世界现代前期科技史-第4章
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年，林德伯格驾驶飞机从纽约直飞巴黎。此后，航空事业才获得大发展。内
燃机在船舶制造中的应用，使航海事业出现了新的景象。1903年，第一艘内
燃机轮船建造成功；1908年，柴油机成为潜水艇的动力机；1912年，第一艘
柴油机驱动的远洋货轮下水。此外，1910年，拖拉机开始大批生产，使农业
迈进机械化的新里程。1913年，以柴油机为动力的内燃机车投入运行，揭开
了铁路运输史的灿烂篇章。
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三、第二次动力革命——电力的发展和应用
电，当人类感知到它的存在的时候，便以极大的好奇心展开了对电现象
的观察与研究。电学，当其开始时仅仅是在静电学的范围内徘徊，而在 18
世纪的最后一年，意大利人伏打（1745—1827）发明了伏打电堆，使化学能
转化为电能，电学才迈出了静电学的狭小区域。因此，伏打电堆可称为电学
转变的一个重要标志。进入19世纪之后，电化学和电磁学的研究一度取得了
惊人的成就，但随后又陷入了停滞不前的境地。恰在此时，英国人法拉第（1791
—1867）开始了“转磁为电”的研究。1831年8月29日，法拉第成功地进
行了“电磁感应”的实验，10月底又创制了第一部感应发电机的模型。真可
谓一发而不可收，从此，电的研究和应用迅速发展起来，电作为一种新的强
大的能源开始在人类的生产、生活中发挥着日益巨大的作用。
1。电力技术的发展
（1）发电机、电动机的革新和应用
在生产需要的直接推动下，具有实用价值的发电机和电动机相继问世，
并在应用户不断得到改进和完善。初始阶段的发电机是永磁式发电机，即用
永久磁铁作为场磁铁。由于永久磁铁本身磁场强度有限，因而永磁式电机不
能提供强大的电力，故缺乏实用性。要增大发电机的输出功率，使其达到实
用要求，就要对发电机的各个组成部分进行改造。发电机的主要部件是场磁
铁、电枢、集电环和电刷。首先用电磁铁取代永久磁铁取得了极大成功。1845
年，英国物理学家惠斯通 （1802—1875）通过外加电源给线圈励磁，又改进
了电枢绕组，从而制成了第一台电磁铁发电机。1866年德国科学家西门子
（1816—1892）制成了第一台使用电磁铁的自激式发电机。西门子发电机的
成功标志着建造大容量电机，从而获得强大电力，在技术上已经取得突破。
因此，西门子发电机在电学发展史上具有划时代的意义。
自激原理的发现是永磁式发电机向励磁式发电机发展的关键环节。自激
是指直流发电机利用本身感应的电功率的一部分去激发场磁铁，从而形成电
磁铁。在发电机的改进过程中，磁场的变化经历了从永磁到励磁；而电流励
磁又经历了从他激到自激；自激又经历了从串激到并激，再到复激的发展过
程。因此直流电机按其励磁方法的不同又可分为他激和自激两类，而自激电
机又包括了串激、并激和复激三种形式。
1870年比利时人格拉姆（1826—1901）依靠瓦利所提出的原理，并采用
了意大利人帕契诺蒂（1841—1912）1865年发明的齿状电枢结构，创造了环
形无槽闭合电枢绕组，制成了环形电枢自激直流发电机。1873年，德国电气
工程师赫夫纳·阿尔特涅克 （1845—1904）对直流电机的电枢又作了改进，
研制成功鼓状电枢自激直流发电机。他吸取了格拉姆和帕契诺蒂电机转子的
优点，简化了制造方法，因而大大提高了发电机的效率，降低了发电机的生
产成本，使发电机进入到实用阶段。至此，直流发电机的基本结构已达到定
型化。1880年，美国的爱迪生（1847—1931）制造出了名为“巨象机”的大
型直流发电机，并于1881年在巴黎博览会上展出。
与此同时，电动机的研制工作也在进行之中。19世纪初叶，在法拉第制
出电动机模型后不久，美国的一位机械工人达文波特（1802—1851）在1836
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年用电动机带动木工旋床，1840年又带动报纸印刷机。1834年俄国物理学家
雅可比 （1801—1874）发明了功率为15瓦的棒状铁心电动机，1839年他在
涅瓦河上作了用电动机驱动船舶的实验。可以说发电机和电动机是同一种机
器的两种不同的功能，用其作为电流输出装置就是发电机，用其作为动力供
给装置就是电动机（又称马达）。电机的这一可逆原理偶然在1873年获得证
明。是年，在维也纳的工业展览会上，由于一位工人的操作失误，竟把一对
电线错接到一台正在运行的格拉姆发电机上，结果发现这台发电机的转子改
