伏打电池的利用与电磁学的发展

1．公元前的琥珀和磁石

希腊七贤中有一位名叫泰勒斯的哲学家。公元前600年前后，泰勒斯看到当明的希腊人通过摩擦琥珀吸引羽毛，用磁钱矿石吸引铁片的现象，曾对其原因进行过一番思考。据说他的解释是：“万物皆有灵。磁吸铁，故磁有灵。”这里所说的“磁”就是磁铁矿石。

希腊人把琥珀叫做“elektron”（与英文“电”同音）。他们从波罗的海沿岸进口琥珀，用来制作手镯和首饰。当时的宝石商们也知道摩擦琥珀能吸引羽毛，不过他们认为那是神灵或者魔力的作用。

在东方，中国人民早在公元前2500年前后就已经具有天然的磁石知识。据《吕氏春秋》一书记载，中国在公元前1000年前后就已经有的指南针，他们在古代就已经用磁针来辨别方向了。

2．磁，静电

通常所说的摩擦起电，在公元前人们只知道它是一种现象。很长时间里，关于这一种现象的认识并没有进展。

而罗盘则在13世经就已经在航海中得到了应用。那时的罗盘是把加工成针形的磁铁矿石放在秸秆里，使之能浮在水面上。到了14世纪初，又制成了用绳子把磁针吊起来的航海罗盘。

这种罗盘在1492年哥伦布发现美洲新大陆以及1519年麦哲伦发现环绕地球一周的航线时发挥了重要的作用。

（1）磁，静电与吉尔伯特

英国人吉尔伯特是伊丽莎白女王的御医，他在当医生的同时，也对磁进行了研究。他总结了多年来关于磁的实验结果，于1600年出了一本取名为《论磁学》的书。书中指出地球本身就是一块大磁石，并且阐述了罗盘的磁倾角问题。

吉尔伯特还研究了摩擦琥珀吸引羽毛的现象，指出这种现象不仅存在于琥珀上，而且存在于硫磺，毛皮，陶瓷，火漆，纸，丝绸，金属，橡胶等是摩擦起电物质系列。把这个系列中的两种物质相互摩擦，系列中排在前面的物质将带正电，排在后面的物质将带负电。

那时候，主要的研究方法就是思考，而他主张真正的研究应该以实验为基础，他提出这种主张并付诸实践，在这点上，可以说吉尔伯特是近代科学研究方法的开创者。

（2）雷和静电

在公元前的中国，打雷被认为是神的行为。说是有五位司雷电的神仙，其长者称为雷祖，雷祖之下是雷公和电母。打雷就是雷公在天上敲大鼓，闪电就是电母用两面镜子把光射向下界。

到了亚里斯多德时代就已经比较科学了。认为雷的发生是由于大地上的水蒸气上升，形成雷雨云，雷雨云遇到冷空气凝缩而变成雷雨，同时伴随出现强光。

认为雷是静电而产生的是英国人沃尔，那是1708年的事。1748年，富兰克林基于同样的认识设计了避雷针。

能不能用什么办法把这种静电收集起来？这个问题很多科学家都考虑过。1746年，莱顿大学教授缪森布鲁克发明了一种存贮静电的瓶子，这就是后来很有名的“莱顿瓶”。

缪森布鲁克本来想像往瓶子里装水那样把电装进瓶子里，他首先在瓶子里灌上水，然后用一根金属丝把摩擦玻璃棒能到水里。就在他的手接触到瓶子和棒的一瞬间，他被重重地“电击”了一下。据说他曾这样说过：“就算是国王命令，我也不想再做这种可怕的实验了”。

富兰克林联想到往莱顿瓶里蓄电的事，于1752年6月做了一个把风筝放到雷雨云里去的实验。其结果，发现了雷雨云有时带正电有时带负电的现象。这个风筝实验很有名，许多科学家都很感兴趣，也跟着做。1753年7月，俄罗斯科学家利赫曼在实验中不幸遭电击身亡。

