光电池

　　 1817年，瑞典化学家柏济力阿斯发现了一种新的、他叫做硒的元素。硒是一种非金属，在地球上分布很广。很久以后，人们才发现硒适合作电阻用，例如、爱尔兰沿海的巴伦西亚岛上的电缆站就曾用它作变阻器。在这里，一位名叫梅的工程师注意到一个奇怪的现象：电流通过太阳下的硒棒比通过夜晚的硒棒要自由得多。

　　梅氏虽然在1873年作出了上述发现，但同样未曾即时应用（尽管在1883年，早期的电视先驱者—一德国工程师尼普科夫，在发明用来扫描电传图像的著名的“尼普科夫扫描盘”时，根据硒的这种性质研制出了图像传输系统。

　　几年以后，第一位产生和接收电磁波的赫兹，对所谓的“光电”现象进行了一些研究。最后发现电子的汤姆孙提出了一种理论，说有的物质会由于有入射光而发射电子。再晚一些，爱因斯坦把量子理论应用于光电现象，说明了为什么只要光一投射在硒的灵敏的表面上，它就会开始发射电子，电子速度为什么取决于光的波长。

　　 1902年，第一次开始了光电现象在技术上的应用，当时的德国物理学家阿瑟·科恩研制成功了一种有效的传真电报系统。大概就是他发明了作这种用途的一种重要的光电池：一个小的高真空的玻璃电池，除了可以进光的一个狭邪窗口”外，内壁都涂上了某种碱金属。电池里面只有一个薄金属环；这只环和碱金属涂层保持负电位和正电位。当光照到涂层上时，它就根据光的强度放出电子，金属环则吸引电子。这样就产生一个容易放大的弱电流。

　　在科恩的传真电报中，是用一个光电池逐点照亮和扫描准备传这的静止图像，然后将已调电流传送到接收装置，在那里用图像的光值调制一盏灯，灯逐点、逐行地使滚筒上转动的光敏纸或底片爆光。这一系统目前仍用于有线传送或无线电传送图像。

　　这种类型的光电池叫做光电发射管。目前还使用另外两种光电池：一种是光电导电池，仍采用硒，用于自动开关路灯最有效；另一种是光伏电池，它包含两种物质，例如铜和氧化亚铜，中间夹一个专门制备的边界层。当光落在边界层上时，就会产生伏打电流。

　　各种各样的光电池已经得到了广泛应用，例如用于照相曝光表、防盗警报器（在破门而入的人遮断一束看不见的紫外线时，警铃便会响起来）、工厂用的计数装置（记录在传送带上通过的每一件货物）、色敏元件（能对不同波长的光作出不同反应，因而可以检查出某些水果或蔬菜，例如豌豆是否色正，是否应在装罐前剔出）等。

　　当然，光电池的最重要的应用是在电视中的应用（摄像机就是一个大的光电池）以及在录音胶片的生产和显示中的应用；在这些应用中，光电池把录音磁带上的讲话，音乐和音响变成胶片上的光学声迹，再把这种声迹还原成声音。在工业和科研方面应用光电现象的另一种仪器，是探测弱光的光电倍增器或电子倍增器；它是一个由一系列类似继电器的电极构成的系统，能把由于光的入射而释放的电子数量放大到容易测量的程度。

　　

纤维镜

　　能够拐着弯进行观察的显微镜，是研制成功比头发还细若干倍的玻璃纤维后出现的一种奇妙的仪器。

　　研制纤维镜碰到的第一个问题，是制造形状像鞋带一样的镜子，而且要有自己的光源。把有一定折射率的玻璃裹在一根折射率不同的玻璃棒上，就可能满足全反射定律，换句话说，光就会沿着它们来回传输而没有损耗。这样，不管距离多远，要拐多少弯，人们都能从外面看到“内部的情况”。

　　最大的困难是制造极细的玻璃纤维，细到能把一束玻璃纤维插进人体内的孔道中，插进用于皮下注射的针中，或者通过防漏密封观察一台正在工作的机械的内部情况例如观察一个核反应堆的内部情况。玻璃纤维有两种：一种传输“相干”光，在目镜处产生图像；另一种传输“非相干”光，传到内部以照亮目标。被照着的东西通过形成两种光束的形式，在目镜或摄影机上形成影像。

