从杠杆到量子 · 一部按时间走的物理学第 25 章 / 第四单元 · 电与磁
第 25 章 · 1837—1930 年代

电气时代

法拉第和麦克斯韦留下的电磁学，怎样在不到一百年里变成电报、电话、电灯和电网，以及交流电为什么会赢。

阅读约 30 分钟两个可以动手的演示公式：3 个
序章第四单元 · 电与磁 · 6 / 6终章

时代速写一个拼错的“贵格会”

1845 年 1 月 1 日晚上，伦敦西边的斯劳火车站。一个穿贵格会教徒式长大衣的老人刚刚登上 7 点 42 分开往伦敦帕丁顿的火车。几分钟前，他在附近的索尔特希尔村用氢氰酸毒死了自己的情妇莎拉·哈特1。

邻居听见了呼救，当地牧师追到车站，火车已经开走。站长做了一件以前不可能做到的事：他让报务员通过铁路沿线的电报，把消息发到帕丁顿。那台双针电报机拼不出 J、Q、Z 三个字母，只能分别用 G、K、S 代替，于是电文里写着凶手“穿着 KWAKER 的衣服，大衣几乎拖到脚面”。帕丁顿的报务员看不懂这个词，请对方重发了一遍1。

火车进站时，威廉斯警长已经拿着电文等在那里。他没有当场抓人，而是一路跟踪，后来才把这个名叫约翰·塔维尔的人逮捕。塔维尔辩称自己那天根本没去过斯劳，可电报和警长的跟踪足以定罪。3 月 28 日，他被处以绞刑1。这件事成了电报史上最常被讲起的故事之一1。

这一章讲的就是电从实验台走进日常生活的那一百年。第 22 章的电池、第 23 章法拉第的电磁感应、第 24 章麦克斯韦的方程，到这里都变成了机器、公司和城市的基础设施。物理在这一章里没有新的基本定律，却到处都是物理问题：信号为什么在海底电缆里变慢，灯丝的电阻为什么要高，电压为什么要升到几万伏再送。

  • 1837库克与惠斯通合伙申请电报专利，做出五针电报机2,3。
  • 1844莫尔斯的华盛顿—巴尔的摩电报线启用，第一句电文是“What hath God wrought”4。
  • 1858第一条大西洋海底电缆接通，大约三周后失效5,6。
  • 1866“大东方”号铺成永久性的大西洋电缆，汤姆孙因此受封爵士7,8。
  • 1876贝尔获得电话专利，三天后说出第一句电话9。
  • 1879爱迪生的碳丝灯泡连续亮了 13.5 小时10。
  • 1882纽约珍珠街电站开始向用户供电；同年 7 月，上海外滩一带亮起 15 盏弧光灯11,12。
  • 1888特斯拉发表交流电动机报告，威斯汀豪斯买下他的专利13。
  • 1896尼亚加拉瀑布的交流电送到约 40 千米外的布法罗13,14。
  • 1904弗莱明申请真空二极管专利，电子学从一只灯泡里长了出来15。
  • 1915靠真空管放大，横贯美国大陆的电话开通16。

问题电有了，可它能干什么？

到 1830 年代，人们对电已经懂得不少。伏打电堆能稳定地供电，奥斯特发现电流能让磁针偏转，法拉第发现变化的磁场能产生电流。可这些都还是实验室里的现象，没有哪个普通人的生活因此改变。

当时的消息传递，和两千年前差别不大。IEEE 历史中心的一篇介绍说得很直接：在电报出现以前，信件只能以交通工具的速度旅行；电报第一次把“通讯”和“运输”分开了17。一封从伦敦寄到纽约的信，要坐船横渡大西洋。

要让电真正干活，得先跨过三道坎：

  1. 距离：电流沿着导线走得极快，可导线越长，信号越弱、越走样。铁路边几十公里还好办，跨过海洋就是另一回事。
  2. 分配：一台发电机发出的电，怎样稳稳当当地分给成千上万户人家，每家想开就开、想关就关，还能按用量收钱。
  3. 用途：早在 1808 年，戴维就演示过弧光灯，可弧光灯光线刺眼、电极要经常更换，只适合街道和大厅11。家里要的是一盏柔和、耐用、便宜的灯。

下面三节，就是这三道坎依次被跨过去的故事。它们发生的顺序大致是：先传信号，再传声音，最后传能量。

1837 — 1876电报与电话：让电流替人说话

1837五根磁针

英国最早的实用电报，出自一对性格很不相同的搭档。惠斯通是伦敦国王学院的实验哲学教授、皇家学会会员，懂电学；库克是个想做生意的人，电学知识有限，却看准了这东西的商业前途18。两人 1837 年合伙，同年申请了专利3。

库克和惠斯通的五针电报机，菱形面板上画着字母网格，中间一排五根磁针，下面是一排按键
库克—惠斯通五针电报机，1837 年，伦敦科学博物馆藏。看菱形面板中间那一排五根针。发报时，任意两根针同时偏转，它们的指向在面板上交会于一个字母。面板上只有 20 个字母，C、J、Q、U、X、Z 都没有2,1。下方那排白色按键用来发报。chailey 摄，CC BY 2.0 · Wikimedia Commons

