DPZ - 電的旅程

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回復: DPZ - 電的旅程

發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:11 pm

「第五章:電燈與電氣化」
<發電機與馬達 ( 1 )>
早在1821年,法拉第就發現了馬達的科學原理。十年後,他又示範了發電機最基本的概念。但在發展過程中,困難重重,進展緩慢。發展馬達有一個基本的問題,就是用什麼電源來驅動馬達?當時的電池儲電量根本不能用在強力的馬達上。所以他決定先發展發電機,有了發電機才能有廉價電能來驅動馬達。到1870年代初期,發電機已經有市場需求了,主要是取代電報及電鍍工業用的電池,也可用來做電弧燈的電源。
在法拉第之後,有很多人都在研究實用的發電機。四十年下來,發電機的基本概念已形成。大多數發電機的設計包括三個部分:靜止不動的叫定子(stator),專供給磁場;在定子內旋轉的線圈叫電樞(armature),旋轉的動力可來自蒸汽機或渦輪機,電樞在磁場中旋轉時,線圈內會產生像波浪一樣的交流電。發電機的第三個部分叫整流器(commutator),功能是把電樞中產生的交流電轉變成直流電。電池的電源是直流電,所以當時大家的想法是發電機產生的電源應該和電池一樣,可以直接取代電池的功能。交流電唯一的應用是電弧燈照明。
法國人畢克西(Hippolyte Pixii)在1832年示範了第一架發電機,但功能和效率都很差。主要問題有兩個,一個是定子上永久磁鐵的磁場不夠強。在1866年,西門子用強力的電磁鐵取代了永久磁鐵,解決了這問題。另一個是發電機本身的設計。為了避免高速轉動時相碰,位於定子和電樞之間的空隙太大,令電和磁的偶合性大為減弱。此外,電樞上銅線的繞法也不盡完善。本來這設計可用馬克士威方程來分析,但因當時沒有電腦,這些問題則不易察覺。…… (待續)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:11 pm