　　英国的原子能局，还有较晚近的兰克组织，已率先进行这方面的发展工作，到1965年已开始生产25微米（1微米等于0.001毫米）的玻璃纤维。

　　若干美国公司，最著名的是宝雪龙公司，一直致力于研制更细的玻璃纤维，结果研制成功了15微米的玻璃纤维。宝雪龙公司的纤维镜最初是在工业上用来做检查工作（由于它发出的是冷光，所以适合于用来检查燃料箱的内部）。

　　美国心脏收缩镜公司给玻璃纤维消毒获得成功，这就为医学上的应用开辟了广阔的前景。支气管镜（让患者吞下）和胃镜（用来检查胃）通常都是7微米粗的玻璃纤维束。但是，在未能用相机拍照之前，用于研究和发展的数百万美元是收不回来的。

激光器

　　激光的出现是本世纪60年代最重大的科学技术成就之一。它以其高亮度、高方向性、高单色性、高相干性等突出特点，得到了广泛的应用，并在科学技术的许多重大领域开辟了新的生长点，引起了革命性的变化。

　　 1916年，爱因斯坦发表了《关于辐射的量子理论》一文，首次提出了受激辐射的概念。按照这个理论，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即两个光子的方向、频率、位相、偏振都完全相同。

　　随着量子力学的建立和发展，人们对物质的微观结构及其运动规律有了更深入的了解，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等也得到了更有力的证明，这就在客观上更加完善了爱因斯坦的辐射理论，为激光的产生奠定了理论基矗40年代末，出现了量子电子学，它主要研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并从而研制出相应的器件。这些理论和技术的进展，都为激光器的发明准备了条件。

　　 1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在核感应实验中，把加在工作物质上的磁场突然反向，结果在核自旋体系中造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射，这是在激光史上有重大意义的实验。

　　 1954年，美国科学家汤斯和他的助手戈登、蔡格一起，制成了第一台氨分子束微波激射器。这台微波激射器产生了1.25厘米波长的微波，功率很小，但它成功地开创了利用分子或原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例，因而具有重大意义。差不多与此同时，苏联的巴索夫和普罗霍洛夫以及美国马里兰大学的韦伯，也分别独立地提出了微波激射器的思想。

　　由于微波激射器的成功，使人们进一步想到，如果把微波激射器的原理推广到光频波段，就有可能制成一种相干光辐射的振荡器或放大器。生产和科学技术发展的需要，也推动科学家们去探索新的发光机理，以产生新的性能优异的光源。

　　 1958年，肖洛与汤斯将微波激射器与光学、光谱学的知识结合起来，提出了采用开式谐振腔的关键建议，并预言了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。同一时期，巴索夫、普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。

　　 1960年7月，美国青年科学家梅曼成功地制造并运转了世界第一台激光器。工作物质用人造红宝石，激励源是强的脉冲氙灯，它获得了波长0.6943微米的红色脉冲激光。

　　第一台激光器问世以后，激光发展很快，短短时间里就出现了许多不同类型的激光器。1961年、1964年，先后制成钕玻璃激光器和掺钛钇铝石榴石激光器，它们和红宝石激光器都是迄今仍被大量应用的固体激光器。

　　 1960年底，贝尔电话实验室的贾万等人制成了第一台气体激光器——氦氖激光器。1962年，有3组科学家几乎同时发明了半导体结激光器。1966年，又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外，还有输出能量大、功率高，而且不依赖电网的化学激光器等。

　　由于激光器的种种突出特点，因而很快被运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。比如，利用激光集中而极高的能量，可以对各种材料进行加工；激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，已在医疗、农业上取得良好的效果；激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外，各种激光武器、激光制导武器已投入实用。今后，随着激光技术的进一步发展，激光器的性能和成本进一步降低，其应用范围还将继续扩大，并将发挥出越来越重大的作用。

