电的科学史
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你好,本期音频我来为您介绍的这本书名字叫做《电的科学史》说起电,我们肯定都再熟悉不过了从某种意义上来说正是电成就了今天的人类文明

那为什么这么说呢第二次工业革命以来人类逐渐掌握了电能核能风能太阳能等等能源形式这些更先进的能源带给了人类更大的生产力驱动着人类文明大幅进步

但你发现了吗不管是核能太阳能还是其他的能源基本都要先转化成电能才能被用户使用你看电早就已经深入到社会的每一个角落为人的生产生活提供动力所以我们才说正是电成就了今天的人类文明不过人类的认知往往有一个特点那就是如果对一个东西太熟悉的话就很容易忽视这个东西的存在和由来

电就是这样,我们天天都要用到电,但是你真的想过吗?电是怎么来的呢?今天为您讲解的这本《电的科学史》,也就为我们提供了一个认识电的窗口,它梳理了人类与电结缘的两百多年历史,而且还回答了一个特别本质的问题,为什么说电的科学史就是科学技术进步史的一个典型缩影呢?为什么说电的科学史就是科学技术进步史的一个典型缩影呢?

我们都知道科学技术的进步不会是一帆风顺的进步的过程当中经常伴随着各种困难但这些困难往往也标志着科技进步的转折点一旦克服就会有巨大的突破电的科学史也是这样人们对电的无知对直流电 九流电的争论对环境的担忧等等都一直左右着人对电的认识和应用但

每当人们克服这些困难之后电就能获得更好的为人类服务的能力这其实就是科技进步的一个特别经典的路径这本书全书都在讲电作者自然也对电知根知底本书的作者是美国学者克雷格·罗奇

他既是一位有着 40 多年从业经验的电力行业专家同时也是一家专门从事电力天然气业务的咨询公司的总裁一辈子都在和电打交道那么接下来呢我就结合作者的思路通过三个问题来带你回顾电的科学史

第一从恐惧到熟悉人类是如何逐渐的认识电的第二从探索到推广人类是如何大规模应用电的第三从索取到反思人类在未来应该如何更好的使用电

我们先来看第一个问题从恐惧到熟悉人类是如何逐渐认识电的要讲电的科学史还是让我们从认识电开始讲起如果我问啊在你眼里电是什么有什么特点呢你可能啊有很多的答案比如电是一种能源电能产生静电力电也很危险这些在今天看来都是常识了但以前的人们啊可不是这么想的

直到 18 世纪因为闪电的强大破坏力电在很多人的眼里还是一种特别神秘可怕的东西比如

比如他们会认为电是上帝对人类的惩罚,是地球毁灭的象征,对当时的很多人来说,别说使用电了,光想想就够害怕的。那普通人是这样,科学家们呢,也好不到哪去,很多科学家对电的认识也都是迷迷糊糊的。在 18 世纪中叶,科学巨人牛顿的理论仍然统治着学界。

牛顿提出的万有引力定律解释了物体与物体之间的引力作用所以当时主流学界也都普遍觉得由电产生的静电力也应该用万有引力来解释

可问题就出在这儿,我们都知道引力是相互吸引的力,但是由电产生的静电力既可以是吸引力又可以是排斥力,带有同样电荷的物体相斥,带有异性电荷的物体相吸。所以用万有引力定律来解释静电力就说不通了,于是当时的主流科学家们就钻进了这个死牛角尖里。

打破了当时思维禁锢的是美国科学家本杰明弗兰克林他提出了一种全新的电学理论人们对电的认识才算有了真正的进步一听弗兰克林这个名字你可能就想到了那个著名的风筝实验他冒着被雷击中的风险在雨天放风筝想要把雷给引下来通过这个实验

他证明了闪电和摩擦产生的静电本质上都是电的一种形式帮人们进一步的认识了电但其实啊富兰克林的最大贡献啊并不是这个那

那它的最大的贡献啊是没有升班硬套牛顿的万有引力的理论而是通过实验观察和思考总结出了一套新的理论这套理论提出了电流体的概念认为物质都带有一定数量的电流体正常状态下物体带有电流体的数量是特定的这时候既不会吸引也不会排斥其他的物体但如果物体当中的电流体数量变少了那这个物体