「第五章:電燈與電氣化」
<發電機與馬達 ( 2 )>……續上
1871年,木匠出身的比利時人格拉美(Zenobe Gramme)察覺到這些問題並將難題解決。到了1873年,格拉美設計的直流發電機無論在性能及價格上,都達到了市場需求,開始投入生產,取代電報及電鍍工業上所需的高容能電池。他又把直流發電機改裝成交流發電機,1874年首次應用在大型電弧燈上,把巴黎歌劇院的外牆照得金碧輝煌。
1873年,格拉美和伙伴一起在維也納展覽他們的發電機產品。示範時,有人無意間把兩座相隔很遠的發電機用電線連接在一起,當蒸汽機推動其中一座發電機時,令人震撼的是另一座位於遠處的發電機竟然也轉動起來,變成馬達!這是歷史上第一次產生了實用的馬達,也是第一次用電線輸送電能。人們意識到,原來把發電機倒過來使用就變成馬達,而且高效率發電機和高效率馬達的設計原理是一致的。這是一個極為重要的發現,從此人類有了比蒸汽機更方便及易用的原動力。格拉美發電機和馬達的發明,把人類帶進了第二次工業革命,對工廠、交通、礦業、農業及家居生活,都有不可衡量的影響。…… (待續)
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「第五章:電燈與電氣化」
<發電機與馬達 ( 3 )>……續上
1873年後,歐洲發生的發電機及馬達技術的突破,消息傳到了北美。在1878年愛廸生看到電能發展的趨勢及白熾燈需要普及化,他認為時機已成熟,於是全力投入照明系統的發展。隨著愛迪生1882年在曼哈頓成功的營運了中央發電站系統,全美都開始建造發電廠,電燈很快普及應用,發電廠亦快速擴充,平價的電力從此進入了很多家庭。
愛迪生的輸電系統用的是低電壓(110伏特)的直流電。為安全起見,他還不惜工本,盡量把電線埋在地底。但是從發電廠到用戶的家中,沿途因電線中電阻的影響,能量損耗很大。普通中央發電站只能供給不到三公里的用戶,距離再遠,就要用更粗的銅線來減少電阻,成本會增加。所以從1882年開始,中央發電站都是小型的,密集的分佈在人口中心。到了1887年,愛廸生察覺到有一間叫西屋電氣公司(Westinghouse Electric)搶了他很多生意,他們用的不是直流電,而是交流電!…… (完)
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「第五章:電燈與電氣化」
<電流之戰 ( 1 )>
韋斯汀豪斯 (George Westinghouse) 是一個發明家,也是實業家。他年輕時發明了鐵路訊號燈系統,後來又發明了火車用的空氣煞車技術。到1885年他已成功創始了四間公司,不過他仍一直留意著在新興的電氣及電燈工業上的商機。他派駐在英國的營業代表注意到了一則當地的新聞報導,介紹用交流電變壓再輸送的技術。韋斯汀豪斯意識到他的機會來了。
愛迪生的白熾燈無論直流電或交流電都可以使用,不過交流電有個很大的好處,就是可以用變壓器把電壓升高或降低。高壓交流電在電線輸送時,消耗能量比低壓直流電要少很多,所以可以長距離輸送。高壓交流電傳送到用戶附近時,可用變壓器把電壓降低到家用的標準,再輸入各家用戶。交流發電站可以建在遠離用戶地區,而且發電站的規模可以不斷增加,來滿足一個更大區域內更多用戶的需求,同時大規模發電廠的營運成本遠比小電廠為低。
韋斯汀豪斯看到交流電這些基本優勢後,就創立了西屋電氣公司 (「西屋」是韋斯汀豪斯這個姓氏的意譯)。他從德國的西門子公司買了發電機,又從英國買了變壓器,經過一年時間的研究改良,在1886年自己產品問世了。他接下幾項照明工程,用戶根本不知道直流電和交流電的差異,只知道價錢比「愛迪生通用」的便宜,照明的質量則是一樣。到1887年,西屋電氣已承接了27個包括發電廠的照明工程,開始威脅到愛迪生。當時基本上除了馬達仍是用直流電,其他應用都可以用交流電。…… (待續)
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「第五章:電燈與電氣化」
<電流之戰 ( 2 )>……續上
愛迪生在1887認識到了交流電的威脅,他全力反擊,打響了歷史上有名的「直流電和交流電之戰」。愛迪生認為高壓交流電非常危險,尤其是用電線桿架空的高壓線,更是危機四伏。他開記者招待會時,指出高壓交流電對人類生命的威脅。他利用高壓交流電做了幾個試驗,他觸死街頭的野狗,又觸死了馬,甚至觸死了動物園中一隻發了狂的象。愛廸生還設計了世界上第一張用高壓交流電的電椅來處決犯人,並惡意的稱呼這是「韋斯汀豪斯式」處死,極力醜化韋斯汀豪斯在社會上的聲譽。在生意上愛迪生也利用電燈專利權,向西屋電氣及其客戶施壓。
韋斯汀豪斯沉著應戰,藉機反擊。他在高壓交流電的傳送技術上盡量增加安全性,令愛迪生找不到攻擊藉口,同時在1889年高價取得了電機奇才特斯拉 (Nikola Tesla) 發明的多相位(multi-phase) 交流電馬達的專利權。從此韋斯汀豪斯在交流電技術和市場上,擁有了完整的產業鏈及無可撼動的地位。
愛迪生雖然聲嘶力竭的詆毀交流電,但交流電的優越性愈來愈明顯。「愛迪生通用」的生意開始受到影響,摩根等大股東對愛迪生愈來愈不滿。…… (待續)
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「第五章:電燈與電氣化」
<電流之戰 ( 3 )>……續上
在1891年摩根去了歐洲,參觀德國的電氣業龍頭西門子公司。大家還記得西門子公司是維納‧西門子領隊,在歐洲發展電報業時興起的,到1891年時已是世界上最大的電氣企業,生意遍佈全球。摩根深信電氣業的前途在交流電上,而「愛迪生通用」的規模及產品種類太小,垂直整合的深度也不夠,令公司的利潤率不理想。他回美國後,就著手進行「愛迪生通用」和另一家「湯生-休士頓電氣公司」(Thompson-Houston)合併的事。湯生-休士頓有相當規模的交流電產品及專利,專供電弧燈照明。這些產品可彌補「愛迪生通用」的不足。
愛迪生對此事一直蒙在鼓裡。最後摩根在1892宣佈兩家公司合併,改名為「通用電氣公司」(General Electric,簡稱GE),而公司的總裁也由湯生-休士頓的卡菲 (Charles Caffin) 繼承。這項宣佈,愛迪生是經友人告知,再從報紙上看到的,摩根沒有通知他一聲。電流戰還沒有結束,愛迪生已被逼離開了舞台。這個充滿自信的人,在眾目睽睽下所受的侮辱不可謂不大。
愛迪生雖離開了舞台,但電流戰還沒有結束。在1893年,芝加哥舉辦了「哥倫布博覽會」,會展上要用92,000個燈泡。結果西屋電氣擊敗GE,贏得了合同。西屋電氣為了博覽會,特別發展了巨型的交流發電機,單是發電機內旋轉的電樞,每一個就重25噸。整個供電系統都採用了特斯拉的設計,從發電機、變壓器到高壓傳送都用了「多相位」概念。由變壓器降壓後,電壓是110伏特,頻率是60赫茲,降壓後的電源可供給十二萬只白熾燈及幾百座特斯拉交流電馬達的運作。整個電網的結構完美無瑕,這個設計在美國一直沿用到今日。
1895年,西屋電氣承建了空前巨大的尼加拉瀑布水力發電廠,十座渦輪機推動的發電機可發出五萬匹馬力,用變壓器將電壓增加到22,000伏特,一直運送到43公里外的水牛城。到這一刻,交流電才取得了決定性勝利,直流電系統至此已成歷史。(有趣的是,超高壓直流電長途輸電技術近年又受到重視。) ……(完)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:13 pm