燃料电池

　　有时一种新的技术思想是“一个尚未出现的问题的解决办法”，事情常常是在找到解决办法后不久问题就出现了。燃料电池就是这样。

　　有3种产生电或贮存电的基本方法：一种是靠发电机，一种是靠电池，一种是靠蓄电池。第4种方法是靠燃料电池。燃料电池的历史可追溯到戴维爵士。在上世纪初期，戴维在作电解实验后提出，当电流通过水时，它会把水分解成组成水的氧元素和氢元素。后来，在1842年，另一个叫格罗夫爵士的英国科学家，成功地逆转了这一过程，即是说，通过氢和氧这两种气体互相反应的方式产生了电。然而用这种方式产生的电却是微不足道的，“电解反应的逆反应”的想法由于这个原因被埋没了达90年之久。

　　但是到1932年，一个叫培根的英国剑桥的年轻化学家开始从新的角度来看这个问题。27年之后，他演示了自己的“燃料电池”。实际上它是由一个电池组构成，每个电池都有两个电极，电极是用镍粉压制的多孔平板做成的；电池悬在40％的氢氧化钾溶液中，在每平方英寸数百磅的压力下和摄氏数百度的温度下输入氢气和氧气。结果获得5千瓦24伏的电流，可为一把圆锯或一个焊接装置提供足够的动力。这个结果是令人鼓舞的。可是培根希望燃料电池的效率最终能提高到80％，即是说，一磅气体能产生一千瓦时以上的电力。

　　具有巨大研究能力的一些大公司在美国开始从事这项研究。通用电气公司为了便于汽车上使用而成功地精简了燃料电池的组装，而且有一辆用1008个燃料电池和一台电动机作动力的拖拉机已试验成功。它使用丙烷和氧，产生15千瓦的电，足以拖动一个犁。克莱斯勒公司制造了一辆燃料电池汽车，车上有4台电动机，每一个车轮上装一台，因此无需齿轮箱、传动装置、差动装置、主动轴或后轴。俄国人也在进行类似的研究。若要没有噪声、不排放污染物的汽车，从现在看来，解决这个问题显然是要使用燃料电池。

　　然而燃料电池的首次实际应用，则是用于美国的卫星，在卫星上为无线电发射机提供用电。要研制用燃料电池提供动力的经济电动小汽车或货车，还必须做大量的研究工作。甚至可以用燃料电池来建立小型发电站为工厂和局部地区提供用电。在遥远的将来，我们可能会有用燃料电池作动力的火车或轮船。

看不见的热

　　 1946年的一大，美国雷西恩公司的一位名叫珀西·斯潘塞的工程师正在全神贯注地做雷达起振的实验。忽然，他的同事看到他胸前的衣兜上渗出暗黑色的血迹，就慌忙地说：“你受伤了，上衣袋那儿渗出血了！”

　　珀西用手一摸，湿糊糊的，脸色立刻变得煞白。可是这时他突然明白了，上衣袋里的巧克力糖融化了，真是一场虚惊。

　　珀西换了一件干净的衬衣又继续工作，但是巧克力糖为什么会融化？

　　珀西正在研究25厘米雷达电波在空间分布的状况。此时雷达天线正在发射着强大的电波。

　　是不是雷达波的作用。忽然，脑子一亮，他想通了，一定是微波的作用。

　　人们知道，世界上的物质都是由带电粒子组成的。电磁波是变化的电场和磁场组成的。电磁场的方向不断地变来变去，带电粒子跟着转来转去，产生热量，巧克力便融化了。

　　这件事情引起他的极大的兴趣，他想这种加热方式和传统的加热完全不同。当我们在锅里煮一个鸡蛋或一块肉的时候，热量是从外面慢慢传进去的。

　　外面的蛋清已经煮老了，里面的蛋黄还没有太热，为了把整个鸡蛋煮熟，就要延长加热时间而浪费许多热量。如果用雷达波加热食物，每一小部分都在电磁波的作用下同时热起来，并不需要热的传导，因此非常省时。想到这里，珀西立即动手制作了一个用雷达波烤肉的灶具。第二年——1947年珀西所在的雷西恩公司就制造出一个微波灶。