通过用各种金属进行实验，意大利帕维亚大学教授伏打证明了锌，铅，锡，铁，铜，银，金，石墨是个金属电压系列，当这个系列中的两种金属相互接触时，系列中排在前面的金属带正电，排在后面的金属带负电。他把铜和锌做为两个电极置于稀硫酸中，从而发明了伏打电池。电压的单位“伏特”就是以他的名字命名的。

19世纪初，正是法国大革命后进入拿破仑时代。拿破仑从意大利归来，在1801年把伏打召到巴黎，让他做电实验，伏打也因此获得了拿破仑授予的金质奖章和莱吉诺-多诺尔勋章。

（3）伏打电池的利用与电磁学的发展

伏打电池发明之后，各国利用这种电池进行了各种各样的实验和研究。德国进行了电解水的研究，英国化学家戴维把2000个伏打电池连在一起，进行了电弧放电实验。戴维的实验是在正负电极上安装木炭，通过调整电极间距离使之产生放电而发出强光，这就是电用于照明的开始。

1820年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯特在一篇论文中公布了他的一个发现：在与伏打电池连接了的导线旁边放一个磁针，磁针马上就发生偏转。

俄罗斯的西林格读了这篇论文，他把线圈和磁针组合在一起，发明了电报机（1831年），这可说是电报的开始。

其后，法国的安培发现了关于电流周围产生的磁场方向问题的安培定律（1820年），法拉第发现了划时代的电磁感应现象（1831年），电磁学得到了飞速发展。

另一方面，关于电路的研究也在发展。欧姆发现了关于电阻的欧姆定律（1826年），基尔霍夫发现了关于电路网络的定律（1849年），从而确立了电工学。

3．有线通信的历史

有人说科学技术是由于军事方面的需要而发展起来的，这种说法有一定的历史事实根据。

英国害怕拿破仑进攻，曾用桁架式通信机向自己的部队进报法国军队的动向。瑞典，德国，俄罗斯等国家也以军事为目的，架设了由这类通信机组成的通信网，据说都曾投入了庞大的预算。

将这种通信机改造成电通信方式的构想大概就是有线通信的开始。

(1）有线通信的原理

除了将前面所讲到的西林所发明的电磁式电报机以外，还有德国的简梅林发明的电化学式电报机，高斯和韦伯（德国）的电报机，库克和惠斯能（英国）的5针式电报机等。电报机的形式也是各种各样的，有音响式，印刷式，指针式，钟铃式等。其中，库克和惠斯通的5针式电报机最为有名。1837年，这种电报机曾通过架设在伦敦与西德雷顿之间长达20公里的5根电线而投入实际使用。

（2）莫尔斯电报机

1837年，莫尔斯电报机在美国研制成功，发明人就是以莫尔斯电码而闻名的莫尔斯。莫尔斯电码是一种以点，划来编码的信号。

莫尔斯本来是想当一名画家，他为此在伦敦留学。1815年，他在回美国的船上听了波士顿大学教授杰克逊关于电报的一席谈话，萌发了莫尔斯电码和电报机的构想。为了铺设电报线，莫尔斯成立了电磁-电报公司，并于1846年在纽约-波士顿，费城-匹兹堡，多伦多-布法罗-纽约之间开通了电报业务。