物体啊就带负电反之就带正电带有不同电的物体会相互吸引带有相同电的物体会相互排斥听到这儿啊你是不是觉得这个理论很熟悉啊没错虽然富兰克林的理论还不够成熟比如他没有意识到电流体的本质就是我们现在说的电荷

但他的理论已经有了现代电学理论的雏形尤其是同性相斥异性相吸的思想证明他已经看到了电的本质所以作者认为是富兰克林帮助人类迈出了认识电的第一步你可别小看这一步其实对于科学进步来说这第一步

这一步往往就是最难迈出的因为人们普遍有着强大的思维惯性这种惯性常常会阻碍我们认识新的事物比如一个很有趣的例子就是自行车刚发明出来的时候有学者就认为自行车对人们有很大的危害因为自行车能让人们跑到更远的地方人见识了更多的东西之后就容易学坏现在看来这个观点非常的可笑但人们认识电的第一步

又何尝不是这样呢从一开始的恐惧怀疑到后来的阴寻守旧电的科学是迈出的第一步其实就是科技发展是典型的艰难的第一步

富兰克林走出了第一步但这时候的人们对电的理解还很浅还远远没有达到会利用电的程度就好比我们知道一个东西有什么特征但既不会制造它也不会用它就在这个时候有一位科学家一举就解决了这两个难题让人们既会制造电又会用电把人们对电的认识又往前推进了一大步

这个人就是英国的物理学家迈克尔·法拉第他制造出了电动机又制造出了发电机

1820 年丹麦科学家奥斯特发现了电流的磁效应也就是说电流会影响磁场法拉第意识到既然电流能影响磁场那磁场反过来也一定能影响电流在这个思路的指引下法拉第把通电导线放到了磁场里面成功的让导线动了起来根据这个原理他成功制造出了人类第一台电动机

听到这儿啊你可能就会有疑问了怎么还没发电机就有了电动机呢电

电是从哪来的呢其实啊人们很早就发明了化学电池通过化学反应来产生电但电池的化学反应一旦停止发电过程也就没法持续了所以这时候的人们就特别的需要一种能持续发电的发电机你看啊在电动机里面是电让机器动起来了那么是不是有一种装置可以反过来让动起来的机器可以产生电能呢

法拉第非常的给力他在发明电动机之后十年通过实验证明发电机的原理也是可行的他发现磁铁在金属线圈里面移动可以产生电流然后就根据这个原理制成了人类第一台发电机在

在法拉第的努力下,人类第一次有了持续制造电和使用电的能力,所以可以说法拉第把人类对电的认识往前大大的推进了一步,让人类真正的拥有了应用电能的理论和技术基础。

到此为止人们有了对电的基本认识也有了利用电的技术能力就可以说完成了对电的认识过程了吗其实啊还差一步你看啊不管是富兰克林还是法拉第他们在电学方面的工作其实主要都聚焦在电的外在特征和功能上而没有去探索电的本质

到底是什么人们对电的认识就还不够透彻爱因斯坦曾经说过自从牛顿之后物理学的公理体系发生了最大的变化就是法拉第和麦克斯韦对电磁现象的研究他口中的麦克斯韦就是完成电的最终理论的科学家也是让人类彻底认识电的本质的人

英国的数学家物理学家詹姆斯·麦克斯韦在前人工作的基础之上通过严谨的数学推理做出了一系列的发现比如说他推断出电场和磁场会以波的形式以光速在空间当中传播光本质上是一种电磁现象他还预测出了电磁波的存在

在麦克思维的努力下电磁和光被结合到了一起形成了一个大一统的电磁学理论让人们彻底的弄清电的本质又是什么正是这种对电的本质的认识让人们在未来有了应用电的无限可能

以上就是第一部分我们讲了人类逐渐认识电的过程在富兰克林法拉第和麦克斯维这些伟大科学家的努力下人们对电的本质有了深刻的全面认识接下来啊就是应用了所以第二部分我就来给您讲讲从探索到推广人类是如何大规模应用电的