它的物理原理就是第 23 章奥斯特的发现：电流流过导线，旁边的磁针会偏转2。五根针各连一根导线，所以一条线路要拉五根线1。导线是很贵的，后来的双针、单针电报用的线少了，可针要按约定的组合左右摆动来代表字母，报务员得经过专门训练18,1。塔维尔案里那台双针电报，就是这样拼不出“Q”的1。

电报最早的大主顾是铁路。1839 年，沿着大西部铁路从伦敦帕丁顿到西德雷顿的 21 千米线路开始对公众营业，科学博物馆称之为世界上第一个公共电报服务2。火车需要知道前方路段有没有车，电报正好能做到。两位发明人后来为谁的功劳大吵翻了，1841 年仲裁的结论是：库克把电报“实际推广”出去，惠斯通做了“深入而成功的研究”。1845 年库克花 3 万英镑买下了全部专利权，第二年电报公司成立18。

1844画家莫尔斯和一根线

大西洋对岸，莫尔斯原本是个画家，给拉法耶特画过像，还创办了美国国家设计学院4。据 IEEE 的人物小传，他在外地作画期间妻子病逝，等消息传到，葬礼已经办完19。1832 年他从欧洲坐船回国，船上有乘客说，电流几乎可以瞬间通过任意长的导线。莫尔斯由此想到：把电流的通、断和间隔排列组合起来，就能代表字母19。

他自己不懂电学，找了纽约大学的化学教授盖尔合作，1837 年 9 月第一次演示；又请以前的学生、工具匠维尔改进和制造仪器4。那年美国财政部征集全国电报方案，其他应征者提的都是法国那种靠信号塔传旗语的光学电报，只有莫尔斯提议用导线传电信号4。他在纽约和费城的演示中，用上了后来以他名字命名的点划电码4。

莫尔斯电码的好处是只需要一根导线（另一端接地）。发报员按下电键，电流接通；松开，电流断开。短按是“点”，长按是“划”。收报端的电磁铁带动一支尖笔，在移动的纸带上压出凸起的点划，再由报务员译出来20。和五针电报比，线省了，机器也简单了。长远看，莫尔斯式电报在全世界占了上风3。

说服国会花了五年。1838 年 2 月，他在国会大厦给议员和范布伦总统及内阁做演示；直到 1843 年 3 月 3 日，国会会期的最后一天，拨款 3 万美元建一条试验线的法案才签署生效4。线路沿巴尔的摩—俄亥俄铁路架设。1844 年 5 月 1 日，辉格党在巴尔的摩开会提名总统候选人，维尔在半路的安纳波利斯截到了消息，用电报发回国会大厦，比运送同一消息的火车早到一个小时4。

5 月 24 日，38 英里（约 61 千米）的线路正式启用。莫尔斯请专利局长的女儿安妮·埃尔斯沃思拟第一句电文，她选了《圣经·民数记》里的一句“What hath God wrought”，大意是“上帝创造了何等奇迹”。维尔在巴尔的摩随即把同一句话发了回来4,20。那天的演示是私人活动，报纸几乎没报道。几天后民主党在巴尔的摩开会，提名波尔克的投票情况一轮轮传到国会大厦，门外聚集了几百上千人等消息4。二十年后，美国已经架起了 10 万英里电报线4。

1858海底的“大电容”

陆上电报很快连成了网，难题是海洋。1850 年代，一批英美商人和工程师开始筹划横跨大西洋的电缆。1858 年的电缆长约 3200 千米：中心是七股铜线拧成的芯，外面包三层古塔胶（一种热带树胶，在水下绝缘性能好），再包柏油麻和铁丝6。

工程师们很快遇到一个怪现象：在长电缆一端发出一个干脆利落的脉冲，另一端收到的却是一个慢慢鼓起、又慢慢消下去的“包”。原因在于电缆的结构：铜芯是一个导体，海水是另一个导体，中间隔着一层绝缘的古塔胶。这正是一个电容器，而且是长达几千公里的电容器。每个脉冲都要先把沿途的电缆“充上电”，才能在远端显出来；而铜芯本身有电阻，充电只能一点点往前推。

格拉斯哥大学的年轻教授威廉·汤姆孙（就是后来的开尔文勋爵）算出了一条规律：信号的迟滞与电缆长度的平方成正比5。道理不难想：电缆长一倍，电阻大一倍，要充电的电容也大一倍，两者相乘就是四倍。对一条横跨大洋的电缆，这意味着电报只能发得很慢，点和划一快就会糊成一片。汤姆孙因此主张用更粗、更纯的铜芯来降低电阻6，他还发现铜里的杂质能让导电率降低 30% 到 40%5。可电缆合同在征求他的意见之前就签了，用的是每海里只有 107 磅铜的细芯，而他的方案是 392 磅5,6。