「第五章:電燈與電氣化」
<電氣化新氣象 ( 1 )>
自從有了實用的發電機及馬達後,電能開始滲透進各種日常應用。除了電燈照明外,電在交通運輸、工業製造、開礦、農業灌溉、家居生活等各方面,都發生了巨大的作用,快速的進展絲毫沒有因電流戰而減慢。
在交通運輸方面,西門子於1876年建立了第一個電車系統。電源是由蒸汽機推動發電機產生,再由路面上空的電線接到車上的馬達。電車乾淨可靠,沒有污染,深受城市居民喜愛。直至今天,這些古老的電車仍在很多歷史悠久的城市中服務。西門子在1879年又首創電氣火車,在1892年時曾創下最高時速每小時200公里的紀錄。
到十九世紀後期,擁擠的大城市中,公共交通成為一個巨大的社會問題 (跟現在一樣),西門子提出建造高架電車,但倫敦在1863年選擇了建造地下鐵,建造者的魄力令人驚訝。倫敦地鐵起初用的是蒸汽機列車,因地下空氣流通不暢,隧道中需建大量通氣口,效果不理想。在1876年之後,大家意識到電動推進技術最適宜應用於地鐵,倫敦地鐵開始用電動車替換蒸汽列車。到了1890年,地鐵已完全電氣化,捷運網也大規模擴張,廣大倫敦市民喜歡地鐵帶來的方便,世界上其他大城市也開始規劃地鐵。1896年,西門子公司在匈牙利的布達佩斯建造了第二個地鐵系統。在一百多年後的今天,中國各大城市建造地鐵的風潮還方興未艾。……(待續)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:13 pm

「第五章:電燈與電氣化」
<電氣化新氣象 ( 2 )>……續上
在陸上運輸車輛中,早期的機動車是以電動為主,但電動車受電池技術的限制,性能及車程都不理想,這個難題直到今天還沒有很好的解決之道。當內燃機技術漸趨成熟之際,電動車很快被淘汰。在二十一世紀,這個現象可能會顛倒過來嗎?
水上航行方面,情形和陸上的車子相似,電池與馬達的結合很難與內燃機或渦輪機相比。但在一些特殊應用上有例外,譬如潛艇。西班牙人潘拉 (Isaac Peral) 在1888年建造了第一艘潛艇。當潛艇在水面下航行時,因為沒有氧氣,根本不能用內燃機,只好在水面航行時先用內燃機推動船上的發電機,再把電儲存在大容量的蓄電池中。潛水時,再由電池驅動馬達來作動力。現代潛艇可用核能發電,根本不需燃氧,更可用電將海水變淡水以及提煉出氧氣,故可在水底持續潛航數月之久。
在製造業上,自工業革命以來,工廠的原動力都來自蒸汽機;機械的能量由複雜的轉軸、齒輪及傳送帶,由蒸汽機輸送到各種機器去。這種系統設計複雜,體積龐大,可靠性低,噪音大,損耗率高。有了發電機及馬達,電能可經輕巧的電線,直接輸送到各架配有馬達的機器上,使得製造業效率增加,成本降低。
有了馬達,很多新的應用出現了。美國人奧提斯 (Elisha Otis) 和德國西門子公司都發明了實用電梯,間接促成了摩天大廈的出現。以馬達為核心的「電泵」 (electric pump) 是農業及採礦業在抽水和排水工程上,不可缺少的工具;在今天全世界耗電量中,有24%用在抽水,其重要性可見一斑。就算日常生活中的用水,也需用電泵來產生足夠的水壓。
到了二十世紀初期,電泵更被大規模應用到「熱交換器」(heat exchanger) 上,催生了實用的電冰箱及冷氣機,這些電器跟隨電燈(全世界耗電量20%用在照明)進入了家中。從此人在家中,天熱可以開冷氣,買菜放在冰箱裡可以長期保持新鮮,扭開水龍頭就有源源不絕的乾淨水,更不用說用手一按就可把黑夜變為白晝。必要時還可以用留聲機播放心愛的音樂,增加情趣。電氣化不斷的普及,徹底改善了人類生活的品質。……(完)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:14 pm

