电力
电力,或者更确切一点来说,电磁学领域里的一整套现象,是一种非常重要的关键技术,你在重启文明的过程中,应当尽快、尽全力朝这一方向发展。电磁学的发现是一桩具有历史意义的伟大例证,证明了一个偶然发现的全新科学领域会如何向人们呈现出一系列的相关现象和开发的可能性。人们从这些前所未见的现象中,开发出了各种技术应用,而这些应用又反过来开启了基础科学研究的新途径。
人类最早生产出的电力,是稳定而持续的电流,适合用来制造电池,满足比较实用的需求。电池的制造方法简单得令人吃惊。要想生成稳定的电流,你所需要的只是把两种不同的金属浸泡在被称为电解液的导电液体或糊状物中。[2] 所有金属对电子的吸引力都是一定的,当两种不同的金属被放在一起,其中一种就会把电子让给另一种吸引力更强的金属,在连接二者的线路中形成电流。所有的电池,别管是手机、手电筒,还是起搏器里的,内部都蕴含着一种化学反应,而只有当电子流动在回路中并为我们工作时,这种反应才会发生。两种金属活泼程度的差别决定了产生的电势差,或者电压。
将银或者铜与铁或者锌等较为活泼的金属搭配,可以产生比较合理的电压。最早的电池伏打电堆建造于1800年,是将银盘和锌盘交替堆叠,盘片之间用浸满盐水的硬纸板隔开做成的。在伏打电堆被发明出来之前几千年,人们就已经知道了银、铜和铁的存在,而尽管锌较难分离,它还是存在于古代的青铜合金当中,而且在18世纪初期就有了它的单质。电线可以通过卷或者拉质地柔软的铜来制作。所以在古典时代,似乎并没有什么无法逾越的障碍在阻止人类发现电。
事实上,也许那时的人真的发现过电。
在20世纪30年代,几件有趣的人工制品在伊拉克巴格达附近的一处考古现场被挖掘出土。它们是几个大约十二厘米高的陶罐,年代为安息帝国时期(约公元前200年-约公元200年)。不过不同寻常的,是这些陶器里面的东西。每个罐内都有一根铁棒,四周围着一张被卷成圆柱形的铜皮,而且有迹象表明,罐子曾经装着醋一类的酸性液体。两种金属保持着互不接触的状态,罐口被绝缘的天然柏油封住。有人猜想这种古代遗物是电化学电池,或许曾被用来往珠宝上镀金,或者说不定令人刺痛的电流在当时被认为有医疗功能。“巴格达电池”的复制品确实成功产生了大约半伏特的电压,然而,任何有关电镀制品的证据可以说都很弱,而且对这些神秘陶罐的解读至今存在着争议。但是,假如制造它们的目的真的是提供电力——这种可能性确实是存在的——那么,它们要比伏打电堆的出现早了超过一千年。
如果把电子从负极剥离并传送到正极的化学反应是可逆的,你就能够制造出一种格外有用的物品:可充电电池。最容易从零开始制造出来的可充电电池是铅酸电池,在今天的汽车里面很普遍。每个电极都是一张铅板,浸泡在硫酸电解液中。两个电极都会与硫酸反应生成硫酸铅,但是在充电过程中,正极变成氧化铅(铅锈)而负极变成金属铅,这个过程在放电过程中恰好是可逆的。每一个这样的单元可以产生略大于二伏特的电压,因此六个这样的单元串联起来就可为你提供汽车电池[3]的十二伏特电压。
不过电池的问题在于,尽管它们是绝佳的便携动力源,驱动着我们的笔记本电脑、智能手机和其他现代装备的运行,但你无非是在开发已经存在于不同金属中的化学能(正如同燃烧一段木头不过是在碳与氧气反应时释放化学能)。你一开始需要投入大量能量精炼用于反应的金属,或者用另一个电源为可充电电池充电。电池是电力的仓库,而不是源泉。
在当代生活中我们如此依赖的电力,是以19世纪20年代以来偶然发现的一系列现象为特征的。把一个罗盘放在从电池引出的电流旁边,你会注意到指针的偏转。电线在其附近产生的磁场盖过了地磁场,因此罗盘的指针改变了方向。如果把电线紧紧缠绕在一根铁棒上,你可以最大限度地实现这一效应。电线产生的小范围磁场加和起来,形成了一个强大的电磁场。你可以用开关来启动或者关闭这个电磁场,并使用它永久性磁化别的铁块。
那么如果电流可以制造磁性,反之是否亦然呢:磁铁可不可以在电线中引发电流?确实可以。一块被来回拉动或者旋转的磁铁,甚至是一个被开启和关闭的电磁场,都会在附近的线圈里引发电流。磁场越过电线的速度越快,产生的电流越大。所以电和磁是密不可分相互交织的对称力,就像是一个名为电磁力的硬币的两面。
磁能生电这一简单的观察结果,为人类揭开了一笔巨大的当代技术财富:利用磁铁,运动本身可以被转换为电能。你不再受限于需要昂贵金属且会逐渐损耗的电池:通过在线圈内旋转一块磁铁(或者反之),你可以随意生产出电力。反过来也是可行的:电磁力可以造成运动。如果你把一块强磁铁放在电线旁边,当有电流经过时,你会注意到电线的抽动。这是电动机效应,经过些许试验,你便能搞清楚如何安排电线和磁铁(或者甚至是电磁场)来驱动快速旋转的轴。当今,电动机被用来驱动工业机械、锯木及磨面,你自己的家里就有几十个电动机:它们让真空吸尘器能够工作,还转动着洗手间里的排风扇以及播放器里的DVD碟片。无处不在但实际上根本不会被注意到的电动机极大地降低了我们的劳动强度,使我们得以享受今天轻松的生活。
利用电磁引发运动的原理,你可以制造仪器,来精确测量电流的基本属性:电流与电压分别有多大。(最早的电学家曾试图通过评估电击舌头时引起的疼痛来测量电流!)我们将在第13章里介绍,能够可靠地量化一种新的现象,是理解它并且将它应用于技术目的的关键性第一步。
电灯在我们的生活中也扮演着强有力的角色。它根据我们的需要提供照明,从根本上改变了我们的睡眠模式和工作习惯。我们的建筑和街道如今闪耀着成千上万颗小太阳。最简单的电力照明手段是弧光灯,发明于19世纪早期,由伏打电堆供电。它本质上就是两个碳电极之间持续不断的火花——一种人造的闪电。弧光灯的问题是它亮得让人无法忍受,因此不适于室内照明。尽管用电生光很简单,但是用电产生出合适的亮度却非常困难。
在电灯泡的设计中用到的物理现象很简单。利用材料的电阻,你可以用电流为一根细丝加热。材料变热之后就会自己发光——白炽光:火焰里的铁棒会呈现玫瑰红色,然后变成橙色、黄色,最终发出明亮的白光。但是魔鬼存在于细节中。如果一根碳丝或者金属在空气中发出白色的炽光,它就会迅速与氧气反应并烧光。你可以把灯丝放在密封的玻璃泡内,并用真空泵吸出所有的空气,但是炽热的材料在真空中会不断气化。在灯泡中充入低压的氮气或者氩气等惰性气体可以很好地解决这个问题,但你还是需要进行一些研发,用不同的碳化材料或者细金属丝进行试错,才能最终找到一种可靠的灯丝。
本书评论