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我想从西门子的励磁电机开始,一直写到特斯拉溘然逝去。

从电机,到电力系统。

写了一部分,还剩一部分。今天发点存货。

这是第一篇,如果不犯懒的话三个月应该可以把剩下的都写完。

希望你能喜欢。

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在后世的历史中,1866年是个很热闹的年份。在这一年里,日本的萨摩藩和长州藩结成同盟,敲响了德川幕府的丧钟;七星期战争让普鲁士从奥地利手中夺取了德意志的领导权,德意志各邦国在统一的路上一路狂奔。小一些的事情也有,比如英国医生唐报告了一种奇怪的疾病,后世称之为“唐氏综合征”,中国革命的先行者孙中山也在这一年呱呱坠地——哦,还有件事,德国工程师西门子终于制造出了人类历史上一台值得纪念的靠谱电机。

电机包括发电机和电动机,两者都是电磁能量与机械能相互转化的装置,同出一源。对1866年的学术前沿探索者而言,发电机实在不是什么新鲜的东西。三十多年前,电磁学开山祖师之一法拉第,用一个在磁场中转动的铜盘演示了如何得到连续的电能输出。旁观的财政官员轻蔑的问:“这玩意有什么用?”法拉第怒气冲冲的回答:“新生的婴儿有什么用?新生的婴儿是会长大的!”

迈克尔·法拉第,英国物理学家,电磁感应定律发现者。从此电现象和磁现象融合为一个整体,并最终被其后继者麦克斯韦以方程组的形式彻底破解。人们以其姓名作为电容单位以示纪念。

但是这个新生儿三十多年也没长大。有两个问题困扰着这个宝宝——一方面是电机的连续旋转导致电流方向在不断的变换,另一方面则在于用磁石建立的磁场实在太小,导致发电机的输出能力还不如电池,因此也几乎无力带动任何负载。

第一个问题很快就解决了。一个名叫皮克西的法国的电气工程师设计了以自己名字命名的单相单机。在皮克西的发电机上,第一次出现了换向滑环。当磁铁旋转半圈电流方向逆转之时,换向滑环也正好调转位置,于是对外接负载而言,皮克西发电机发出的便是方向不变的电流。

但是第二个问题等了很久。在蒸汽时代里,地球人并没有铝镍钴材料,也没有钕铁硼材料。他们那可怜的永磁体根本无法在电机内部产生足够大的磁场。因此,那个时代的永磁电机功率密度低的可怜。没有强大的发电机也就没有强大的电能,也就无法带动强大的电动机。即使如此,人类还是在尝试将电机这一看起来没啥前途的设备应用在实际生活中。传说德国工程师雅克比制造了一个极其巨大的电动装置,用320个丹尼尔电池为电机供电。经过数年的努力,雅克比成功的将这一装置安放在一艘小艇上,并且使小艇达到了2.2km/h的移动速度。这个速度毫无疑问令人失望,大概在三十年前,蒸汽机船的速度就是这个值的四倍。与其同时期的阿基米德号蒸汽机船更是达到了58.8kW的输出功率,这样的对比无疑令所有人绝望。

丹尼尔电池,是一种将锌片置于硫酸锌溶液、将铜片置于硫酸铜溶液,并用素瓷片(多孔隔膜)隔离的原电池。由英国物理学家丹尼尔于1836年改造伏打电堆而成,允许反复充放电,是人类第一款实际应用的电池。

而且使用永磁体的电机还必须面对直到今天都无法回避的问题:磁体的退磁。退磁有多种可能,最常见的是高温退磁。当温度升高达到“居里点”时,千辛万苦找到的磁体就会退磁变成一块普通的石头。这意味着电机无法连续运转,并且功率也不能做的太大,要不就得配置巨大而昂贵的散热设备。除此之外,电机的震动也会导致永磁体的退磁,因此最初电机也无法工作在恶劣的环境下。

居里点,又称为居里温度。指的是铁磁性物质在某温度下将完全失去磁性的特性。该现象由法国物理学家皮埃尔居里发现并以此命名。图为皮埃尔居里(右)与其夫人玛丽居里(左)。

电机要想击败蒸汽机,就必须有足够的功率密度并且足够可靠。要想建立强大而稳定的电机内部磁场,就必须寻找更好的永磁体。而对那个时代的工程师而言,性能优异的永磁材料跟tan90°一样渺茫。于是电机的研发进度又一次卡住了,这一卡就是将近三十年,直到一个叫西门子的年轻人走上历史舞台。

维纳·冯·西门子,德国工程师,商业科技巨头西门子公司创立者。他是西门子四兄弟中的大哥,他的自励直流发电机极大的推进了电力应用的进展。人们以其姓名作为电导单位以示纪念。

