特斯拉：电气时代的开创者

在约阿内，特斯拉很擅长数学，然而他最喜欢的课程是雅各布·波西尔（Jacob Pöschl）教授讲授的物理学。特斯拉回忆说：“波西尔教授很特别；说到他，据说他同样的外套穿了二十年。然而，他授课时的完美阐述足以弥补他在个人魅力方面的欠缺。我从未见过他用错一个词或一个手势，并且他总能如同钟表般精密地完成他的论证和实验。”⁴

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在波西尔的课堂上，特斯拉获得了一套进入电学之门的系统化方法。假设波西尔也像其他典型的19世纪电学讲师那样，那么他就多半会提供一个电学的历史概览，从古希腊人讲起，并逐步进展到直流发电机和电气照明的最新发展。为了能了解特斯拉后来在电方面的发明，让我们按照波西尔在1876年左右为特斯拉所传授的那样，回顾一下电学入门的重要主题。

虽然早在古希腊时期，人们就知道琥珀摩擦丝绸能产生静电，然而我们对电的现代理解始于17世纪后半叶和18世纪。一些研究者如亨利·卡文迪什和本杰明·富兰克林系统化地研究了静电。这些自然哲学家的研究集中在怎样让不同的物体带电，以及其所发出的火花问题。19世纪初，电气科学迅猛发展，从对静电荷的研究扩展到对当时被称为动电（或电荷如何流经导体）的研究。在路易吉·加尔瓦尼工作的基础上，亚历山德罗·伏打于1800年证明了把两种金属隔以在酸中浸泡过的纸交替放置就能产生电荷流动。伏打用金属与浸过酸的纸所做的叠层，被称为电堆，是世界上第一个电池。当化学家和哲学家们还在热烈争论是什么导致伏打电堆中产生电的时候，其他科学家已经在用它进行新的实验了。⁵

5Michael Brian Schiffer, Draw the Lightning Down: Benjamin Franklin and Electrical Technology in the Age of Enlightenment (Berkeley: University of California Press, 2003).

在这些科学家当中有汉斯·克里斯蒂安·奥斯特，他在1820年发现了电与磁之间的关系。奥斯特把一根导线接到伏打电堆，然后在导线下放了一个磁罗盘。让奥斯特惊奇的是，当他把导线与电堆连接或断开的瞬间，罗盘的指针会发生偏转。安德烈-马里·安培重复了奥斯特的实验，并且确定了是电荷流动（即电流）在与指针的磁力相互作用并使之运动。但电流、磁力与运动之间的确切关系是什么呢？

1831年，迈克尔·法拉第回答了这个问题。通过采用一个环形导线线圈和一个条形磁铁，法拉第证明了电磁感应定律。法拉第发现，如果把磁铁在环形线圈中移进移出，就能在线圈中感应或产生电流。反之，如果让电流通过线圈，磁铁也会相应地运动（图2.1）。然而，不管是为达到产生电流还是产生运动的效果，都需要把线圈与条形磁铁配置成互相垂直。事实上，感应出的电流方向是在与线圈和磁铁都垂直的第三个方向上。今天的工程师称之为右手定则（图2.2）。

法拉第进一步认识到奥斯特关于只有当打开或关闭电流的瞬间罗盘针才会偏转（而当电流稳定地通过导线时，罗盘针不会偏转）这一观测的意义。法拉第推测磁铁和电线圈各自都被一个电磁场（通常被描述为一系列力线）包围，并且当其中一个场发生改变时就能产生电流或运动。当打开或关闭奥斯特导线中的电流时，也就为导线周围的场提供或切断了能量，并且这个变化与罗盘针周围的磁场交互作用，导致指针摆动。正如我们将看到的，变化的场能感应出电流或产生运动这种认识对特斯拉的电动机工作来说是必不可少的。

19世纪中叶几十年的情况表明，很难让科学家们完全领会法拉第理论的精妙之处。然而，通过着眼于法拉第用以证明其想法的小模型，实验者和仪器制造者们迅速把握了其想法的精髓，并改装出各种各样的发电机和电动机。对于这些动手派的研究者来说，法拉第电磁感应定律可归结为：如果想建造发电机，就把导体穿过磁场，那么导体中就会感应出电流；同样地，如果想做个电动机，那么就用电流产生出可导致磁铁或导体运动的电磁场。⁶

6Michael Brian Schiffer, Power Struggles: Scientific Authority, and the Creation of Practical Electricity before Edison (Cambridge, MA: MIT Press, 2008), 49–74.