莫尔斯的事业获得了极大成功，于是就在美国各地创办电报公司，电报业务逐渐扩大起来。

1846年，莫尔斯电报机装上了音响收报机，使用也更加方便。

（3）电话和交换机

1876年2月14日，美国的两位发明家贝尔和格雷分别递交了电话机专利的申请，贝尔的申请书比格雷的申请书早两个小时到达，因而贝尔得到了专利权。

1878年，贝尔成立了电话公司，制造电话机，全力发展电话事业。

从发展电话业务开始，交换机就担负着重要的任务。1877年前后的交换机称为传票式交换机，话务员收到通话请求，很把传票交给另一位话务员。

其后，经过反复改进，开发出了框图式交换机，进而又开发出了自动交换方式（1879年）。

1891年，史端乔式自动交换机研制成功。至此，自动交换的愿望就算实现了。之后研究仍在继续，又经过了几个阶段才达到现在的电子交换机。

（4）海底通信电缆

陆上通信网日渐完备，人们开始考虑在海底敷设通信电缆来实现跨海国家之间的通信。1840年前后，惠斯通就已经考虑到了海底电缆的问题。

海底电缆有很多问题需要解决，电缆的机械强度，绝缘及敷设方法都陆上电缆不同。

1845年，英吉利海峡海底电报公司成立，开始了从英国到加拿大并跨过多佛尔海峡到达法国的海底电缆敷设工程。

海底电缆敷设中碰到了电缆断裂等大难题，但敷设诲底电缆是时代的要求，各国都为此投稿了力量。

1851年，最早的加来-多佛尔海底电缆敷设完毕，成功地实现了通信。以此为契机，欧洲周边和美洲东部周边也敷设了许多电缆。

现在，世界上的大海里遍布着电缆，供通信使用。

4．无线通信的历史

世界上任何一个地区的信息都能显示在电视机上，这种方便是电波带给我们的。

最早的电波实验是德国的赫兹在1888年进行的。通过实验，赫兹弄清了电波和光一样，具有直线传播，反射和折射现象。

频率的单位赫兹就是来自他的名字。

（1）马可尼的无线电装置

在杂志上读到过赫兹实验文章的意大利人马可尼，在1895年研制出了最早的无线电装置，利用这一装置在相隔大约3公里远的距离之间进行了莫尔斯电码通信实验。他想到了要把无线通信企业化，就成立了一个无线电报与信号公司。

尽管马可尼在无线通信领域获得了诸多成功，但由于与海底电缆公司的利益相冲突，他想在纽芬兰设立无线电报局的事遭到了反对，马可尼的反对者还不在少数。

（2）高频波的产生

要实现无线通信，首先要产生稳定的高频电磁波。

达德尔采用由线圈和电容器构成的电路产生出了高频信号，但频率还不到50KHZ，电流也只有2~3A，比较小。

1903年，荷兰的包鲁森利用酒精蒸气电弧放电产生出了1MHZ的高频波，彼得森又对其进行了改进，制成了输出功率达到1KW的装置。

其后，德国设计出了机械式高频发生装置，美国的斯特拉和费森登，德国的戈尔德施米特等人开发出了用高频交流机产生高频波的方法等，很多科学家和工程师都曾致力于高频波发生器的研究。

（3）无线电话

如果传送的不是莫尔斯信号而是人的语言，那就需要有运载有信号的载波。载波必须是高频波。

1906年，美国通用电气（GE）公司的亚历山德森制成了80KHZ的高频信号发生装置，首次成功地进行了无线电话的实验。

用无线电话传送语音，并且要收听它，这就需要有用于发送的高频信号发生装置和用于接收的检波器。费森登设计了一种多差式接收装置，并于1913年试验成功。

达德尔设计出了以包鲁森电弧发送器为发送装置，以电解检波器为接收装置的受话器方式。在当时，由于都是采用火花振荡器，所以噪声很大，实验阶段可说是成功了，但离实用化还很远。