人们这时已经造出了发电机和电动机但其实还不算是真正的会应用电电的应用历程应该从哪算起呢本书的作者就认为应该从英国发明家詹姆斯瓦特和他改良的蒸汽机算起你可能会觉得很奇怪我们明明在讲电的科学是为什么要提蒸汽机呢毕竟蒸汽机又不是电驱动的

其实如果我们从一个宏观的历史视角来看问题的话就会发现蒸汽机和电力应用之间的密切关系比如你看目前在全世界的发电量中有 75%以上都来自于化石燃料或者是核能发电而这些发电方式都是通过制造蒸汽用蒸汽机来驱动涡轮进行发电的

所以可以说蒸汽机为电的应用提供了技术前提而且第一次工业革命让蒸汽机获得了大量的应用场景这就培养了人们使用机械动力的习惯也为未来电动机取代蒸汽机提供了社会基础所以作者就认为电力应用的起点应该追溯到瓦特

瓦特为电力的应用打下了基础那么接下来就该轮到电力工作者登场了要说起电的应用你可以思考一个问题电的规模化应用最早是用在哪呢或者说电最基本的用途是什么呢答案其实不难其实就是照明具体来说就是灯泡你应该已经猜到了开启电力规模化应用时代的人就是大名鼎鼎的发明家托马斯·爱迪生

我们都知道爱迪生拥有包括灯泡 留声机 电影摄像机等等在内的 2000 多项发明但在电力应用方面 爱迪生的伟大之处远不仅仅在于他发明了这些用电设备他对后世更重要的贡献就是他设计和推广了一整套电力系统从发电机到电力线路 再到电器 一应俱全而且他还成功的把这套系统推向了市场

毫不夸张的说是爱迪生和他的团队从无到有的建立了整个电器行业让人们第一次有了大规模用电的可能而爱迪生能做到这一点关键是因为他兼具天才发明家和天才商人的智慧

他不仅擅长发明还擅长营销擅长从商业的角度来思考如何的推广他的发明比如在发明灯泡之后爱迪生为了打开销路先是设计了配套的全套电力系统然后又专门的在纽约华尔街最繁华的地带开展了一个电灯照明项目这就吸引了很多人的注意力大大的就打开了市场而且在这个项目的筹备过程中爱迪生还成立了好几个公司来

来分别的制造电气线路的各种设备这些公司在日后被重组为了通用电气公司直到今天通用电气仍然是世界上最重要的电气公司之一这也是爱迪生留给后人的一个重要遗产可以说正是爱迪生的天才发明和天才营销让社会规模化的用电成了可能爱迪生开启了一个时代

但值得注意的就是爱迪生电力系统所用的电是直流电而我们今天家里用的电基本上都是交流电我们说爱迪生开启了规模化用电的时代可为什么我们用的电和爱迪生的不一样呢

其实关键问题就是直流电只适合小规模推广不适合全社会范围的大规模推广原因很简单电如果要长途运输的话应该用比较高的电压这样可以减少输电线路的电能损耗而交流电的优点就在于它可以根据需要很方便的升高或者是降低电压低电压适合平时家用高电压适合长途电力输送

所以如果使用交流电人们就可以用一个发电站来为很大的一片地区供电这就很适合大规模推广而直流电电压非常的麻烦不适合远距离的输电所以就很难大规模的推广开来

那交流电的发明人是美国的发明家尼古拉斯特斯拉很早啊其实他就意识到了这一点所以他没有走爱迪生直流电的老路而是另辟蹊径努力推广交流电系统这样一来原本的行业领袖爱迪生就不服了

自己开创的江山怎么能让别人占领呢所以爱迪生和特斯拉就展开了一场直流电和交流电的对决中间一度闹的是满城风雨出了很多的丑闻最终的结果我们都知道了特斯拉凭借着交流电的技术优势获得了胜利让交流电成为了社会用电的绝对主流直到今天我们都深受这场对决的影响