在雅克比的小船在易北河上慢慢晃悠的时候,西门子已经21岁了。他中学读完便入伍,在军队接触到当时还算新颖的电报技术。退役后因与人决斗,被捕入狱关了几年。1847年,被国王特赦的西门子设立了一家名为西门子-哈尔斯克电报机制造公司的企业,主要生产他自己设计的指南针式电报机。

1866年,西门子的业务终于碰上了藏在电机内的那只凶猛的拦路虎——“如何得到更强的永磁体?”这个从法拉第发明金属盘电机开始卡了人类三十多年的问题,对于西门子而言却是是完全不同的一个问题——“我们为啥找更强的永磁体?”地球人从头到尾,追求的不过是电机内更强的磁场,却从来没有人说过,我们追求的是电机内有个更大的吸铁石。

可是,没有永磁体,会有磁场么?答案当然是有。事实上,这个答案比这个问题还要早。1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。数年之后,美国物理学家亨利用绝缘铜导线缠绕在一根铁棒上,当绝缘铜导线中通入一定电流时,平淡无奇的普通铁棒变成了无法想象的强大磁铁,强大的磁力将数百千克的铁块吸引起来。这样的磁力远远超过任何吸铁石。

约瑟夫·亨利,美国物理学家。他对线圈和电感的研究创造出包括继电器在内的许多至今仍广泛应用的器件。人们以其姓名作为电感的单位以示纪念。

西门子找到的答案就是电磁铁。只要通入电流,电磁铁就会产生强大的磁力,远远超过任何天然磁石。而且电磁铁是可控的,退磁与否只取决于人类是否给线圈加以电流。西门子的创新之处在于,他抛弃了永磁电机的传统思路,用电励磁取代永磁体产生电机内磁场——励磁电机诞生了。

但是在这里有一个悖论。如果采用电磁铁为发电机进行励磁,那么就必须在发电机开始工作前给电磁铁通电。但是如果发电机没有工作,除了丹尼尔电池,又哪里来的电让电磁铁启动起来呢?

发电机需要电磁铁先工作起来进行励磁,电磁铁需要发电机先转起来供电。我敢肯定,在西门子之前一定有人考虑过采用电磁铁的电机方案,只不过他们都被这个鸡生蛋还是蛋生鸡的问题给搞糊涂了。西门子敏锐的发现了这个看起来无解的问题中有个不起眼的破绽——铁磁材料的磁滞效应。

理想中的电磁铁是个受电流控制的磁力线发生器。通入电流时,铁芯励磁变成磁极,断开电路时则蜕变回一根毫无磁性的金属棍。仿佛理当如此,可又全然不是。不论是何种材料构成的电磁铁,在励磁之后撤去电流后,都不会失去全部磁性,它总是会剩下一点点磁性。要想让它完全退磁,则必须通入一些反向电流进行反向励磁才行。这就是剩磁现象。

磁导体的剩磁现象在后来成了变压器工程师们永远也搞不定的大麻烦。变压器里的铁芯在磁滞回线的诅咒下不断的损耗着能量。但是这在当时却完全不是问题,毕竟变压器还没有被发明。对于西门子而言,剩磁现象却是破解鸡生蛋难题的关键——剩磁是不需要电流维持的。

只要在电机制造之前先对电磁铁铁芯进行励磁,那么在电机在发出电来之前内部便已经因为剩磁而带有微弱的磁场。在原动机的带动下,这微弱的磁场产生一个不大的电流,这电流流过电磁铁则进一步增强了磁场。这是一个正反馈的过程,短短时间内,电机便开始了正常工作。

西门子的励磁电机是一种直流发电机,最初属于用于军事的高精尖设备。但永磁体的障碍突破之后,提升电机性能的道路一片平坦。更重要的在于,按照电机可逆性原理,任何一台电机能做发电机运行便能做电动机运行。西门子迅速的捡起了雅克比的梦想——将电机应用到动力领域去。要说西门子有什么好,那就是他将新技术应用到实际产品中的脚步,实在是跑得比谁都快。1879年的电力机车,1880年的电梯,1881年的有轨电车,都诞生在西门子和他的公司的实验室中。电机迅速的很多场合下取代了传统笨重的蒸汽机,电气时代的黎明到来了。

10台西门子SWT-4.0-130风力发电机将为大约8,600户芬兰家庭提供清洁能源。图片源自西门子官网。2016.1.27.

1890年,七十四岁的西门子将公司交给了弟弟和儿子,选择退休。此时已经完成统一大业的德意志帝国皇帝慷慨的授予他贵族称号。但这样的恩典相比于西门子的成就而言无足轻重。他的公司历经了一百五十年,仍然是世界上最强大的商业科技巨头。1960年10月十一届国际计量大会确定了国际通用的国际单位制,在规定导出单位时,人们用西门子的名字作为电导的单位。此时,不管是德意志第几帝国,都早已雨打风吹去。而西门子开辟的励磁电机领域,在终结了蒸汽时代百年之后,仍旧生机勃勃。

来源:知乎 www.zhihu.com

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