变了方向，迅即向相反的方向转动，变成了一台电动机。在此以前，电动机
和发电机是各自独立发展的。从此以后，人们认识到直流电机既可作发电机
运行，也可作电动机运行的可逆现象，这意外之发现，对电机的设计制造产
生了深刻的影响。
随着发电，供电技术的发展，电机的设计和制造也日趋完善和先进。1878
年产生了铁心开槽法，把绕组的直线放入槽内，以加强绕组的稳固和减少导
线内部的涡流损耗。那时出现的有槽铁心和鼓形绕组的结构一直沿用至今。
1880年爱迪生提出了薄片叠集铁心法，马克西提出铁心径向通风道原理解决
了铁心的散热问题。1882年韦斯通提出了双层电枢绕组。1883年克莱格提出
了叠片磁极。1884年曼奇斯发明补偿绕组和换向极。1885年福勃斯提出用炭
粉末制造电刷。1886年霍普金生兄弟确立了磁路计算方法。1891年阿诺德建
立了直流电枢绕组的理论。到19世纪90年代，直流电机已具有了现代直流
电机的一切结构的特点。
在资本主义迅速发展，商品竞争日益加剧的形势下，新技术的采用往往
成为维持生计，藉以发展和出奇制胜的武器。19世纪后期电动机的使用已相
当普遍。电锯、车床、起重机、压缩机、岩石钻等都已由电动机带动。甚至
电磨、牙医电钻、家用吸尘器等也都用上了电动机。
尽管直流电机已被广泛使用，并在应用中产生了可观的经济效益，但其
自身的缺点却制约了它的进一步发展。这就是它不能解决远距离输电，也不
能解决电压高低的变换问题。这时，人们想到了曾被冷落的交流电。恰好交
流电有解决这两个问题的本事，于是交流电机适逢其时获得了迅速发展。在
此期间两相电动机和三相电动机相继问世。1878年俄国科学家亚布洛契可夫
制成了一部多相交流发电机。1885年意大利物理学家加利莱奥·费拉里斯
（1841—1897）提出了旋转磁场原理，并研制出了二相异步电动机模型。1886
年美国的尼古拉·特斯拉也独立地研制出二相异步电动机。起初他们是把几
个线圈按幅射状排成一圈，接通交流电，各个线圈中的交流电的频率相同，
但其电压值和电流值有相移，于是，在线圈之间的空间就形成了旋转磁场，
磁场带动金属使之产生旋转运动。据此他们研制成功两相异步电动机。俄国
工程师多里沃—多勃罗沃尔斯基（1862—1919）于1889年研制成第一台实用
的三相交流单鼠笼异步电动机，并发明第一台双鼠笼三相异步电动机。交流
电机的研制和发展，特别是三相交流电机的研制成功为远距离输电创造了条
件，同时把电工技术提高到一个新的阶段。
（2）早期电站的建立及输电技术的发展
电机制造技术的发展和电能应用范围的扩大以及生产对电需要的迅速增
长，都大大促进了发电厂和发电站的建设。这些电厂、电站最初都是从直流
发电开始的。1875年法国巴黎火车站建立了世界最早的一座火力发电厂。
1882年，“爱迪生电气照明公司”首先建成了电力站和电力网，能发电900
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马力，可供7200个灯泡用电。1883年，美国纽约和英国伦敦等大城市先后
建成中心发电厂。1882年，美国兴建第一座水力发电站，之后水力发电逐步
发展起来。到1898年，纽约又建立了容量为3万千瓦的火力发电站，用87
台锅炉推动12台大型蒸汽机为发电机提供动力。
直流电站的供电范围十分有限，从最初只能供应一栋房子或一条街道的
“住户式”发电站逐步扩大到可供应几平方公里内用户用电的中心电站。但
再扩大供电范围，直流电站已力不胜任了，于是代之而起的是交流电站的建
立。
1885年英国工程师菲尔安基设计的第一座交流单相发电站建成发电。这
座电站建在距伦敦12公里的捷伯特弗尔得，发电机功率为1000千瓦，电压
高达2500伏，经变压后升高到1万伏向伦敦输送，经过几次变压输入用户时
为100伏。1888年由费朗蒂（1864—1930）设计，建设在泰晤士河畔的伦敦
大型交流发电站开始输电，其输出电压高达10000伏，经两级变压输送到用
户。1894年俄罗斯建成了当时最大的单相交流发电站，其功率为800千瓦，
由四台蒸汽机提供动力发电。1892年法国建成了第一座三相交流发电站。把
交流电站的发展向前推进了一步。随后，美国于1893年建成了第一座三相交
流发电站，并于1895年建成了尼亚加拉5000马力的交流水电站。
当电这种新的能源刚刚来到世界的时候，它的主要作用是作为照明的光
源。把电发出来再把它输送给用户，当然输送的距离越远，经济价值越大，
在远距离输电方面，直流电首先进行了尝试。第一条直流输电线路在 1873
年出现，长度仅有2公里。而世界第一条远距离直流输电实验线路是由法国
