦导体吧,看能不能生电;用电通过导体吧,看能不能生磁……

  科学发现一般是这样做出来的:有一个奇特的猜想,然后设计实验去验证。实验的设计很重要,对于实验结果的观察和解释也很重要。

  终于,奥斯特发现了这样一个微小的现象:在导体通电的瞬间,与导体平行放置的一枚小磁针发生了轻微的颤动,或者说偏转。这是1820年的事。

  没挨在一起的通电体凭什么会对磁体产生力的作用?这可是一个重大的发现!奥斯特接着用3个月的时间试验了更多的一些猜想,在3个月后发表了关于电磁关系的论文,在这篇论文中,虽然在理论上的某些用词与现代电磁学用词有些出入,但他基本上已经阐明了电对磁作用的理论框架和一些有用的假设。

  比奥斯特大两岁的法国人安德烈·玛丽·安培,在听说了奥斯特的发现以后,2个月就提出了磁针偏转方向与电流方向的关系,实际上就是确定电流方向与电流产生的磁场的方向的关系,这个理论被后人称作“安培右手定则”或者“右手螺旋定则”( Right hand grip rule)。

  还是被奥斯特的发现所启发,1821年,法国人法拉第(他是英国化学家戴维的学生和助手,是科学素养很高的人)突发奇想:力的作用是相互的,这在牛顿时代已经被提出。既然通电导体能够使磁体发生运动,那么如果把磁体固定,通电导体不也就可以运动吗?

  想到就去做。法拉第设计了一个试验装置,像下面这幅图的样子,这是按照法拉第论文中的图示做的现代仿品:

  这个装置中的重要模块:右边,是电池,是最初的用化学反应产生电的“伽伐尼电池”;左边,底下一杯水银,杯中间是一根磁棒,一根上部可以活动的铜棍悬挂着浸入水银中。

  法拉第的直觉是对的,他认为:既然电能生磁,那么磁也应能生电。经过十年的实验摸索,也就是1831年来到时,他终于在一个实验中发现了磁能生电的证据。

  简单描述一下这个实验:两个线圈离得很近,一个是带电源的,一个是不带电源但闭合且串联电流计的。当带电源的线圈的开关通断的瞬间,另一个线圈的电流计有反应。

  磁能生电的现象现在被称作“电磁感应”,高中物理对这个知识的描述是:“闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,产生的电流称为感应电流,产生的电动势称为感应电动势。”实验简图可以参考:

  同年,也就是1831年,法拉第还制成了世上第一台直流发电机,运用的就是他发现的磁能生电(电磁感应)的现象。

  一个金属圆盘在磁体两极之间旋转,圆盘中心和边缘各配备一个电刷,并连接导线,导线两极接电流计。旋转的圆盘相当于无数根导线沿同一个方向切割磁感线,这样就会在导体内产生持续的电流。

  虽然后来的科学家对电磁的研究更加充满智慧和技巧,并且创造了更加实用的机械和工具,但我还是选择简单来说了。因为我认为凡事的第一步总是最困难的。

  1834年,德国物理学家雅可比制成了第一台真正意义上的直流电动机。1839年,他用改进后的电动机成功地驱动一条小船在易北河上航行。

  1876年,英国人麦克斯韦用一组偏微分方程描述了电场、磁场与电荷密度、电流密度之间的关系。人们认为:是法拉第开创了电磁科学,而麦克斯韦则总结了电磁科学。

  1888年,塞尔维亚裔的美国人特斯拉与意大利物理学家菲拉利斯发明了交流电动机。

  电动机在现在已经不是什么高科技了,每个儿童玩具上都会有几个电动机。但是,为了驱动电动机,需要能源,提高电机效率以节省能源,却还是科学家正在研究的问题。

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