「第五章:愛廸生、特斯拉與西門子」
在電氣化過程中,無數人做出了巨大的貢獻,如格拉美、西門子、愛迪生、韋斯汀豪斯和特斯拉。他們的技術發明與創業精神,直接催生了西門子、GE與西屋等超級企業,直到二十一世紀的今天仍主宰著電氣工業,也成為世界各地無數後起企業的楷模。在這裡,我們再仔細看一看愛迪生、特斯拉和西門子三人的事蹟。
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「第五章:電燈與電氣化」
<愛廸生、特斯拉與西門子 ( 1 )>
愛迪生(Thomas Alva Edison)在1847年出生於美國俄亥俄州,家中清貧,自小機靈好學。十二歲已開始在火車上賣報紙、販水果,人情世故一早就懂,更有經商的才華。後來經朋友父親的教導,學會了摩斯密碼,十六歲離鄉別井做起電報員來,從此他與電結了緣。雖然他沒有受多少正規教育,但他不停自修,對電及化學所知相當廣博,而且他很會動手,善於應用,還喜歡創新,早年就發明了很多和電報有關的技術,如「四重式電報機」、「自動電報機」、「股票報價機」等,年紀輕輕就為他帶來了財富。
1876年,愛迪生用自己的積蓄開創了門羅公園實驗室,專門從事產品研發工作。這是世界上第一個綜合性的工業研究所。他的僱員中有電機專家、化學專家、機械設計專家,甚至應用數學家。當時很多大公司常委託愛迪生實驗室發展新技術。在1877年,西聯的總裁奧頓特別委託愛迪生,設計一個從聲音變電流的轉換器,用來和貝爾電話競爭。很快地愛迪生就發展出了遠比貝爾技術優越的「碳紐」麥克風,在電話上沿用了一百年。有了聲波和電流轉換的經驗,愛迪生在1878年發明了留聲機,使人類第一次可把聲音記錄下來,再重新播放,媒體因此給了他「門羅公園巫師」(Wizard of Menlo Park)的稱號。愛迪生把自己兩個孩子取名為Dot(點)及Dash(畫),他對電與電報技術的痴情可想而知。
1878年,愛迪生全心投入了白熾燈及供電系統的發展,在1879的除夕夜,更向全世界展示了他的照明系統。當愛迪生的珍珠街發電站在1882年照明了曼哈頓59戶人家時,電能第一次進入了人們的家中,創始了新的電氣時代。…… (待續)
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「第五章:電燈與電氣化」
<愛廸生、特斯拉與西門子 ( 2 )>…… 續上
當時愛迪生是世界上知名度最高的人,但不到五年光景,交流電的出現給愛迪生帶來了挑戰,更令他遭遇到了人生最大的挫敗。不單直流電輸給韋斯汀豪斯及特斯拉的交流電,他的自尊也給摩根破壞殆盡,一手創立的「愛迪生通用」公司,自己竟遭除名。愛迪生當時發誓一生不再從事電的研究,他一氣之下把GE的股票低價賣光,改去投資發展用電磁技術提升低劣鐵砂中的鐵含量,結果失敗,錢也用光。後來GE的股票漲了幾十倍,有人問他有無後悔,他的答案是:「這些錢花得真過癮!」有些自我安慰。
愛迪生後來發展電影技術,雖略有成就,但無法和他在電磁技術上的貢獻相比。晚年半退休在佛羅里達州,經濟情況並不好。他有兩位好朋友希望在經濟上幫到他,為了顧惜他面子決定請他做了高薪顧問,一位是汽車大王亨利‧福特(Henry Ford),另一位是橡膠大王法亞斯東(Harvey Firestone,泛世通輪胎的創辦人)。愛迪生為福特做了出色的研究,發展了用鹼土金屬做成的蓄電池,用於電動車。他又為法亞斯東發展了替代自然橡膠的材料。愛迪生還應聘成了美國海軍的技術顧問,幫助成立了海軍研究所,影響至為深遠。
愛迪生在1931年去世,享年八十四歲。他的遺物都陳列在底特律的福特博物館中,由此可見他和福特的交情之深。
愛迪生一生充滿了創新的幹勁,共得到1093個專利權,歷史上排名第一。他的聽力極差,幾乎耳聾,卻沒有影響他對音響的研究,反而聽覺上的缺陷,令他做事更能專注。愛迪生的名言是「創新過程中百分之九十是流汗,只有百分之十是靈感」。他的銅像至今還豎立在GE實驗室、美國海軍研究所及日本松下電器研究所門前。他是個徹底的實踐者,一生光明磊落,在人類主宰電子的路程中,是個卓越的貢獻者。……(待續)
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「第五章:電燈與電氣化」
<愛廸生、特斯拉與西門子 ( 3 )>…… 續上
談到愛迪生時,人們總會想到他的對手特斯拉。如果愛迪生是陽剛之氣,那麼特斯拉是屬於陰柔之姿。特斯拉 (Nikola Tesla) 生於東歐的塞爾維亞,在匈牙利及奧地利讀了兩年大學便在布達佩斯工作。1882年,特斯拉加入了愛迪生在巴黎的分公司。他的聰敏很快為上司 (曾是愛迪生門羅公園實驗室的主將) 所賞識,把他直接介紹給愛迪生。1884年,二十八歲的特斯拉遠渡重洋,到紐約向愛迪生報到。
愛迪生在公司裡十分權威。特斯拉一向自負,誰也沒放在眼裡,兩人的作風也絕然相異,發生衝突是必然的事。針對愛迪生「百分之九十是流汗」的名言,特斯拉曾說:「愛迪生如果能多想一想,那麼百分九十的功夫都是不必要的」。所以這兩人放在一起水火不相容。
歷史上傳說,愛迪生曾半開玩笑的答應特斯拉,如果他能改善愛迪生公司的直流發電機,會獎賞特斯拉5萬美元,當時特斯拉的薪水是每星期18元美金。後來特斯拉認為他成功了,但愛迪生說他不過是說笑而已,何必當真?並把他薪水增加到每星期25美元。特斯拉覺得受了極大的侮辱,一怒之下離開了愛迪生。有一段時期,他只能在紐約街邊挖地修電線為生。但特斯拉絕頂聰敏,他心中有了一套交流電發電及分佈的概念,更重要的是,他想到了一個用旋轉磁場做基礎的多相位交流電馬達概念,這是一個突破性的發明。在朋友投資下,他成功示範了技術,並申請到了專利。……(待續)
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「第五章:電燈與電氣化」
<愛廸生、特斯拉與西門子 ( 4 )>…… 續上
當時,韋斯汀豪斯正用交流電技術和愛迪生競爭。他留意到特斯拉的發明,有了特斯拉的高效能交流電馬達技術,直流電最後的優勢也消失了。為了確保勝利,韋斯汀豪斯用高價獲得了特斯拉的專利權,包括每賣出一部特斯拉專利的馬達,西屋電氣必須付出每匹馬力兩塊半美元的專利費,所以10匹馬力的馬達就要付25美元,相當可觀!最後韋斯汀豪斯終於在電流戰中贏了愛迪生。特斯拉自己也算是出了一口怨氣。
在1893年芝加哥的哥倫布博覽會中,西屋電氣示範了特斯拉的多相位交流電電網技術。在這大展上,特斯拉作了多次演講,還做了很多精采的示範,出足風頭。特斯拉從此在美國社會上聲名大振。
1897年,西屋電氣陷入資金週轉困境。韋斯汀豪斯誠懇的親自去見特斯拉,希望可以減少馬達專利費。特斯拉當著韋斯汀豪斯的面撕毀了合同,以表義氣,救了西屋電氣。不過,從此他的收入大不如前,但他認為,還有更多重要的發明及財富在等著他。…… (待續)
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「第五章:電燈與電氣化」
<愛廸生、特斯拉與西門子 ( 5 )>…… 續上
赫茲在1888年發現了電磁波。特斯拉知道後就開始研究,對電磁波著了迷。可是他的興趣不在用電磁波來通訊,而在用來傳播電能。他夢想用紫外光在空氣中開拓一條導電的通道(離子化的空氣柱),然後把電能由這些通道傳送出去,根本不需電線。
他首先用自己的錢(西屋電氣當時還在付專利費)在科羅拉多州建立了實驗室,探討在空氣中大規模通導電能的可能性。1900年他從摩根那裡籌集了15萬美金,在紐約的瓦登克里(Wardencly)蓋了一座巨大的電塔,他誇下海口,要用這座塔來示範把電能從紐約一直輸送到巴黎。三年下來錢用光了,沒有取得什麼成就。摩根對特斯拉失去了信心,不再投資。
1903年特斯拉已四十七歲,他一直活到八十七歲。在人生最後漫長的四十年中,特斯拉如蜻蜓點水般的涉足於各種飽受爭議的技術,包括「無線電死光」、「與外星人通訊技術」、「海洋熱能採集」、「地心引力動能」等各種相當玄虛的理論。憑著他在交流電上的名聲和他像魔術師般的魅力,公眾對他總是充滿了莫名的崇拜。他批評愛迪生「只不過是一個發明者」,更批評愛因斯坦的相對論是「用數學來訛弄世人」。晚年他患了極端的潔癖,精神狀態也不穩定,常居於紐約一間酒店的房間內,與窗外白鴿為友。他一生獨身,雖有800多項專利權,但死時身無分文。特斯拉在交流電技術上的貢獻無可爭議,但只能算得上是個技術怪傑,和愛迪生、西門子等人比,差了一大截。…… (待續)
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「第五章:電燈與電氣化」
<愛廸生、特斯拉與西門子 ( 6 )>…… 續上
維納.西門子 (Wiener von Siemens) 在1816年出生於普魯士,當時德意志聯邦國(德國)還沒有誕生。他名字中間的「von」是他在退休時得到的尊稱。西門子生於農民家庭,有十四個兄弟姊妹,他排行第四。由於家境貧困,無法負擔學費升學,十六歲就去當了兵,在軍隊中受技術訓練。後來英國的柯克及美國的摩斯發明了電報,普魯士政府意識到電報通訊的重要性,在軍中也開發屬於自己的電報技術,西門子就是主要研究員之一。在三十一歲那年,他發展出一種可靠的「指針電報」(pointer telegraph),然後決定離開軍隊,和一個朋友一起創業,用指針電報來推廣事業。後來還取到德國政府合同,建造了柏林到法蘭克福的電報系統。
西門子希望生意不局限於德國,而是全世界,他派自己的親兄弟到世界各地開拓業務。通過在俄國的弟弟,拿到了從波羅的海到黑海的電報工程。後來英國的弟弟拿到了從倫敦經歐洲到印度加爾各答的電報系統大工程。西門子公司除了承包電報工程外,還生產所有電報的設備和電纜。公司特製了專門鋪設海底電纜的船,取名「法拉第」號,這艘船後來鋪設了六條不同的橫貫大西洋電纜。…… (待續)
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回復: DPZ - 電的旅程