要想使产生的电波稳定，接收到的噪声小，还得等待电子管的出现。

（4）二极管和三极管

1983年，爱迪生发现从电灯泡的热丝上飞溅出来的电子把灯泡的一部分都熏黑了，这种现象被称为爱迪生效应。

1904年，弗莱明从爱迪生效应得到启发，造出二极管，用它来进行检波。

1907年，美国的D。福雷斯特在二极管的阳极和阴极之间又加了一个叫做栅极的电极，发明了三极管。

这种三极管既可以用于放大信号电压，也可以配以适当的反馈电路产生稳定的高频信号，可说是一个划时代的电路元件。

三极管经过进一步的改进，能够产生短波，超短波等高频信号。此外，三极管具有能控制电子流的功能，随后出现的阴极射线管和示波器与此有密切的关系。

5．电池的历史

1790年，伽伐尼根据解剖青蛙实验提出了“动物电”，以此为开端，伏打发现了两种金属接触就有电产生的规律，可以说这就是电池的起源。

1799年，伏打在铜和锌之间夹入一层浸透盐水的纸，再把它们一层一层地迭起来，制成了“伏打电堆”。“电堆”的意思就是指把许多单个电池单元高高地堆在一起。

（1） 一次电池

一次电池放完电后不能再用的电池称为一次电池。伏打对伏电电堆做了改进，制成了伏打电池。

1836年，英国人丹尼尔在陶瓷桶里放入阳极和氧化剂，制成了丹尼尔电池。与伏打电池相比，丹尼尔电池能长时间提供电流。

1868年，法国的勒克朗谢公布了勒克朗谢电池，1885年（明治18年）日本的尾井先藏发明了尾井乾电池。尾井乾电池是一种把电解液吸附在海绵里的特殊电池，具有搬运方便的特点。

1917年，法国的费里发明了空气电池，1940年，美国的鲁宾发明了水银电池。

（2）二次电池

放完电还可以充电再用的电池称为二次电池。1859年，法国的普朗泰发明了能够反复充电使用的铅蓄电池，其结构是稀硫酸中装有铅电极，这是最早的二次电池。现在，汽车里使用的就是这种类型的电池。

1897年（明治30年），日本的岛津源藏开发出了具有10A*H容量的铅蓄电池，并把他本人名字GENZO SIMAZU的字头GS作为商品名称，取名为GS电池投放市场。

1899年，瑞典的容纳制成了容纳电池，1905年爱迪生制成了爱迪生电池。这些电池的电解液都用的是氢氧化钾，后来就被称为碱性电池。

1948年，美国的纽曼发明了镍镉电池。这是一种能充电的乾电池，是具有划时代意义的电池。

（3）燃料电池

1939年，英国人格罗夫发现氧和氢的反应中有电能产生，并由实验证明了燃料电池的可能性。也就是说，电解水的时候消耗了电能而生成了氧和氢，反过来，从外部给阳极一侧送入氧，给阴极一侧送入氢，就能够产生电能和水。

格罗夫当时只是做了实验，并未实用化。1958年，剑桥大学（英国）制成了5KW的燃料电池。

1965年，美国GE公司成功地开发出了燃料电池，这个电池就安装在1965年的载人飞船双子星5号上，用于供给宇航员饮用水的飞船电能。1969年登上月球的阿波罗11号飞船上的电源也使用了燃料电池作为飞船内电源。

（4）太阳能电池

1873年，德国人西门子发明了用硒和铂丝制成的光电池。现在照相机曝光表上所用的就是这种硒光电池。

1945年，美国的夏品发明了硅太阳能电池，这是一种当太阳光或灯光照到其PN结上时能产生电能的元件，广泛用于人造卫星，太阳能汽车，钟表，台式计算器等。提高这种元件转换效率的研究与开发工作仍在进行中。

6．照明的历史

18世纪60年代由英国兴起的产业革命使工厂进入了连续加工，批量生产的时代，夜间照明成了重要问题。

前面已经讲过，英国人戴维1815年曾做过用2000个伏打电池产生电弧的有名实验。

（1）白炽灯泡

1860年，英国人斯旺把棉线碳化后做成灯丝装入玻璃泡里，发明了碳丝灯泡。

然而，由于当时的真空技术不高，点灯时间不能过长，时间一长，灯丝就会在灯泡里氧化而烧掉。

斯旺所想到的白炽灯泡的原理是现在的白织灯的起源。随着灯丝研究和真空技术的进步，白炽灯最终达到了实用化。从这点不说，斯旺的发明是一项大发明。

1865年，施普伦格尔为研究真空现象而开发出水银真空泵。斯旺知道这件事后，就在1878年把玻壳内的真空度提高，又在灯丝上下了一番功夫。他先把棉线用硫酸处理，然后再碳化，最后，他公布了斯旺灯泡。斯旺的白炽灯泡曾在巴黎万国博览会上展出。