下面的演示可以看到这个效应。上面是发报端发出的“SOS”，下面是电缆另一端收到的电压：

海底电缆里的拖尾演示 1 · 拖动滑块改变电缆长度和发报速度

把电缆调到 3000 千米以上，再把“点”的时长调短，收报端那条曲线就会变成一条慢慢爬升的坡，点划全部消失。电缆短一半，拖尾只剩四分之一。演示里的时间单位是相对的，只有比例有意义；真实电缆的数值还取决于铜芯粗细和绝缘层厚度，这正是汤姆孙要求加粗铜芯的原因。

1857 年第一次铺设，电缆放出 330 英里后断了5。1858 年 6 月第二次又失败。7 月第三次，两艘船在大洋中间把电缆接上，各自驶向一岸，8 月 5 日两端登陆6。8 月 16 日，维多利亚女王给布坎南总统发了一封 98 个词的贺电，用了将近 16 个小时6。纽约人放烟火庆祝，结果把市政厅的穹顶点着了；蒂芙尼公司把剩下的电缆切成 10 厘米长的小段，当纪念品出售6。

电缆一共只传了 732 条电报5,6。其中一条是英国政府的命令，让两个原定开赴印度的团留在加拿大，据说省下了五六万英镑6。可信号越来越弱。公司的首席电工怀特豪斯不接受汤姆孙的理论，他的办法是加大电压，用到了约 2000 伏，想把信号硬推过去；汤姆孙则用自己发明的镜式检流计去读微弱的电流（一面小镜子挂在线圈中间，电流让镜子偏转一点点，反射的光点在标尺上就挪动一大段）5,6。大约三周后，电缆彻底哑了5。格拉斯哥大学的展览说，是高电压烧坏了绝缘5；1985 年一位研究者重新检验后认为，制造质量也很差，铜芯不在绝缘层正中，古塔胶严重老化6。

1866“大东方”号

再次尝试时，用的是巨轮“大东方”号：长 693 英尺（约 211 米），宽 120 英尺，载重 1.8 万吨，一船就能装下整条电缆7。1865 年那次，电缆在半路断了，约 600 英里沉进了海底。1866 年 7 月 13 日，它载着 2730 海里电缆从爱尔兰的瓦伦西亚岛出发，14 天后铺下 1852 英里，7 月 27 日在纽芬兰的“心满意足港”登陆。随后船队回到大洋中间，从海底捞起 1865 年的断缆，接通了第二条7。

水彩画：大东方号甲板上的大型放缆机械，巨大的齿轮和皮带轮，左侧是红色浮标
“大东方”号甲板上的放缆机，罗伯特·达德利 1866 年的水彩，纽约大都会艺术博物馆藏。看画面中央那台带大齿轮和皮带轮的机器：电缆从船舱里拉上来，经过它控制拉力和速度，再从船尾放进海里。1857 年的电缆就是因为拉力没控制住而断的6。左边红色的大桶是浮标。Robert Charles Dudley，大都会艺术博物馆，CC0 · Wikimedia Commons

这一次电缆工作得很好。用当时的接收设备，熟练的报务员每分钟大约能收发 8 个词7。汤姆孙当年就被封为爵士，理由是他对海底电报的贡献比任何科学家都大；1892 年他又被封为男爵，称号是开尔文8。到 1894 年，爱尔兰和纽芬兰之间又铺了五条电缆7。

1876让电流学说话

电报只有“通”和“断”两种状态。要传声音，电流得能连续地变大变小，像声波一样起伏。1854 年法国人布尔瑟尔发表过用电传送语音的设想；1861 年德国人赖斯造出过一台装置，给它起名“telephone”，可它到底能不能清楚地传话，学界至今没有共识9。

美国的贝尔和格雷几乎同时在做同一件事。两人都从“谐波电报”入手：在一根线上用不同的频率同时发好几路电报。1874 年前后，两人都转向了传送语音9。1876 年 2 月 14 日，贝尔的律师向专利局递交了题为《电报的改进》的专利申请；同一天，格雷递交了一份“预告”（caveat），声明自己正在发明电话，将来会正式申请9。3 月 7 日，贝尔拿到了第 174,465 号专利，核心是用“波动电流”传送声音9。

3 月 10 日，在波士顿一间阁楼里，贝尔用一种“液体送话器”试验：振膜上连着一根针，针尖浸在一小杯酸化的水里，声音让振膜振动，针浸入的深浅随之变化，电路的电阻和电流也跟着起伏。助手沃森在走廊另一头的听筒里听到了贝尔的声音。两人的笔记记得不一样：贝尔写的是“沃森先生，过来，我要见你”，沃森写的是“沃森先生，过来，我需要你”9。

这台液体送话器和格雷预告里描述的装置相似，而贝尔的专利里写的是另一种结构，所以一直有人怀疑贝尔看到过格雷的材料21。格雷后来提出过法律挑战，但都失败了；他自己从未正式申请专利9,21。1878 年，贝尔电话公司推出了商用电话，用在最早的电话交换所里9。电话比电报难传得远：声音信号比电码弱得多，走样也更明显。纽约和芝加哥之间的长途电话要到 1892 年才通17，横贯大陆则要等到真空管出现，本章最后一节会讲。