發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:16 pm

「第五章:電燈與電氣化」
<愛廸生、特斯拉與西門子 ( 7 )>…… 續上
西門子雖然掌管了龐大的企業,但仍不失工程師本色。他在1866年發表了一篇論文,提出用超強的電磁鐵來取代當時發電機中所用的永久磁鐵。這是發電機瓶頸難題之一。西門子設計的發電機,性能雖不及後來格拉美的發明,但已足夠用來取代電報系統所需的電池,同時也可用在電鍍工業上。隨著格拉美、愛迪生及韋斯汀豪斯的成功,發電機與馬達市場快速成長,西門子很快成了全世界最大的供應商。同時西門子大力發展電能在運輸上的應用,在1876年示範了地面上的電車,1879年生產了電氣火車,1896年在布達佩斯承建了歐洲大陸第一條地下鐵,1899年在北京建造了中國第一條電車路,影響遍及全球。美國的大資本家摩根在1891年訪問了正預備退休的西門子,學到不少西門子經商的經驗。他回美國後,就以西門子公司做借鏡,重組了GE,愛迪生是犧牲者!日本明治維新時期,很多財閥也以西門子公司為楷模,成立了多家巨型電氣企業。
在幾十年營運中,西門子把他的公司發展成當時世界最大的企業之一。他最為人樂道的是企業管理制度上的創新。早在1858年,西門子就創立了「利潤分紅」制度,鼓勵員工的積極性。他在1872年又首創員工退休金制度,以及職工家庭中孤兒寡婦的津貼制度,當時世界上沒有一個政府或公司,有這種正式的福利政策。西門子在1891年退休,不過在退休前,他還設立了每天工作八小時半、每星期50小時的工時制度。西門子公司經歷一百六十年歷史及德國兩次世界大戰戰敗而不衰,自有其原因。
西門子在1893年逝世。他是個傑出的工程師、創業者及實業家,是用電磁技術造福人類的巨人之一。…… (完)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:17 pm