　　微波灶加热食物快，而且只对富含水分的食物起作用，而盛食物的瓷盘子却不会被加热，当你从微波灶中取食物的时候，一点也不用担心被盘子烫着手。

　　美国哈维实验室正在研究一种拆除原子能反应堆混凝土建筑的方法，由于有放射性不允许扬起一点灰尘，科学家想到了用微波加热混凝土中含的水分，水在变成水蒸汽的过程中膨胀，就会使混凝土炸开，在此过程中不会产生任何灰尘，这些微波又变成科学家手中的工具。筑路时，工人常常为融化沥青而苦恼，沥青的浓烟造成污染，在运输过程中又要保温。所以筑路工人宁愿在炎热的夏季铺路，如果使用微波加热沥青就可省去这些麻烦。

　　微波还是战胜癌症的利器。有一次有一个癌症病人高烧不退，家里人已经为他准备后事了。但是，在高烧退去后，病人的癌肿竟完全消失了。这件怪事引起了医学界的重视，经过研究发现癌细胞比一般的正常细胞对热更敏感，高烧杀死了癌细胞。这就是高烧后在癌症病人身上发生的奇迹。

　　不过温度的控制是十分重要的，不然就会损坏正常的细胞。1975年德国科学家佩蒂克大胆地使用了一种全身麻醉加热的方法。他把麻醉后的病人放到50摄氏度的石腊液体中，同时让他吸入高温气体，使体内达到41. 5～41．8度，据说治愈了很多肿瘤病人。

　　有的癌肿要更高的温度才能杀死。例如：热死脑癌的温度阈值是43．5摄氏度。但是人体不能长期处在这样的高温下，应该有一种局部加热的办法才行。科学家又想到以微波灶的原理。也不能把整个人放在微波下烘烤，那是非常有害的。不过微波天线可以做得很细很小，然后把它送到有肿瘤的部位。现在制成了一种极细小的微波发生器可以从口腔中送到食道里，这种微波发生器可以把食道中的癌细胞杀死，使堵塞的食道畅通。不必实行大手术。

　　对于前列腺肿大也可以用类似方法治疗。

　　还可以把极细的微波发生线圈送到血管里就可以烧去血管管壁的多余物质，使血管内壁变得光滑和富有弹性，目前在许多医院里已经可以进行这种手术了。

　　对于微波加热，过去人们认为，微波只能加热含水的东西，对于不溶于水的有机物质是无能为力的。但是加拿大的科学家发现，微波可以使一些有机物之间的化学反应速度提高1200多倍，这引起科学家极大的兴趣，并由此得到一系列的新成果。

　　微波的另一个妙用是用它来传递能量。

　　据说从前美国驻某国大使馆的工作人员经常感到身体不适，却又查不出什么病来，也许是水土不服吧！于是大使馆的工作人员轮流定期回国休养。

　　后来由国内派来的电子专家进行使馆内的例行公事检查的时候，发现有一束微波每天定时照射这个大使馆，大使馆的工作人员由于受到过多的微波照射才影响了健康。

　　但是，为什么总有一束微波来照射这个使馆呢？

　　电子专家发现，大厅的一个木雕雄鹰是微波照射的目标。这个雕像是美国的象征，是这个国家为了表示友好送给美国大使馆的，送来后就一直挂在这个会议大厅里。

　　拆开木雕才发现，里面有一个窃听器。这个窃听器没有电源，它的能量是由一束微波送来的。当微波束照射这个木雕像时，窃听器便开始工作，并把大厅中的声音由一束微波送回去。这种设计真是太妙了。

　　如果把这个思想用到空中飞行的飞机上，飞机就可以从地面射来的微波束中得到能量。1987年9月第一架无人驾驶的微波飞机在加拿大渥太华郊外的上空悠然自得地盘旋，它的能量来自飞机肚子下面的圆盘天线，一个像电话亭大小的发电机组把能量通过微波送上天空，飞机接受到微波后，再转化成电力驱动螺旋桨。因此这种飞机可以不用着陆不用空中加油持续不断地环球飞行。不过要每隔一二百千米设一个微波发送站。