1878 — 1884爱迪生：卖的是一整套系统

爱迪生 1878 年年中才开始研究电灯，在这个领域是个后来者11。白炽灯的原理早就有人知道：电流通过一根细丝，细丝被加热到发光。难的是让它亮得久。灯丝在空气里一烧就断，所以要放进抽了真空的玻璃泡；真空抽得不够好，灯丝很快就坏，玻璃也会熏黑。

英国的斯旺 1860 年就用碳化的纸条做过灯丝，正是因为真空不够而失败。1875 年他用上了新发明的斯普伦格尔真空泵，1879 年初在纽卡斯尔公开演示了白炽灯22。爱迪生在门洛帕克的团队试了大量材料，1879 年 10 月 22 日，一根碳化的棉线灯丝亮了 13.5 小时；后来改用碳化竹丝，寿命超过 1200 小时，此后十年都是爱迪生灯泡的标准10。12 月 31 日，门洛帕克举行了公开演示10。

爱迪生电灯专利图纸，编号 223898，画着一个圆球形灯泡，内有盘绕的灯丝
爱迪生电灯专利图纸，第 223,898 号，1880 年 1 月 27 日授予，美国国家档案馆藏。看图 1 灯泡里顶端那一圈螺旋（标 a）：那就是盘绕起来的碳丝10。盘成螺旋，能在小小的灯泡里放进更长的细丝；细丝越长越细，电阻越高。美国国家档案馆，公有领域 · Wikimedia Commons

为什么灯丝的电阻要高

爱迪生和别人不同的地方，在于他一开始就盯着整个系统。他要的是一种高电阻的灯丝，耗电要远少于弧光灯，好让电灯进入普通家庭10。这背后是第 22 章讲过的欧姆定律。

家里的灯是并联的：每盏灯都直接接在两根总线之间，承受同样的电压，一盏关了，别的照亮。爱迪生的系统用 110 伏11。每盏灯的电流等于电压除以电阻。灯丝电阻低，每盏灯的电流就大；一条街几千盏灯的电流加在一起，就需要粗得吓人的铜线，而铜很贵。灯丝电阻高，每盏灯只要一点点电流，总线就能细得多。在珍珠街工程里，铜导线正是整个项目里最贵的部分；爱迪生很快把两线制改成 220 伏的三线制，省下了大量的铜11。

爱迪生和同事们为此开发了一整套东西：并联电路、能保持电压稳定的发电机、埋在街道下的导管和接线盒、保险丝、绝缘材料、电表、灯座和开关，再开公司把它们制造出来11。他心里的样板是煤气照明：一座中心厂，一张地下管网，按户计费11。

1882珍珠街

爱迪生先在伦敦霍尔本高架桥下建了一座中心电站，1882 年 1 月起运行了大约两年11。纽约的珍珠街电站才是他真正的展品。他选的供电区叫“第一区”，以华尔街、拿骚街、东河为边界，面积约 0.65 平方千米，里面有美国的金融中心，也有《纽约时报》等大报社11。在这里点灯，投资人和记者都看得见。

一台巨大的早期直流发电机，左边是蒸汽机，中间是方形磁铁，右边是带许多铜条的电枢
“巨无霸”发电机。每台重 27 吨，功率约 100 千瓦，能点亮约 1200 盏灯，珍珠街电站装了六台，由蒸汽机驱动11。看中间偏右那个布满放射状铜条的圆盘：它连着转动的电枢，第 23 章法拉第的电磁感应就在电枢的线圈里发生。它的名字取自当时马戏团的一头大象。作者不详，公有领域 · Wikimedia Commons

1882 年 9 月 4 日下午 3 点，爱迪生在投资人摩根的办公室里发出信号，电站合闸送电11,23。第一天只有约 85 户、约 400 盏灯；一年后增加到 513 户、约 1 万盏11。《纽约时报》是最早的用户之一，记者说电灯的光“柔和、温润、悦目”23。

账面上它起初并不好看。电站连地皮、导线、地下管道一共花了约 30 万美元，1882、1883 两年都入不敷出，到 1884 年才盈利。第一张电费单 1883 年 1 月 18 日寄出，金额 50.44 美元；一只灯泡要 1 美元，在当时很贵23。可它可靠：从开张到 1890 年初一场大火，只停过一次电，三个小时11。

珍珠街也暴露了直流低压系统的软肋：线路损耗太大，电只能送到很近的地方，每个电站只能服务人口密集的一小片11。远处瀑布和河流的水力，更是用不上。这个弱点，下一节的交流电会接手。

1886 — 1896交流电与“电流之战”

1886大巴灵顿的变压器

第 23 章讲过，变化的磁场会感应出电流。两组线圈绕在同一个铁芯上，一组通交流电，另一组就会感应出交流电，两组线圈的匝数之比决定电压之比。这就是变压器。它只对变化的电流起作用，直流电通过变压器什么也得不到24。

1886 年 3 月 20 日，美国工程师斯坦利在马萨诸塞州的小镇大巴灵顿做了一次完整的演示。一台西门子交流发电机发出 500 伏的电，他用自制的变压器把它升到 3000 伏，点亮一串 30 盏串联的 100 伏灯泡，再降回 500 伏。电线挂在主街两旁的榆树上，6 台降压变压器装在临街店铺的地下室里，把电压降到 100 伏，点亮了 20 家商店和办公室的灯24。今天的电网，从发电厂升压、远距离输送、变电站降压，到街角的变压器把电压降到家用水平，结构和这里一模一样24。斯坦利是在英国的戈拉尔和吉布斯的工作基础上改进的，他把变压器从串联改成并联，并采用闭合的铁芯24。