「第五章:電燈與電氣化」
<電磁一百年>
從伏特在1800年發明電池開始,到1901年馬可尼示範跨越大西洋的電磁波通訊,正好一百年。電磁現象從一種社會好奇,一直發展到人們生活中不可缺少的技術。伏特、法拉第、馬克士威、赫茲、還有無數的科學家,穩固的奠定了電和磁的科學基礎。而摩斯、貝爾(與胡霸特、費爾、格雷)、馬可尼、愛迪生、韋斯汀豪斯、西門子等創業家,成功應用了電磁技術,滿足了大眾生活上的迫切需求。新興的企業如西聯、AT&T、GE、西屋電氣等,都躋身道瓊指數企業,成了美國國家經濟的新支柱。
在1881年巴黎舉行的第一次國際電機協會(IEC)年會時,為了紀念傑出的貢獻者,決定把電壓的單位稱作伏特、電流的單位為安培、電阻的單位為歐姆、電荷的單位為庫侖。在後來的年會中再陸續追加,把電容的單位稱作法拉、電感應的單位稱作亨利、頻率的單位為赫茲;在磁學上,也把厄斯特、高斯、韋伯、特斯拉及馬克士威用作基本單位。這是電磁學上一個很獨特的做法,令後人不忘前輩的貢獻。
到了十九世紀末,電報、電話、無線電報、電燈、各種馬達、發電機、電車、地下鐵、留聲機等都已普及。但有很多電的基本原理,人們仍然不懂。譬如說到底什麼是電流?是什麼東西在電線中流動?在應用上也有很多技術瓶頸問題無法解決。最迫切的有兩個難題:第一個是如何延長電話的傳送距離?第二個是怎樣可把聲音訊號用電磁波傳送?
這兩個技術問題的答案來自另一個研究領域,結果是帶領人類從「電磁」時代進入了「電子」時代。
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:18 pm

【第二部:真空電子】
「第六章:電子真面目」
電流在電線中流動時,到底是什麼東西在帶著電荷移動呢?如果我們把電流看成是水流的話,那麼小小的水滴在電流中又是什麼?水最小的成分是水分子,電流最小的組成又是什麼?要知道人類是怎樣弄清楚這些知識的,我們必須回到十九世紀初期。
英國的戴維在伏特發現電池幾年後,就在皇家研究院的地下室建造了一個巨大的電池,他用這個電池做了很多實驗。1807年,他將兩根磨尖的碳棒放在很近的位置,然後施加高電壓,結果兩個碳尖之間發生電弧,產生白光,電流也同時在兩根碳棒之間的空氣中通過。戴維發現碳尖發光時極易氧化燃燒,於是他想法把碳尖放置於玻璃管中,再將玻璃管抽真空、把氧氣排除,希望可以延長壽命。但這個實驗的結果並不理想,主要原因是當時真空技術很粗糙,玻璃和碳棒間的密封技術也漏氣。後來法拉第也做了些實驗,觀察到發光時靠近負電壓的「陰極」會產生一個陰暗的區域,但由於真空技術不成熟,他無法繼續把研究做下去。
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:18 pm

「第六章:電子真面目」
<陰極射線>
到了1855年,德國人葛斯勒(Heinrich Gessler)發明了高效的水銀真空泵,他還是一個優秀的吹玻璃專家,發明了密封金屬管通過玻璃而不漏氣的工藝。同時德國人隆考夫(Heinrich Ruhmkorff)發明了用電感應原理產生極高壓的電源。有了這些基本技術,科學家可以深入展開真空導電研究。
葛斯勒觀察到當電壓增加到某一程度時,正負電極間就會通電,在兩個電極之間的空氣會產生電弧發光。隨著水銀泵把管中的空氣抽出,發出的光會變弱,電流也減少,直到電流完全停止。此時在真空管中若注入不同的氣體,電流又會恢復流動,而發出的光會因注入不同氣體而異。如果注入的是氫氣,會發出紅光;注入鈉的蒸氣,會發黃光。這些五顏六色的「燈」通稱「葛斯勒管」,就是今日霓虹燈的前身。
當時很多科學家不斷深入研究在真空中通電和氣體發光的原理。他們想知道真空通電的介體是一束束帶電的粒子?還是一種特別的波動?在1878年,英國人克魯克斯(William Crookes)發現,如果在陰極和陽極間維持極高電壓,在高度真空時,仍有可觀的電流在兩極間流動,這種電流的流量已非真空中殘餘的離子可解釋,他命名這種電流為「陰極射線」(cathode ray)。陰極射線的載體像是一束束帶電的球囊,離開陰極後,以直線的軌跡飛向陽極。
克魯克斯在管中安裝了一只「馬爾他式」十字架,陰極射線所形成的影子在真空管底部的螢光膜上明確可見。克魯克斯還發現磁場可移動陰極射線,但陰極射線對電場則毫無反應。英國科學界普遍認為,陰極射線是由帶電的粒子所形成;德國科學家則認為,因陰極射線不受電場影響,所以是一種波動。德國科學家雷納(Philipp Lenard)更證明陰極射線可「穿隧」(tunnel)薄的鋁膜,證明這是波的性質,非粒子假說可解釋。
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:18 pm