人建立的。1882年法国物理学家和电气工程师德普勒（1843—1918）由德国
葛依吉工厂资助在慕尼黑国际博览会上展出了一条实验高压直流输电线路，
把米斯巴赫一台容量为3马力的水轮发电机发出的电能，输送到相距57公里
的慕尼黑，驱动博览会上的一台水泵造成了一个人工喷泉。这一成功表现出
电力的巨大潜力，证明了远距离输电的可能性。在这次实验中，线路始端电
压为1343伏，末端降至850伏，输送功率不到200瓦，线损达78％，说明
效率较低。在直流输电的发展过程中，经过技术改进曾一度达到甚为可观的
水平。直流电机能发出电压高达57。6千伏，功率4650千瓦的电，输送距离
达到180公里。但这种势头很快达到了技术上的极限，难以再取得新的进展。
从焦耳—楞次定律可知，输送相同容量的电能，电压愈高热损耗就愈小。要
加长输电距离，增大输电容量，而又减少输电损失，最为有效的办法就是提
高输电电压。由于当时的直流输电只能靠发电机的电压把电力输送给用户，
因此，若使直流电大幅度地升压或降压在当时是难以想象的。而用户的电压
一般又要求在250伏以下。直接使用高压既不安全也不经济。在这种情况下，
交流输电显示了其优越性，因而导致了交流高压输电方式的发展。
交流输电技术最早获得成功的是俄国的亚布洛契可夫。他在1876至1878
年试验成功了单相交流输电技术。1880年前后，英国的费朗蒂改进了交流发
电机，并力主采用交流高压输电方式。1882年英国的高登制造了大型二相交
流发电机。1882年法国人高兰德（1850—1888）和英国人约翰·吉布斯获得
了“照明和动力用电分配办法”的专利，并研制成功了第一台具有实用价值
的变压器。可以说，它是交流输配电系统中的主要设备或心脏部分。变压器
的基本结构是铁心和绕组，以及油箱和绝缘套管等部件。它所依据的工作原
理是法拉第在1831年发现的互感现象，即由于一个电路中电流变化，而在邻
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近另一电路中引起感生电动势的现象。在同一铁心上绕上原线圈和副线圈，
如在原线圈中通入交变电流，由于电流的不断变化，而使其产生的磁场也随
之不断变化，在副线圈中也就感应出电动势来。变压器靠这一工作原理，把
发电机输出的电压升高，而在用户那里又把电压降低。有了变压器可以说就
具备了高压交流输电的基本条件。1884年英国人埃德瓦德、霍普金生（1859
—1922）又发明了具有封闭磁路的变压器。1885年，威斯汀豪斯（1846—
1914）对高拉德和吉布斯变压器的结构又进行了改进，使之成为一台具有现
代性能的变压器。1891年布洛在瑞士制造出高压油浸变压器，后又研制出巨
型高压变压器。由于变压器的不断改进，使远距离高压交流输电取得了长足
的进步。
在采用直流输电还是交流输电的问题上曾产生过一场争论。当时在美国
电气界最负盛名的大发明家爱迪生和对电气化作出了重要贡献的著名英国物
理学家威廉·汤姆生（即开尔文勋爵）以及罗克斯·克隆普顿（1845—1940）
等人都极力反对使用交流输电，主张发展直流输电方式；而英国的费朗蒂、
高登等人和美国的威斯汀豪斯、特斯拉（1857—1943）、斯普拉戈（1857—
1934）等人则力主采用交流输电。随着输电技术的发展，交流电很快取代了
直流电。这场关于交、直流输电方式的争论，最终以力主交流输电派的取胜
而告结束。
远距离输电问题的根本解决是三相交流理论的形成与技术发明的结果。
1887—1891年德国电机制造公司取得了三相交流技术的成功。其主要发明者
是在德国、瑞士工作的俄国电工学家多里沃—多勃罗沃尔斯基。他在 1889
年制成最早的一台功率为100瓦的三相交流异步发电机。1891年又制成了75
千瓦的三相交流异步电动机和150千伏安的三相变压器。是他，在电能应用
中首次采用了三相制。1891年，多里沃—多勃罗沃尔斯基在德国法兰克福的
电气技术博览会上，成功地进行了远距离三相交流输电实验。他将180公里
外三相交流发电机发出的电能用8500伏的高压送电，输电效率达到75％，
在当时的条件下，如此高的传输效率是直流输电所不能办到的。从此，高压
交流输电的有效性和优越性得到了公认。由于交流输电的发展和成功，美国
当时正在准备建设的尼亚加拉水电站最终决定采用三相交流输电系统。威斯
汀豪斯为其公司争得了这座水电站的承建合同，从 1891年开始建设，1895
年建成，1896年投入运行。这座发电站的总容量近10万千瓦。它将发出的
5000伏电压的电用变压器升至11000伏，输送到距离40公里的巴法罗市。
电力的作用已不仅仅