斯坦利的老板是威斯汀豪斯。他 19 岁就拿到第一项专利，靠火车的空气制动器发家，1885 年从欧洲进口交流设备在匹兹堡试验，第二年他的公司造出了电压稳定的交流发电机25。

1888特斯拉的旋转磁场

交流电照明有了，还缺一样关键的东西：能用交流电的电动机。工厂要的是转动的力。

特斯拉 1856 年出生在今天的克罗地亚，父母是塞尔维亚人。他 1884 年到纽约，在爱迪生手下工作过一段时间，1886 年自己开了公司，两年里为他的交流电系统申请了三十多项专利26。1888 年 5 月 16 日，他在美国电气工程师学会作了题为《交流电动机和变压器的新系统》的报告13。

他的思路是“多相”交流电：几路交流电在时间上依次错开，分别通进围成一圈的几组线圈。每组线圈产生的磁场依次变强、变弱，合起来就是一个在空间里不停旋转的磁场。转子放在中间，会被这个旋转磁场“拖着”转起来。这种感应电动机没有电刷，结构简单，经久耐用。今天工厂里的许多水泵、风机和机床，用的仍是这种感应电动机。

报告发表后，威斯汀豪斯看出了它的价值，1888 年 7 月与特斯拉签约，买下了相关专利13。特斯拉由此发了财。据说威斯汀豪斯后来陷入财务困难时，特斯拉撕掉了合同，放弃了专利使用费，这让他晚年缺钱做实验26。

1888 — 1890一场宣传战

爱迪生的公司押在直流上，眼看交流电抢走市场。反交流电的宣传由一位叫布朗的电气工程师打头阵。他在 1888 年 12 月的一份出版物里说，自己是因为电灯公司施工草率、造成许多人死亡才发起这场运动的，并宣称高压交流电“没有任何办法”变得安全27。爱迪生让布朗在自己的私人实验室里做实验，提供了全部仪器27，实验内容包括用交流电电击动物。

与此同时，纽约州正在寻找一种比绞刑“更人道”的死刑方式。罗格斯大学的爱迪生文献项目指出，爱迪生实验室在 1880 年代末做的动物电击实验，促成了电椅成为美国常见的处决方式27。1889 年 5 月，布法罗一个用斧头杀害同居女友的小贩凯姆勒被判处电刑，成为第一个要上电椅的人。威斯汀豪斯出钱为他请律师，一直上诉到联邦最高法院，同时设法阻止任何人把自家的发电机卖给监狱，结果没能拦住28。1890 年 8 月 6 日，凯姆勒在奥本监狱被处决。第一次通电十几秒后，医生发现他还活着，只好第二次通电，在场的人看到了烧伤28。用的是威斯汀豪斯的交流发电机。一位美国律师协会刊物的作者评论说，爱迪生本人反对死刑，却借这件事宣传自己的直流电28。

1891 — 1896白城与瀑布

宣传没能改变物理。1891 年，德国人从劳芬到法兰克福架起一条 176 千米的交流输电线，把电压从 55 伏升到 15000 伏，向全世界证明了高压远距离输电可行13。

1893 年芝加哥哥伦布世博会的照明合同，在以爱迪生发明为基础的通用电气直流方案和威斯汀豪斯的交流方案之间竞争。组织者选了更高效、也更便宜的威斯汀豪斯29。通用电气不许会场用爱迪生专利的灯泡，威斯汀豪斯就设计了一种“双塞”灯泡绕开专利29。会场占地 190 公顷，十四座白色的古典式展馆在夜里被灯光照亮，人们称它“白城”；西门子在会上展出了世界上第一辆用交流电的有轨电车；整个会场的用电量是芝加哥全城的三倍29。

决定性的一仗在尼亚加拉瀑布。尼亚加拉瀑布电力公司选用了特斯拉的多相交流系统，由威斯汀豪斯制造 25 赫兹的双相交流发电机13,14。1895 年 8 月 26 日，亚当斯电站开始给附近的工厂供电，IEEE 称之为交流电对直流电的关键胜利30。1896 年 11 月 16 日，电送到了约 40 千米外的布法罗，为那里的机器和照明供电13,14。1900 年 5 月，十台 5000 马力的发电机全部装齐30。到 19 世纪末，直流系统开始了缓慢而不可逆的衰退11。

概念为什么电压越高，线上丢的电越少

交流电赢在变压器，变压器的用处是改变电压。为什么升高电压就能把电送得更远？只需要两个公式。

第一个说的是电功率：电每秒钟送出多少能量。

P = U I
P
功率，单位瓦（W）。一千瓦是一台电暖器的量级
U
电压，单位伏（V）
I
电流，单位安（A）
读法：要送同样多的功率，电压升高 10 倍，电流就只需要原来的十分之一。