「第六章:電子真面目」
<湯姆森與電子 ( 1 )>
在研究真空電流的過程中,觀察到的現象一直受到真空完善的程度、管中存餘氣體的種類與氣壓、電極的設計等各種因素困擾。從葛斯勒到克魯克斯,所有實驗的結果沒有得到一致的結論。英國和德國科學界為陰極射線是粒子還是波動,爭執不休。
1894年,英國科學家湯姆森(J. J. Thompson)決定徹底弄清楚這個問題,他設計了一連串重要的實驗。湯姆森當時任劍橋大學「卡文迪西」(Cavendish)實驗室講座教授,他在英國科學界上公認為最權威的人物,這個講座是馬克士威親手設立的。
在第一組實驗中,湯姆森證明了陰極射線帶著負電荷。第二套實驗,湯姆森用了最先進的真空技術,首次證明電場也可以令陰極射線折射,折射的方向符合陰極射線帶負電荷的性質。在這套實驗之前,其他研究者無法用電場來影響陰極射線,是因為他們實驗設備的真空程度還不夠,帶電的離子遮掩了電場作用。第三組實驗,湯姆森利用磁場對陰極射線折射的程度,準確的導出了陰極射線內的帶電粒子飛行速度,以及所帶電荷與質量的比值(荷質比)。
1897年4月30日,湯姆森到皇家研究院演講,就在戴維及法拉第慣用的講台上,發表了他的研究結論:陰極射線是由帶負電荷的粒子組成,無論用什麼方法或陰極材料,所產生的粒子性質都是一樣的。如果粒子上的負電荷和氫離子所帶的正電荷(當時已成功測量出氫離子的荷質比)是一樣的話,那麼這種粒子的質量只有氫離子(質子,proton)的1837分之一,這種極輕的粒子是原子組成的一部分。當時科學界都認同原子是物質中最小、也是最基本的組成粒子。難道原子裡面還有文章?…… (待續)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:19 pm

「第六章:電子真面目」
<湯姆森與電子 ( 2 )>……(續上)
湯姆森的結果震撼了整個科學界。十二年後,物理學家密立坎(Robert Millikan)將粒子上的電荷精確的測量出來,因而粒子的質量也確定了,證明了湯姆森的想法。這種極輕而又帶負電的基本粒子,命名為電子(electron),是原子構造中的一部分。在某些物質中可移動的電子很多,也很容易受電場影響而移動,這些物質就是很好的導電體,譬如銀、銅、鋁等。另有某些物質可移動的電子很少,又難以受電場影響而移動,所以導電困難,這就是絕緣體。到了二十世紀固態物理發展後,這些基本性質都可以精確的計算出來。
在真空管實驗中,電子是由強力的電場把它們從陰極的固體材料表面上「拔」出來的。這些電子離開了固體環境,赤裸裸的暴露在真空中,最後給人認出了真面目。湯姆森還發現陰極材料在高溫時更容易把電子「蒸發」到真空中去,而用鹼土金屬做成的陰極,則在室溫下也可有自由電子被電場輕易「拉」入真空。他又觀察到,把光照在特別處理過的陰極材料表面上,更多的電子會逃入真空,這個現象稱作「光電效應」(photoelectric effect)。後來愛因斯坦發展了理論根據,清晰的闡明了「光子」(photon)的原理,為此他在1921年得到諾貝爾物理獎。光電效應是發展陰極射線管(CRT)電視攝影機的核心技術。
湯姆森的實驗為真空電子研究的紛爭,暫時劃上句號,在1906年還得到諾貝爾物理獎。他在1940年逝世後,安葬在倫敦西敏寺,與牛頓和達爾文為鄰,被尊崇為英國最偉大的科學家之一。但是湯姆森的發現仍然不能解釋電子可以「穿隧」鋁薄膜的現象,所以物理上的懸題「電子到底是粒子還是波」,當時還沒有確實的答案,經過十幾年爭論,在量子力學的基礎上,才有了公認的解答──原來電子在不同條件下可以像粒子,也可像波,並無衝突。這是一個在概念上極大的突破。英國和德國的科學家都沒有錯,或可說都錯了一半。…… (完)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:20 pm