在运用法拉第发现的电磁感应时，实验者们很快为发电机和电动机增加了几个新特性。首先，为了发电，他们想利用来自手动曲柄或蒸汽机的旋转运动。反过来，他们也谋求能采用电流来产生旋转运动的电动机。其次，研究者们也开始渴望电机能产生或消耗像来自电池那样的电流，他们希望能使用拥有稳定电压的电流，也就是所谓直流电流（DC）。19世纪四五十年代，通过中断直流电流以发送信号的电报系统的快速发展可能助长了直流电的风靡。

为了同时确保这两种特性（旋转运动和直流电流），电气实验者们采用了一个换向器。在发电机和电动机中通常都有两组电磁线圈：固定的一组被称为励磁线圈或定子，而旋转的一组被称为转子。而换向器是这样一个设备，电流经由它进出转子。换向器是由伊波利特·皮克西（Hippolyte Pixii）1832年在巴黎推出的，并进而成为直流电动机和发电机中必不可少的部件（图2.3）。

如右图所示，换向器位于轴A上；轴A把磁力发电机底部的手动曲柄和齿轮组跟旋转磁铁连接起来。换向器由两个空心圆柱形金属件（M₁ 、M₂ ）和四个金属弹簧或电刷（F₁ 、F₂ 、f₁ 和f₂ ）组成。触片M₁ 和M₂ 彼此电绝缘，如图中它们之间的深黑色线所示。S代表磁力发电机顶部两个电磁铁中的电流通路，而s代表磁力发电机外部的电路。

当轴A旋转时，四个电刷沿触片的表面滑动。当马蹄形磁铁旋转时，在电路S中感应出电流并通过F₁ 和F₂ 送到换向器。电流通过电刷f₁ 和f₂ 离开磁力发电机。如果触片M₁ 和M₂ 被正确地定位在轴上，那么电刷f₁ 与f₂ 就会刚好在电路S中的电流方向发生反转的时刻通过触片之间的绝缘层。这样，换向器就能把马蹄形磁铁在电磁铁中感应出的交流电转换成直流电。//图片来源：Alfred Ritter von Urbanitzky, Electricity in the Service of Man (London, 1886), figures 213 and 214 on pp. 228–229.

要理解换向器是如何工作的，我们要依次看一下发电机和电动机的内部运作（图2.4）。根据法拉第电磁感应定律，当转子旋转并切割穿越励磁线圈所造成的磁场时，发电机中就会产生电流。如果我们只是追踪由转子线圈中的一条回路所造成的电流通路，我们可以看到，当回路向下摆动穿过磁场的时候，就会感应出向一个方向流动的电流（按照如图2.2中的右手定则所示）。同样地，当回路继续旋转，然后它会向上摆动穿过磁场并感应出向相反方向流动的电流。如果希望使用这个交流电（AC），那么只需在转子回路的两端各自连接一个滑环，这样就能引导电流离开发电机。然而，如果像许多19世纪的实验者们那样想得到直流电，那么就需要在发电机的一端收集所有流向一个方向的电流，而在另一端收集所有流向相反方向的电流。为了达到这一要求，需要在转子轴上放置一个由金属圆柱体组成的换向器，该金属圆柱体被分割为几个互相绝缘的扇形柱体（图2.5）。两个静触头或电刷靠在圆柱体的两侧并被恰当地安装定位，以确保当转子中的电流反转方向时，触片与电刷的连接也发生反转，因此发电机送出的电流总保持同一方向。

在直流电动机中，换向器几乎以同样的方式工作，不过其作用是把电流发送到转子。通过换向器，我们可以使电流流经转子线圈中的回路，并在回路周围产生一个电磁场。同时，我们也可以使电流通过电动机的励磁线圈或定子线圈从而设置另外一个电磁场。现在，如果可以使围绕转子回路的电磁场与定子线圈产生的场保持同向，那么这两个场就会互斥从而导致转子转动。（回想一下在磁铁中异极相吸，同极相斥。）然而，当回路摆到另外一边时，就需要一个向相反方向流动的电流以产生一个被定子场排斥的场。因此，为使转子连续旋转，就需要定期反转电流以确保转子线圈的不同部分始终具备适当的场从而被定子线圈所产生的场排斥。这个电流反转是由换向器提供的，在这里换向器的功能是充当一个旋转开关，把电流以适当的方向发送到转子线圈的各个部分。

我们在这里稍为深入讨论了换向器如何在直流电动机和发电机中工作的一些细节，这是因为换向器是旋转电机的关键部件。然而，换向器也曾是（并且现在仍是）直流机的阿喀琉斯之踵：它们制造复杂并往往会迅速磨损。如果触片之间电绝缘不够充分或电刷因调整不当而同时触及太多触片，换向器常常会发出火花。我们马上将会看到，特斯拉一开始就断定换向器是电机中的核心问题并着手消除之。