第二个说的是导线发热。电流流过有电阻的导线，一部分电能变成热，白白散掉。这就是电流的热效应，电炉和电热水壶靠的也是它。

P损 = I2 R
P损
导线上每秒损失的能量（瓦）
I
流过导线的电流（安），右上角的 2 表示平方
R
整条线路的电阻（欧姆）。线越长、越细，电阻越大
读法：损耗和电流的平方成正比。电流减到十分之一，损耗减到百分之一。

把两个式子合在一起，用 I = P ÷ U 代进去，就得到线损占输送功率的比例：

损耗比例 = P R ÷ U2
P
要送的功率（瓦）
R
线路电阻（欧姆）
U
输电电压（伏）
读法：电压升高 10 倍，损耗比例降到百分之一；升高 100 倍，降到万分之一。同样一根铜线，电压越高，能把电送得越远。

爱迪生的直流电没有方便的办法升降电压。发电机发出多少伏，线上就是多少伏，用户的灯泡也是多少伏。为了安全和灯泡，这个电压只能是一百多伏，于是电流大，损耗只能靠加粗铜线来压，电站只能建在用户旁边。交流电可以在电站出口升到几千、几万伏，在城里再降回来。劳芬到法兰克福的线路把电压升高了约 270 倍，同一根导线上的损耗比例就降到原来的约七万分之一。

下面的演示可以自己试。导线固定为两根截面 100 平方毫米的铜线（一去一回），你可以改变要送的功率、距离和电压：

把电送进城演示 2 · 拖动滑块，或点一个历史场景

点一下“珍珠街 1882”：110 伏、100 千瓦、1 千米，用这根铜线根本送不过去，要把损耗压到 5%，铜线得粗到直径 8 厘米以上，两根加起来上百吨。再点“尼亚加拉→布法罗”，从 5000 伏开始往上调，到几万伏时，损耗就落到几个百分点。演示里的导线是简化的，真实线路还要考虑交流电的感抗、绝缘和电晕，但“电流减半、损耗减到四分之一”这个核心规律不变。

为什么家里不用几万伏

高电压送电省，可是危险，绝缘也贵。所以电网分了好几级：发电厂出口升到很高的电压走长途，到城市附近的变电站降一次，到小区的变压器再降一次，进家门时才是 220 伏（美国是 120 伏）。这正是斯坦利在大巴灵顿做过的那一套24。

1883 — 1920从灯泡里长出来的电子学

爱迪生的灯泡用久了，玻璃内壁会发黑。1880 年前后他想弄明白原因，在灯泡里多封了一个金属电极。他发现，这个电极明明不在灯丝的电路里，当它的电位比灯丝高时，却有电流流过真空到达它31,15。爱迪生解释不了这个“爱迪生效应”，申请了专利，就转去做别的事了31。

今天我们知道，那是炽热的灯丝把电子“蒸发”了出来。电子带负电，只会飞向电位较高的电极，所以电流只能单向通过。1897 年，剑桥的 J. J. 汤姆孙测出阴极射线里的粒子荷质比比氢离子小一千多倍，宣布发现了一种“物质的新状态”32，也就是电子。这个发现属于原子物理，第 32 章会详细讲。这里只需要记住：电气工程师们手里的灯泡，早已在和电子打交道了。

1904弗莱明的“阀门”

英国伦敦大学学院的弗莱明 1881—1891 年在爱迪生电灯公司当顾问，研究过爱迪生效应；1899 年，他成了马可尼无线电报公司的科学顾问15。无线电信号的振荡太快，检流计的指针根本跟不上，正反两个方向的电流互相抵消。弗莱明想到，如果用爱迪生效应只让一个方向的电流通过，检流计就能显示出信号。1904 年他把这样一只灯泡接进无线电接收电路，成功检测到了信号，同年 11 月 16 日申请专利，称之为“振荡阀”15。这就是真空二极管。

一组早期的真空管，大小形状各异，有的带长长的玻璃管，有的装在木座上
一组弗莱明阀，据图片说明为 1904 年前后的实验品。它们看起来就是灯泡，区别在于玻璃泡里除了灯丝还多了一块金属板，几只管子上能看到这块深色的板。下方标着 A 到 D 的几只装在木座上。Gerald F. J. Tyne，公有领域 · Wikimedia Commons

1906 — 1915三极管和横贯大陆的电话

美国发明家德福雷斯特读了弗莱明 1905 年的论文。1906 年，他申请了一种叫 Audion 的真空管专利，并在灯丝和金属板之间加了第三个电极：一片栅网，叫“栅极”15,16。栅极上一个很小的电压变化，就能控制灯丝和极板之间一大股电流的通断强弱。小信号控制大电流，就是放大。德福雷斯特自己起初并不完全明白它的原理，他以为管子里残留的气体电离是关键16。

这时美国电话电报公司（AT&T）正被一个难题卡住。前面说过，电话信号走远了会衰减。工程师们已经用加感线圈把电话送到了丹佛17，可要横跨整个大陆，必须在半路把信号放大。德福雷斯特 1912 年开始把他的管子改成电话放大器，起初会发出啸叫；AT&T 在 1913—1914 年买下了专利权。公司的物理学家阿诺德发现，关键在于把管子抽成高真空，去掉气体，它才能成为稳定的放大器16。