直流交流之争是电载应用推广的过程当中遇到的一个重要的波折它直接决定了电力应用在未来的发展方向在其他新技术发展推广的过程里也有这样的情况比如我们都知道飞机的发明人是莱特兄弟但其实今天的绝大多数的飞机都是从美国工程师格伦

科蒂斯的飞机方案上演化而来的在飞机的应用过程中两种方案也进行过交锋虽然最后莱特兄弟打赢了一时的官司但时代还是选择了科蒂斯的那个更加实用的方案你看不管是电还是飞机的应用史都经历过这么一种技术路线的竞争波折从历史的角度看没有竞争不同的技术进步路径就很难分出高下

所以波折和竞争看似是走了弯路但实际上是科技进步史当中不可或缺的一个环节直流交流点之争其实就是科技进步当中线路竞争的一个缩影

到这为止呢电已经开始有了实际的应用爱迪生创造了完整的电力系统特斯拉提供了更优秀的交流电方案这样一来电力就能大规模普及了吗其实啊这还差得远呢其实他俩只是解决了从零到一的问题让人们用电成为了可能但并没有解决从一到无穷的问题也就是让更多的人用得起电

举个例子爱迪生最开始发明的电力系统只有当时的富家豪门才用得起比如美国的金融大亨 JP 摩根就在自己的家里安了一套电灯他为了让这个电灯系统正常运转还专门雇了工程师进行维护

所以这时候的电虽然不是普通老百姓用得起的之后就随着交流电系统的推广用户的用电成本虽然有所下降但电仍然属于一种是奢侈品用的人还是非常的少那这个局面是怎么改变的呢这就要提到一位美国的商业天才他就是塞缪尔·英萨尔

英萨尔年轻时曾经当过爱迪生的秘书但他觉得电力行业的未来方向不是电力生产而是电力销售所以他就去芝加哥开展了自己的电力销售事业当时的芝加哥有一百万人口电能用户有多少呢只有五千户可见用电的人还是太少那该怎么办呢没错推广用户最好的办法就是降低电价

英塞尔就认为发电厂和输电线路的成本是固定的所以电能用户越多平均每个用户分摊到的成本也就越低电价就可以压得越低这样就能吸引更多的用户形成良性循环所以英塞尔采取的策略就是大幅度的压低电价同时寻找大量的用电客户和使用更先进的发电技术来降低发电成本在多重的

措施之下英赛尔成功的实现了规模经济把电价降低到了普通人也能够接受的水平让原本为有钱人服务的电力行业变成了一个重要的为所有的人服务的公用事业有一组数据可以体现美国的电力普及速度 1907 年的时候美国只有 8%的家庭用得上电而仅仅 40 年之后全美已经有 90%的家庭用上了电

在这个电力迅速普及的过程中,英萨尔功不可没,正是他大力推广的经营策略让电力从奢侈品变成了日用品,从而有能力造福千家万户。以上就是第二部分,我们讲了从探索到推广人类大规模应用电的历史过程,瓦特把人类带入了机械时代,爱迪生构建了完整的电力系统,特斯拉也在这一段时间内,

从索取到反思人类在未来应该如何更好的使用电呢

我们在家庭用电的过程中不会产生废水废弃污染环境但电本质上是通过其他能源进行二次转化得来的虽然说水力发电风力发电和太阳能发电都比较环保但这些发电方式算不上主流因为目前世界上的所有的电能大多数还是通过不可再生的化石能源或者是核能得来的

其实啊问题就出在这儿不管是化石燃料燃烧产生的排放物还是核反应之后留下的核废料都可能会严重的破坏环境当然了人们也知道这些问题的存在所以很早以前就开始采取了一些行动比如 20 世纪 60 年代美国就掀起了一场声势浩大的环保运动促使美国国会陆续出台了一系列关于清洁空气的法案

让作为废弃排放大户的发电厂开始通过升级技术来进行节能减排有数据就显示从 1990 年到 2004 年的 14 年的时间里美国的燃煤发电量提高了 25%但空气污染的排放量反而降低了 36%可以说电力对环境产生的负面影响在过去的几十年里已经在相当程度上改变了人们对电的使用情况