　　人们最感兴趣的是，有朝一日用微波的能量把航天飞机送上太空。用火箭发射时，大量的能量浪费在火箭本身上，只是一个航天飞机没有多重，用微波发射可以节省20倍的经费。

　　预计在下个世纪人类将在月地之间建立一个大型太空城，太空城由于能充分利用太阳能来发电，所以向地球出口的贸易中电力占主要成分，向地球输送电能的最好方法是通过微波束，当然如果飞机或生物穿过微波束的时候会受到严重损害，不过地球上有许多荒无人烟的沙漠，在那些地方建立微波接收站就可以避免意外事故的发生。

　　科学家对于微波各个角度的思考，产生了非常不同的发明。这种思维范例值得我们学习。

法拉第发明了变压器

　　爱迪生发明了电灯，但是有一个问题使他很为难。因为，当时输电距离不能超过3千米，电流沿着电线走得太远以后，电压下降，不能把电灯点得雪亮，只能发出黄晕的光甚至不如煤气灯。

　　如果提高输电电压，靠近发电机的电灯就会被烧毁，为了解决这个难题，爱迪生在大约方圆3千米的区域内，就建一个冒着浓烟、隆隆作响的发电厂。

　　居民常常抱怨发电机发出的噪音、震动和烟尘，但是，为了解决越来越多的需求，爱迪生还是投资建厂。

　　正当爱迪生计划建立大量的发电站的时候，因发明空气制动器发了横财的威斯汀豪斯察觉爱迪生的方法存在着很大的局限性，他不断地思考用什么更好的办法输电，恰好这时候他得知，法国的化学家和物理学家哥拉尔在1882年发明了变压器，这为他解决这个问题提供了一把钥匙，他立即购买了他的专利。

　　变压器的原型应该是法拉第发明的，他曾经做过一个实验，就是把两组线圈绕在同一个软铁环上，当在一个线圈内通电的瞬间，会在另一个线圈上感应出电流来。断电时也会感应出电流。但是当稳定的直流电通过时，另一个线圈中什么电流也没有。只有通以交流电，另一个线圈中才可以不断地感应出电流来。

　　这种大小和方向不断变化的电流，叫交流电。虽然电流大小在变化，但是对点电灯是无妨的，因为电流瞬时间断，灯丝还没有来得及冷下来，又接通了，电灯一点也不会闪烁。

　　但是，当威斯汀豪斯买来了专利后发现，变压器的毛病百出，只好又组织专门的班子进行研究。

　　 1885年，正式成立了威斯汀豪斯电气公司，第二年春天就实现了用3千伏高压输电6．4千米的输电网。

　　新成果立即引起了大家的重视，公司的生意日益红火，威斯汀豪斯并不以此为满足，他得知在爱迪生的研究所里有一个叫特斯拉的年轻人，对交流电动机很有研究，就专程到纽约去拜访。特斯拉出生于克罗地亚，在匈牙利格拉茨大学学习工程学，后来移居美国。

　　特斯拉是一个脾气有些古怪的人，他和爱迪生之间有些矛盾，后来特斯拉终止了与爱迪生的合作，威斯汀豪斯用100万美元的代价买下了特斯拉的40多件专利，以借助他的新技术发展交流电动机。

　　爱迪生对这悄悄兴起的对手大为光火，于是掀起了一场诋毁交流电的宣传战，他花了数千美元组织了新闻、杂志和广告画，向外界宣传交流电的可怕，威斯汀豪斯也不甘示弱，舌剑唇枪地给以回击，但是，他没想到，纽约的法庭决定用交流电来执行犯人的死刑，还说只有交流电才有把人很快电死的效果，这是爱迪生做的手脚，对威斯汀豪斯是一个致命的打击。

　　为了抵消电椅的冲击，威斯汀豪斯盼望着有一个国际会议，恰好在芝加哥举办纪念哥伦布发现美洲400周年的国际博览会，作为会上的精品之一，就是点燃25万只电灯，威斯汀豪斯不惜血本以极低的价格竞争承担这项工程。1893年5月1日，数万支灯火在夜幕下光耀夺目，蔚为奇观。

　　在会上，尼亚加拉大瀑布建筑公司的经理拟建一座水电站。但是这座水电站远离城市，他看到威氏在展览会上的成就之后，就决定由他来承担这项任务。这件事也只有用交流电和变压器才能完成。