1879年，美国的爱迪生成功地把白炽灯泡的寿命延长到了40小时以上。1880年，爱迪生发现竹子是做白炽灯灯丝的优良材料，就把日本，中国，印度的竹子收集起来反复进行实验。

爱迪生把部下穆尔派到日本，在京都的八幡寻找优质竹子，若乾年后，用八幡竹子制造出了灯丝。为了制造这种竹灯丝的灯泡，1882年他在伦敦和纽约成立了爱迪生电灯公司。

在日本，1886年（明治19年）东京电灯公司成立，明治22年起，一般的家庭开始用上了白治灯泡。

1910年，美国的库利厅用钨丝做灯丝，发明了钨丝灯泡。

1913年，美国的兰米尔在玻壳里充入气体以防止灯丝蒸发，发明了充气钨丝灯泡。

1925年，日本的不破橘三发明了内壁磨砂灯泡。

1932年，日本的三浦顺一发明了双螺旋钨丝灯泡。

正是由于上述的不断探索，今天我们才能享受白炽灯照明的日常生活，想起来真是漫漫长路啊。

（2）放电灯

1902年，美国的休伊兹特在玻壳内装入水银蒸气，发明了弧光放电汞灯。由于这种汞灯在汞蒸气的气压较低时发出了紫外线较多，所以常作为杀菌灯使用。而当水银气压较高时，可发出很强的可见光。

现在广泛用于广场照明和道路照明的高压汞灯所发出的光是一种混合光，混合光包括水银电弧放电的光和紫外线照到涂敷在玻壳内壁的荧光材料上所发出的光。

1932年，荷兰菲利浦公司开发出了波长为590nm单色的钠灯，这种灯广泛用于公路的隧道照明。

1938年，美国的英曼发明了现在广泛使用的荧光灯。这种灯通过用水银电弧放电发出的紫外线照射涂敷在灯管内壁的不同荧光粉而发出不同颜色的光。通常，白色荧光灯用得最多。

7．电力设备的历史

可以说，1820年奥斯特所发现的电磁作用就是电动机的起源。

而1831年法拉第所发现的电磁感应就是发电机的变压器的起源。

（1）发电机

1832年，法国人毕克西发明了手摇式直流发电机，其原理是通过转动永磁体使磁通发生变化而在线圈中产生感应电动势，并把这种电动势以直流电压形式输出。

1866年，德国的西门子发明了自励式直流发电机。

1869年，比利时的格拉姆制成了环形电枢，发明了环形电枢发电机。这种发电机是用水力来转动发电机转子的，经过反复改进，于1847年得到了3。2KW的输出功率。

1882年，美国的戈登制造出了输出功率447KW，高3米，重22吨的两相式巨型发电机。

美国的特斯拉在爱迪生公司的时候就决心开发交流电机，但由于爱迪生坚持只搞直流方式，因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。

1896年，特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运，3750KW，5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。

1889年，西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂，1892年成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德。

（2）电动机

1834年，俄罗斯的雅可比试制出了由电磁铁构成的直流电动机。1838年，这种电动机开动了一艘船，电动机电源用了320个电池。此外，美国的文波特和英国的戴比德逊也造出了直流电动机（1836年），用作印刷机的动力设备。由于这些电动机都以电池作为电源，所以未能广泛普及。