「第六章:電子真面目」
<穿透性的X光 ( 1 )>
在研究陰極射線的過程中,還導致了兩個重要的實用發明:一個是陰極射線管,以下簡稱CRT;另一個是X射線(俗稱X光)。CRT是由德國科學家布勞恩(Karl Ferdinand Braun)在1897年發明的。布勞恩發展了用磁場把陰極射線聚焦及掃描的技術。CRT後來成為電視及電腦顯像螢幕的基本技術。他其後更在無線電收發技術上有所貢獻,在1909年和馬可尼一起得到諾貝爾物理獎。
X射線的發明相當戲劇化。在1895年,德國科學家侖琴(Wilhelm Roentgen)也對陰極射線進行研究。他在實驗室中裝置了極高壓的電源,超過二十萬伏特,也用了可耐高溫的金屬「鎢」做陽極,這樣他可用超高能量的陰極射線來做各種實驗。當時德籍科學家雷納發現陰極射線可以「穿隧」鋁的薄膜,證明其波動的性質,侖琴準備重複這個實驗時發覺有一難題:陰極射線接觸到玻璃管時會發出螢光,而要測試的光訊號則相當微暗。為了易於觀察訊號,侖琴把實驗室弄黑,又用黑的紙板把整個實驗裝置蓋起來,只露出一個小孔。
測試陰極射線用的是一塊塗有特別螢光材料的硬紙板,這種材料接觸到陰極射線時會發光。侖琴從硬紙板上剪下一小塊用來做實驗,剩餘的留在椅子上。當他在黑房中做實驗時,突然留意到椅子上有東西在發光,原來就是那塊塗有感光材料的硬紙板!他把實驗裝置的電源關掉,紙板上發出的光也就消失。很明顯,有某種能量從實驗裝置中散發出來,這不像是陰極射線,因為陰極射線在大氣中只能傳播幾公分遠。他又留意到實驗室中照相底片也都曝光了。他把一本厚厚的書擋在塗料硬紙板前,發現書也擋不住這種能量的透射。…… (待續)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:20 pm

「第六章:電子真面目」
<穿透性的X光 ( 2 )>……(續上)
侖琴發現了這個新現象後,他一人繼續在實驗室中埋頭苦幹地做了很多合邏輯的實驗。三星期後正好是(1895年的)聖誕夜,他把妻子請到實驗室中,把她的手放在一張照相的底片上,然後開啟了實驗裝置,曝光了14分鐘。當他把底片沖晒出來時,出現在他們眼前的照片是妻子帶了指環的手,不過不是普通肉眼可見到的手,而是只看到手的骨頭,指環圍在指骨上。他妻子的第一個反應是:「我的天啊,我看到了死亡!」
1896年,侖琴宣布了他的發現。他妻子的手骨照片,轟動了全世界。當人們問侖琴透視的光源是什麼時,他的答案是:「我也不知道,所以才稱它為X光。」侖琴知道這個新技術可為醫學帶來貢獻,本著科學家的精神,決定不申請專利,把這個發現奉獻給全人類。很快的,西門子及GE都開始生產X射線機器,開拓了電子醫療設備這個新領域。
X射線的原理後來慢慢也懂了。原來由超高電壓產生的電子束碰撞到鎢做的陽極時,電子在鎢內部急劇減速的過程中,會把能量釋發成超短波長(高頻率)的電磁波,就是X射線了。事實上可見光、無線電波及X射線都是電磁波,都遵守馬克士威方程,不同之處不過是波長的長短而已!侖琴的X射線波長只有幾個奈米,比可見光的波長短了將近千倍。根據量子力學,電磁波的波長愈短,光(子)的能量愈高,所以高能的X射線可穿透人體。
X射線的發現是一個偶然的機遇,但侖琴充分把握了這個機會。他在1901年得到諾貝爾物理獎,是歷史上第一位得到諾貝爾物理桂冠的科學家。…… (待續)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:20 pm

「第六章:電子真面目」
<穿透性的X光 ( 3 )>……(續上)
在真空電子的研究過程中,湯姆森證實了電流的基本組成是帶負電的電子,就像水流中最基本的組成是水的分子一樣。在應用方面,葛斯勒管啟蒙了現代的螢光燈、霓虹燈和「電漿」平面電視螢幕的基本技術。克魯克斯管直接導致了布勞恩的CRT,一直到二十世紀末仍舊是電視機及電腦顯示器的基本技術。X射線的發明在醫學上開啟了一個重要的新領域。
還有一個真空電子的應用是用電子束和磁場的交互作用來產生高功率的微波。赫爾(Albert Hull)在1921發明了「磁控管」(magnetron),范理恩兄弟(Sigurd and Russel Varian)在1938年發明了「調速管」(klystron),都是後來雷達及衛星通訊的基礎技術。
真空電子的研究從1855年葛斯勒開始,到1897年湯姆森發現電子及布勞恩發明CRT,過程約有四十年。除了奠定了很多應用技術基礎外,還帶動了物理學上的革命。很多真空電子研究中觀察到的現象,無法用牛頓及馬克士威的理論來解釋,譬如白熾燈發出的光譜及葛斯勒管中用氫氣發出的光譜。這些現象都需要有新的物理來解釋。
1900年德國科學家普朗克(Max Planck)提出了「黑體輻射」(blackbody radiation)模型,準確無誤的表述了白熾燈的光譜;他在模型中首次採用了能量的「量子化」及機率概念。丹麥物理學家波耳(Niels Bohr)在1913年成功發展了氫原子模型。在理論上也加入了量子與電子的粒子及波動二象性(波粒二象性)的原理,完美的解釋了觀察到的氫氣光譜現象。普朗克、波耳及其他科學家帶動了1920年代量子力學(quantum mechanics)的飛速發展,為日後的固態物理及固態電子奠定了理論基礎。…… (完)
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發表 由 lung 于 周五 2月 22, 2013 1:20 pm

「第七章:控制電子的基本工具」
真空電子的發展,使人類認識到電子是物質導電最基本的單元。但在發展電子工業的過程中,最重要的電子元件二極管及三極管,卻不是由葛斯勒和克魯克斯這條研究道路上來的,他們的起點可以追溯回我們所熟悉的愛迪生!
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