1913 年 10 月 18 日，第一台高真空管电话中继器在纽约—费城线路上投入使用16。1915 年 1 月 25 日，横贯美国大陆的电话正式开通。开通仪式上，贝尔在纽约，他当年的助手沃森在旧金山，贝尔又说了一遍那句“沃森先生，过来”，沃森回答：“这回得走一个星期了。”17

三极管随后成了无线电广播的心脏。1920 年 11 月 2 日，威斯汀豪斯在匹兹堡的 KDKA 电台用 100 瓦的功率播报美国总统大选结果，这是商业无线电广播的开端之一33。从此到 1947 年晶体管出现，真空三极管一直是电子设备里的标准元件16。第 39 章讲半导体时，我们会看到晶体管怎样接过它的位置。

影响它怎么改变了世界

历史学家常把 19 世纪后期以电气化为重要标志的工业化浪潮称为“第二次工业革命”12。电的影响有一个特点：发明在 1880 年前后就齐了，真正改变生活和生产，却花了四五十年。

一 · 工厂：从一根大轴到每台机器一个电动机

经济史学家保罗·戴维统计过美国的电气化进度：1899 年，只有 3% 的住宅用上了电灯（城市里也只有 8%）；工厂里电动机提供的机械动力还不到 5%。这两个比例都要再过大约二十年才达到一半，那时离第一座中心电站开张已经四十年34。

原因在于工厂得重新设计。蒸汽时代的工厂靠一台大蒸汽机带动一根贯穿厂房的长轴，再用皮带分给各台机器。早期电气化只是用一台大电动机替换蒸汽机，生产率几乎不变。后来工厂才学会给每台机器装一个小电动机，厂房可以按生产流程重新布置。戴维估算，1919—1929 年美国制造业全要素生产率的增速比前十年高了约 5 个百分点，其中大约一半可以由这十年电动机容量的增长来解释34。他把这段历史拿来对比计算机：新技术要等到人们围绕它重新组织工作，才会显出威力。

二 · 城市的夜晚：上海 1882

电灯来到中国，几乎和纽约同时。1882 年 4 月，曾任上海公共租界工部局董事长的英国商人立德禄申请引进美国布拉什公司的弧光灯系统，5 月登报招股，筹得白银 5 万两，成立上海电气公司12。7 月 26 日晚 7 点，15 盏电灯在公共租界首次点亮，分布在招商局码头、礼查饭店、外滩公园和南京路一带。《申报》形容它“光明竟可夺月”12。

电灯一来，煤气公司就开始降价。上海煤气公司前后降价五次，路灯每盏每月的煤气费从 5 元降到 2.7 元12。当时城里也流传过“装电灯会招雷劈”的谣言，几十天后就平息了12。和纽约一样，电灯首先改变的是城市的夜晚：街道更安全，商店和戏院可以开得更晚。

三 · 消息的速度：从新闻、市场到军事

电报让“现在”第一次可以在两地同时知道。1844 年政党大会的投票结果几分钟就传到国会大厦4；1858 年那条短命的大西洋电缆，传过一道调兵命令，替英国政府省下了数万英镑6。各国政府很快看出电报的军事价值。1881 年初，美国驻华公使向国务院报告，清政府批准丹麦大北电报公司修建上海—天津—北京的陆上电报线，主要考虑的是战时的军事用途，推动者是李鸿章35。此后二十年，中国建起了自己的电报网；1900 年义和团运动中，通往北京的线路被毁，清廷一度只能靠驿马转送电报36。

四 · 城乡之间的鸿沟

电网首先铺进了人口密集、有利可图的城市。到 1930 年，美国城镇家庭有 84.8% 通了电，农村只有 10.4%；密西西比州的农户只有 1.5% 有电灯37。架一英里电线到稀疏的农庄不划算，私营电力公司不愿去。1935 年 5 月 11 日，罗斯福总统签署行政令设立农村电气化管理局，由政府出面把电网拉进乡村37。电从一种技术变成了公共基础设施，像道路和自来水一样，被看作人人都该有的东西。

五 · 今天的电网

斯坦利在大巴灵顿用的“升压、输送、降压”三段式，今天仍然是全世界电网的骨架24。电压比当年高了几百倍。中国的昌吉—古泉特高压输电工程从新疆昌吉到安徽宣城，全长 3324 千米，电压 ±1100 千伏，途经六个省区38。爱迪生去世的 1931 年，美国电力和照明业的年产值已经达到 50 亿美元10。你此刻读这一页时用的电，多半也是在几百公里外的电厂发出、经过好几级变压器才到你手上的。

误解灯泡、大象和直流电

误解一 · 爱迪生发明了电灯泡

白炽灯在爱迪生之前已经有很多人做过。斯旺 1860 年就做出了碳丝灯泡，1879 年初在纽卡斯尔公开演示，和爱迪生几乎同时取得成功；两人在英国打完专利官司后，1883 年合并成立了“爱迪生与斯旺联合电灯公司”22。IEEE 的珍珠街纪念文章说得很清楚：爱迪生进入这个领域时是后来者，许多部件前人都已做过11。他的贡献是一盏寿命足够长的高电阻灯泡，加上让它真正能用的整套发电、配电、计量系统10,11。