1887年，前面所讲过的特斯拉两相电动机作为实用化感应电动机的发展计划开始启动。1897年，西屋公司制成了感应电动机，设立专业公司致力于电动机的普及。

（3）变压器

发电端在向外输送交流电的时候，要先把交流电压升高，到了用电端，又得把送来的交流电压降低。因此，变压器是必不可少的。

1831年，法拉第发现磁可以感应生成电，这就是变压器诞生的基础。

1882年，英国的吉布斯获得了“照明与动力用配电方式”专利，其内容就是将变压器用于配电，当时所用的变压器是磁路开放式变压器。

西屋引进了吉布斯的变压器，经过研究，于1885年开发出了实用的变压器。

此外，在此前一年的1884年，英国的霍普金森制成了闭合磁路式变压器。

（4）电力设备和三相交流技术

两相交流电是用四根电线输电的技术。德国的多勃罗沃尔斯基在绕组上想出了窍门，从绕组上每隔120度的三个地方引出抽头，得到了三相交流电。1889年，利用这种三相交流电的旋转磁场，制成了功率为100W的最早的三相交流电动机。

同年，多勃罗沃尔斯基又开发出了三相四线制交流接线方式，并在1891年的法兰克福输电实验（150VA三相变压器）中获得了圆满成功。

8．电子电路元器件的历史

当代，是包括计算机在内的电子学繁荣昌盛的时代，其背景与电子电路元器件由电子管-晶体管=集成电路的不断发展有着密切的关系。

（1）电子管

电子管是沿着二极管-三极管-四极管-五极管的顺序发明出来的。

二极管：前面曾经讲过，爱迪生发现了电灯泡灯丝发射电子的“爱迪生效应”。1904年，英国人弗莱明受到“爱迪生效应”的启发，发明了二极管。

三极管：1907年，美国的福雷斯特发明了三极管。当时，真空技术尚不成熟，三极管的制造水平也不高。但在反复改进的过程中，人们懂得了三极管具有放大作用，终于拉开了电子学的帷幕。

振荡器也从上面所讲过的马可尼火花装置发展为三极管振荡器。三极管有三个电极，阳极，阴极和设置在二者之间的控制栅极，这个控制栅极是用来控制阴极所发射的电子流的。

四极管：1915年，英国的朗德在三极管的控制栅极与阳极之间又加了一个电极，称为帘栅极，其作用是解决三极管中流向阳极的电子流中有一部分会流到控制栅极上去的问题。

五极管：1927年，德国的约布斯特在阳极与帘栅极之间又加了一个电极，发明了五极管。新加的电极被称为抑制栅。加入这个电极的原因是：在四极管中，电子流撞到阳极上时阳极会产生二次电子发射，抑制栅就是为抑制这种二次电子发射而设置的。

此外，1934年美国的汤绿森通过对电子管进行小型化改进，发明了适用于超短波的橡实管。

管壳不用玻璃而采用金属的ST管发明于1937年，经小型化后的MT管发明于1939年。

（2）晶体管

半导体器件大致分为晶体管和集成电路（IC）两大部分。第二次世界大战后，由于半导体技术的进步，电子学得到了令人瞩目的发展。

晶体管是美国贝尔实验室的肖克莱，巴丁，布拉特在1948年发明的。

这种晶体管的结构是使两根金属丝与低掺杂锗半导体表面接触，称为接触型晶体管。

1949年，开发出了结型晶体管，在实用化方面前进了一大步。

1956年开发出了制造P型和N型半导体的扩散法。它是在高温下将杂质原子渗透到半导体表层的一种方法。1960年开发出了外延生长法并制成了外延平面型晶体管。外延生长法是把硅晶体放在氢气和卤化物气体中来制造半导体的一种方法。

有了半导体技术的这些发展，随之就诞生了集成电路。

（3）集成电路

大约在1956年，英国的达马就从晶体管原理预想到了集成电路的出现。

1958年美国提出了用半导体制造全部电路元器件，实现集成电路化的方案。

1961年，得克萨斯仪器公司开始批量生产集成电路。

集成电路并不是用一个一个电路元器件连接成的电路，而是把具有某种功能的电路“埋”在半导体晶体里的一个器件。它易于小型化和减少引线端，所以具有可靠性高的优点。

集成电路的集成度在逐年增加。元件数在100个以下的小规模集成电路，100~1000个的中规模集成电路，1000~100000个大规模集成电路，以及100000个以上的超大规模集成电路，都已依次开发出来，并在各种装置中获得了广泛应用。