　　 1892年，爱迪生通用电气公司由于直流电的主张而遭到惨败，公司责令爱迪生退出公司，并去掉爱迪生3个字，改名为通用电气公司，又向威斯汀豪斯公司提出和解，两公司修好，共同使用技术成果，而爱迪生则从此不能经营发电事业了。

　　现在任何一个街头上都可以看到变压器，发电厂发出的电先升高电压到几十万伏，输到城市后再把电压降下来，这样大大地提高了输电效率，降低了损耗。升高和降低电压都离不开变压器。

从电变磁到电磁铁

　　 19世纪初期，丹麦物理学家奥斯特在对伏打电池改进时，曾对电流做过各种研究，还特别研究了电与磁之间的关系。

　　有一次，他在试验中发现当电流流过铜丝时，放置在铜丝旁边的磁针产生了哆哆嗦嗦的抖动。奥斯特感到很惊奇，不知磁针为什么会摆动。于是，他重复进行试验，以查找磁针抖动的原因。

　　他将磁针平行地放置在铜丝下面，当铜丝中有电流通过时，磁针确实发出厂摆动；而当把磁针平行地放在铜丝上面，并给铜丝通电时，磁针又向相反的方向摆动；当磁针与铜丝很接近时，磁针摆动的角度最大，达45°；而在磁针逐渐离开铜丝时，磁针摆动的角度也随之逐渐减校接着，奥斯特还用铁丝、黄铜丝代替铜丝进行同样的试验，但所得结果也是一样的。随后，他又在磁针与铜丝之间放置玻璃板、水和木板等，进行仔细观察。尽管如此，磁针的偏转摆动仍然不变。

　　奥斯特对这些试验进行了分析研究，得到了这样的结论：当电流流过导线时，在导线附近产生了像磁铁那样的磁性，即电流也具有和磁铁一样的磁力。1820年，他发表了这一研究成果，引起学者们重视与注意，也为电磁铁的发明揭开了序幕。

　　后来，法国物理学家安培根据奥斯特的发现作了更深入的研究。他在试验中发现，在两条平行的铜线中，如果流过方向相反的电流时，就会看到两条铜线互相吸引而靠近；而流过方向相同的电流时，两条铜线相互排斥而远离。安培还通过这个试验建立了电磁学计算中最常用的公式，即人们常说的安培定律。但更为重要的是，安培得到了这样独到的见解：用通过电流的线圈完全可以代替磁铁的作用。

　　除安培外，当时的法国科学家盖吕萨克也对奥斯特的试验进行了研究。

　　他也制作了像安培那样的线圈，并在线圈中挂了一枚钢针。当电流通过线圈时，他发现钢针竟被磁化了，变成了永久磁铁。

　　到了1825年，英国人斯特金用软铁棒代替放在线圈中的钢针做试验，结果软铁棒也变成了和钢针一样的磁体。但当切断电流时，和钢针不同的是，软铁棒却未能变成永久磁铁。斯特金觉得挺有趣。他想，如果将流经线圈的电流交替地接通、切断，有电流时软铁棒即有磁性，而切断电流后软铁棒的磁性就消失，这不正好符合人们所需要的那种“通电变磁铁”吗！于是，他深入钻研，终于发明了电磁铁。

　　斯特金发明的电磁铁，是将软铁棒做成U字形，即我们平常说的马蹄形，然后涂上清漆，再在上面绕上18圈左右的铜线。

　　当斯特金制成电磁铁后，美国青年学者亨利给予了很高的评价，并对斯特金的电磁铁进行了改进。亨利不是在软铁棒上涂清漆，而是往软铁棒上绕绝缘导线，这样制成的电磁铁有更强的磁力。

　　电磁铁发明后不久，发电机和电动机便相继问世，它们都采用了U形电磁铁作为主要组成部分。由此可知电磁铁发明的重要意义了。另外，现在许多电磁式仪表，以及速度达到每小时几百千米高速磁悬浮列车等，也都是电磁铁的“用武之地”。因此，电磁铁还有着灿烂的发展前景。