但是这就够了吗单纯的让发电厂减轻污染排放就是未来更好的用电方式吗

其实显然不是有两个原因第一保护环境不能只靠供给方的供给端的改变还需要消费端也参与进来进行相应的改变才能彻底的消除用电行为对环境的负面影响第二除了控制污染以外电力行业还需要付出行动努力去控制气候变暖所以作者就认为未来我们的用电方式肯定还要面临一场变革

其实说到这儿我们就能发现人类从认识电到应用电再到今天的反思电对电的理解其实是在逐步提升的比如原来的人们一直在研发更舒服更快的汽车用汽车让我们的生活变得更加便利但今天的我们越来越认识到汽车对空气的污染给我们带来了很大的负面影响

所以开始行动推广更环保的排放标准和新能源汽车正是这种反思让我们有了更好的利用科技的能力汽车啊是这样电也是这样任何典型的科技进步都是这样只有有了反思一种新科技的进步史才算是进入到了最后的一个章节那

那有了反思就要有实际的变革行动怎么变革呢作者特别推崇美国企业家埃隆马斯克他觉得马斯克的探索很有可能就是电力行业未来的前进方向我们都知道马斯克创立的特斯拉公司专门生产电动汽车但你可能不太了解他还投资和领导了另外的一家叫做太阳城的公司太阳城公司原本的主营业务是生产屋顶太阳能光伏发电装置

不过这个公司在 2015 年又推出了一款新的重要产品是一种电池这是一组基于锂电池的家用电能存储设备

我们为什么要提起这个呢其实马斯克的突破之处就在这他通过生产特斯拉电动汽车培养了人们新的用电需求这就很了不起但是更了不起的就是他把创新从使用端延伸到了供给端把家用的发电装置和电能存储装置也一并的提供给了消费者

使用马斯克的系统用户就可以在白天用太阳能光伏发电装置发电电能储存在家庭的电池里然后这些电就可以在晚上使用了同时给科斯拉的汽车充电你看马斯克的这种创新其实就很有突破性因为他相当于创建了一整套家庭微型电网这套系统能发电也能用电能满足很多家庭的需求甚至有可能和现有的大规模公共

这可以从根本上解决用电过程中产生的各种活动

所以作者就认为马斯克的家庭电力系统很可能推动电力行业的下一次革命成为人类未来的用电新方式总结以上就是这本书的主要内容我通过三个问题把这本书分成了三个部分

第一部分我们探讨了从恐惧到熟悉人类是如何逐渐认识电的人们认识电的过程主要有三位科学家做出了突出贡献富兰克林提出了第一套合理的电学理论法拉第让电动机和发电机变为可能麦克斯韦则完成了大一统的电磁学理论麦克斯韦则完成了大一统的电磁学理论

经过以他们为代表的科学家们的努力电在人们的心目当中才逐渐从恐惧变为了熟悉第二部分我们讨论的就是从探索到推广人类是如何大规模应用电的电的应用历程最早可以追溯到瓦特是瓦特的蒸汽机把人类带入到了机械时代在此之后爱迪生和特斯拉先后完成了电力系统的设计和突破让人们进入了电气时代而应用电的应用历程

英萨尔则通过在商业上的大规模推广让电力从奢侈品变成了日用品改变了我们每个人的生活方式最后一部分我们说的就是从索取到反思人类在未来应该如何更好的使用电呢

电虽然是一种清洁能源但依然可能造成环境污染和温室效应等等问题作者认为埃隆马斯克从发电到用电的整套新型电力系统或许能成为人类未来更好用电的新思路

本期音频的开头我曾经说过电的科学史其实就是科技进步史的一个典型缩影回过头来看你就会发现确实如此不管是人们认识电的过程应用电的过程还是反思电的过程其实都很像人类整体的科技进步路径

先是认识清楚事物的本质总结出相应的理论然后再把这些理论转化为实践最后再从实践当中获得思考反过来促进实践的完善回顾历史是为了更好的展望未来回顾电的科学是能给今天的我们带来很大的实际启发比如今天我们对于人工智能感到了害怕这是不是也非常像当时人们对

这些启示或许就是这本书能给我们带来的最大收获