误解二 · 爱迪生为了抹黑交流电，当众电死了一头大象

1903 年 1 月 4 日，科尼岛月亮公园的大象托普西被电死，爱迪生制造公司派了摄影队拍下了这一幕。罗格斯大学爱迪生文献项目查过当时的报纸和爱迪生的通信，结论是爱迪生本人与这件事没有关系：处死大象是游乐园的决定，影片公司的日常业务由副总裁负责；而“电流之战”早在十多年前就结束了27。爱迪生在电流之战中确实支持过布朗的动物电击实验，那是 1888 年前后的事27。

误解三 · 电话是贝尔一个人发明的

电话专利归贝尔，这没有争议；可“谁发明了电话”要复杂得多。布尔瑟尔、赖斯更早提出或做过电传语音的装置9；格雷与贝尔同一天向专利局递交了文件，贝尔第一次成功通话用的液体送话器和格雷的设计相似9,21。2002 年，美国众议院还通过一项决议，表彰意大利裔发明家梅乌奇在电话发明上的工作，说他 1860 年就在家中演示过电传语音39。这类众议院决议只表达意见，不改变专利的归属。

误解四 · 交流电赢了，直流电就被淘汰了

交流电在 19 世纪末赢得的是配电网，因为当时只有交流电能用变压器升降电压24。直流电本身并没有消失：电池、手机、电脑内部全是直流；今天的超远距离输电又用上了高压直流，前面提到的昌吉—古泉工程就是直流线路38。现代电力电子技术能在交流和直流之间高效转换，这已经超出了 19 世纪工程师手里的工具。

承上启下电磁单元的终点，两个新单元的起点

上一章结尾，麦克斯韦的方程和赫兹的实验证明了电磁波存在，马可尼把它变成了无线电。这一章把同一套电磁学搬进了城市：电报、电话、电灯、电动机和电网。第四单元“电与磁”到这里结束。从第 20 章的指南针到这里，人类花了两千多年认识电和磁，又只花了不到一百年，就让它们走进了每一户人家。

这一章也悄悄埋下了两条线。第一条是光。麦克斯韦说光是电磁波，电磁波要在“以太”里传播；可以太到底是什么，没有人测得到。下一章开始第五单元“时空与宇宙”，迈克耳孙和莫雷用一台精密的干涉仪去测地球穿过以太的速度，得到了一个让所有人困惑的结果。电磁学和力学这两条线，将在第 27 章爱因斯坦的狭义相对论那里会合。

第二条是电子。爱迪生灯泡里那股说不清的电流，弗莱明和德福雷斯特的真空管，J. J. 汤姆孙 1897 年的阴极射线实验，都指向同一种比原子还小的粒子。第 32 章进入原子内部时，我们会再回到这里；第 39 章的晶体管，则会接过真空管的位置。

自测五个问题

1. 1858 年的大西洋电缆为什么发报那么慢？汤姆孙给出了什么规律和办法？
海底电缆的铜芯、绝缘层和外面的海水构成一个巨大的电容器，每个脉冲都得先给沿途的电缆充电，信号到达远端时被拉长、抹平。汤姆孙发现信号迟滞与电缆长度的平方成正比，所以他主张用更粗、更纯的铜芯降低电阻，并用极灵敏的镜式检流计去读微弱的信号，而不是像怀特豪斯那样加高电压。
2. 爱迪生为什么要用高电阻的灯丝？
家用灯是并联的，每盏灯承受同样的电压，电流等于电压除以电阻。灯丝电阻高，每盏灯的电流小，成千上万盏灯加起来的总电流也小，就可以用细一些的铜线，省下大量铜。在珍珠街工程中，铜导线是最贵的部分。
3. 要把同样的功率送到同样远的地方，把电压从 1 万伏升到 10 万伏，线路损耗会变成原来的多少？
由 P = UI，电压升高 10 倍，电流降到十分之一；由 P损 = I²R，损耗与电流的平方成正比，降到百分之一。
4. 交流电在 1890 年代胜出，物理上靠的是什么？
变压器。变压器靠电磁感应工作，只对变化的电流起作用，所以交流电可以在电站升到很高的电压远距离输送，再在用户附近降下来，损耗很小；直流电在当时没有方便的升降压办法，只能低压送电，送不远。再加上特斯拉的多相感应电动机，交流电也能驱动工厂的机器。
5. 弗莱明的二极管和德福雷斯特的三极管各解决了什么问题？
二极管利用爱迪生效应，只让电流单向通过，把快速振荡的无线电信号变成检流计能显示的单向电流，用来检波。三极管在灯丝和极板之间加了栅极，用栅极上的小电压控制大电流，从而能放大信号；高真空改进后，它让横贯美国大陆的电话在 1915 年成为可能，后来又成了无线电广播的核心。

参考来源本章依据

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图片：均来自 Wikimedia Commons，许可见各图说明。

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