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。

蛙腿的启示

　　意大利波洛尼亚大学解剖学教授伽伐尼有一个设备完善的实验室。室里有许多标本、解剖用具；还有像起电机、莱顿瓶等电器设备。伽伐尼早年学习神学，后来学医，成为人体、疾病和治疗方面的权威学者。

　　 1786年的一天，伽伐尼指导学生解剖。有一位调皮的学生没有认真地做实验，反倒对旁边的起电机发生了兴趣，他趁教授不注意的时候摇起了起电机，突然啪的一声起电机和盛蛙腿的铜盘打出一个大火花，把这个学生吓了一跳。伽伐尼和同学们都转过身来，但是此时一个更奇怪的现象引起了大家的注意，摆在金属盘里的蛙腿随着电击抽动了一下，教授的眼睛瞪大了，他顾不上批评这位淘气的学生，而让他从新摇动起电机，全体同学都注视着那个蛙腿，啪的一声铜盘上又打出一个大火花，蛙腿随着电击又抽动了一下，学生们你看我、我看你地议论纷纷。

　　伽伐尼走过来，用解剖刀的刀尖翻动一下蛙腿打算探个究竟，此时蛙腿像活了一样忽然又跳动了一下，这可又使伽伐尼大吃一惊，他用颤抖的手又触动一下蛙腿，果然又引起蛙腿肌肉的抽搐。实验课再也不能正常地进行下去了，同学们都回到自己的桌子上用解剖刀去触动蛙腿希望能看到同样的现象，不过有的学生能使蛙腿抽动。有的则不能，课堂里像开了锅一样，同学们在实验室里跑来跑去，伽伐尼也顾不上去管学生，只是满腹疑惑地用解剖刀去触动蛙腿，直到下课铃声响。

　　尽管伽伐尼不明白其中的道理，但是他像一切科学家一样不放过任何偶然现象。他花费了11年的工夫去研究这件事。

　　有一天，伽伐尼用铜丝勾住蛙腿把一些蛙腿挂到阳台的铁栏杆上去晾干，一阵微风吹来，蛙腿在栏杆上荡来荡去，伽伐尼发现蛙腿每次碰到铁栏杆时都要抽搐一下，这个偶然事件又引起他的思考。他目不转睛地注视着这个怪现象。忽然产生了一个念头：蛙腿的电是来自大气中和生物体中，但是这是一个错误的结论。

　　有一个最不肯接受“生物电”的人就是伽伐尼的同胞意大利帕维亚大学的物理学权威伏打，伏打的性格比较内向，幼年时是一个十分安静的孩子，他4岁才会说话，家里人曾认为他智力迟钝，但到了7岁，他就赶上并超过了其他学生，14岁时就决心当一名物理学家。因此，伏打从小养成了善于思考和不盲从的习惯。伏打在戳蛙腿时注意到，只用一种金属或不用金属时蛙腿是不抽动的，只有两种金属同时存在的时候，蛙腿才会抽动。这个现象伽伐尼已观察到了，但是并不理解，这个现象却引起伏打的深思，他觉得似乎真理就在这里面。

　　伏打用两种金属制作了一根弯棒，一头是钢，一头是铁，中间连在一起。

　　他把一头放在嘴里、另一头靠在眼睛上，当金属棒和眼睛接触的一瞬间，眼睛里有一闪的亮光。如果是同一种金属做成的棒就不会有这种现象。还有一次他用舌头舔着一个金币和一个银币，当用一根导线把金币和银币接通时，舌头就会尝到苦味。这些现象伏打认为都是电造成的。而不是生物特有的，但是，电是从哪里来的呢？

　　他想可能是从两种金属加唾液来的。唾液是一种复杂的化学物质，它能使金属生锈，在这种化学反应中会不会产生电呢？

　　他在两种金属片之间夹上一层饱含盐水的布片，电立即加强了许多倍！

　　而且能输出稳定的电流。

　　“成功了！”

　　伏打高兴极了。

　　“是化学反应！化学反应产生了电，蛙腿的抽搐只是对电的检验，起了验电器的作用。”

　　他明白了腿蛙抽动的真正原因：腿蛙中含有水和盐类，钢制的解剖刀和铜盘是两种金属，当两种金属中间有盐类物质的时候就会产生电，与蛙腿本身无关。不用蛙腿换一个别的方法也能检验化学反应产生的电流。

　　伏打进一步实验，他用了铜片和镀锌的铁片交替放置，中间再用一层层在盐溶液里泡过的布片隔开，制成了一种称为“伏打电堆”的东西，这就是现代电池的原形。

　　电池后来又经过许多科学家的改进，1887年，英国人赫尔森发明了第一块干电池，使电池便于携带，干电池中的电解液是一种黏稠状的物质，所以液体不会溢出。

电流计的发明