萬能蒸汽機的發明者——瓦特瓦特是英國著名的發明家,是工業革命時期的重要人物。1736年1月19日生於英國的格拉斯哥。父親是一個造船工人,後來經營造船業和建房業,做過製造兼出售航海儀器的小商人。
瓦特從小身體虛弱,經常生病,到了上學年齡,還沒有進學校讀書。聰慧溫柔、循循善誘的母親,不僅教瓦特讀書寫字,學習語文和數學知識,還熱心地鼓勵孩子玩各種工具和器物,培養他觀察思考問題的興趣和動手實踐的能力。
有一個流傳很廣的故事:瓦特在童年時,有一天,壺裏的水開了,蒸汽把壺蓋衝得“噗噗”作響。這種現象司空見慣,卻使瓦特發生了很大的興趣。他目不轉睛地盯著翻動不止的壺蓋,一心思索著蒸汽的力量,竟在爐旁呆了1個多小時。姨母看見了,責罵他是個“懶孩子”。她哪裏知道,正是這種強烈的好奇心和尋根究底的品質,才導致瓦特作出了人類曆史上的重大發明!
後來,瓦特進了格林諾克的文法學校,數學成績名列前茅,但是由於身體不好,沒有畢業就退學了。在家裏,他並沒有虛度光陰,仍然堅持自學。他在養病期間,躺在床上手不釋卷,博覽群書。他鑽研天文學、物理學、化學等多種科學知識,自學了好幾種外語。
瓦特的另一個“學校”是父親的工廠,他經常在那裏向工人師傅學習技術,製作各種機械模型,修理航海儀器,進行化學和電學實驗。
經過長時間的實踐,他獲得了豐富的木工、金屬冶煉和機械加工製造、儀器修理等多方麵的工藝技術,為後來的發明打下了堅實的基礎。
瓦特17歲那年,父親經商失敗,家裏清貧如洗。瓦特被迫出外謀生,到格拉斯哥一家鍾表店學手藝。1755年到倫敦,給有名的機械師當學徒。他勤奮學習,努力鑽研,技術提高很快,不久就會製造難度較大的經緯儀、羅盤等儀器了。
1757年,經朋友介紹,瓦特到格拉斯哥大學當修造教學儀器的工人。在大學裏,瓦特結識了化學家布萊克,以及當時是學生後來成了物理學教授的魯賓遜。瓦特虛心地向他們求教,學到不少科學理論知識。他們三人經常在一起,討論研究改進蒸汽機的問題。
蒸汽機是一種利用蒸汽把熱能轉變成機械能的動力裝置。人類對蒸汽機的認識和利用,經曆了一個漫長的曆史過程。
16世紀和17世紀之交,隨著資本主義的產生和發展,在社會需求的推動下,不少人試圖製作以蒸汽為動力的排水、提水機具。1601年,意大利人波塔提出用蒸汽壓力提水的設想。
1615年,法國人德·高斯設計了蒸汽噴水器。
1659年,土耳其人德雷提出在德·高斯的噴水器上加一個鍋爐來排水。1690年,法國人巴本首先製成了帶有活塞和汽缸的實驗性蒸汽機。
所有這些裝置和器具雖然都沒有在生產上得到實際使用,但卻為以後製造可供實用的蒸汽動力裝置積累了正、反兩方麵的經驗。
1698年,英國礦山技師薩維裏製成一個蒸汽水泵。這是一個用人工操作、利用蒸汽壓力把管子中的水排出去的裝置,也是第一台實際用於礦井排水的蒸汽動力裝置。
1705年,英國鐵匠紐可門研究了巴本和薩維裏的蒸汽動力裝置,製成了一部能較大規模地將熱能轉變為機械能的實用蒸汽動力裝置。
這種裝置具有帶活塞的封閉的圓筒汽缸,是蒸汽機最早雛形。從1712年起,它在英國各礦井使用,並用於農田灌溉。但紐可門蒸汽機有耗煤量大、熱效率低,隻能做往複直線運動的缺點。這些缺點限製了它的應用。
真正有巨大工業價值的蒸汽機是經過瓦特做出重大改進的蒸汽機。
在176l~1762年,瓦特曾進行過改進蒸汽機的試驗,但沒有得到什麼結果。1764年,格拉斯哥大學委托他修理一台紐可門蒸汽機。紐可門蒸汽機是靠蒸汽進入汽缸推動活塞上升的,然後再噴射冷水,使汽缸的溫度下降,缸內蒸汽凝結,形成部分真空,利用大氣壓將活塞推回。瓦特在修理這種蒸汽機的過程中發現,活塞每一次上升後,汽缸和活塞同時被冷卻,然後為了下一次活塞上升,又需要重新加熱,因此有許多熱量被浪費掉了,這就是紐可門蒸汽機效率低的重要原因。為了避免汽缸一熱一冷而消耗大量熱量,他想到了把冷凝過程從汽缸內分離出來,即在汽缸外單獨加一個冷凝器而使汽缸始終保持高溫狀態。瓦特按照自己的設想於1765年設計了一個與汽缸分離的冷凝器,經過多次試驗失敗及不斷改進,終於在1769年製成了一台單動作蒸汽機。這種蒸汽機的耗煤量比紐可門蒸汽機少3/4,動作也較紐可門蒸汽機迅速、可靠。
瓦特並不滿足於已取得的成就,1781年他又製成了從氣缸兩邊推動活塞的雙動作蒸汽機,並采用英國人司提德發明的曲柄機構,將往複的直線運動轉變為旋轉運動。1788年瓦特發明了離心調速器和節氣閥,利用反饋原理自動控製蒸汽機的轉速。經瓦特一係列的改進,蒸汽機已經能驅動各種機器,迅速為各個工業部門所采用。
在18世紀中葉以前,生產的動力主要是人力、畜力、風力和水力,同這些動力相比,蒸汽動力具有巨大的經濟優越性和使用方便性。
瓦特的發明,使蒸汽機變成適用於一切工業部門的動力機械。1807年第一艘蒸汽輪船的製造成功,1814年第一台實用蒸汽機車的問世,以及許許多多以蒸汽為動力的機械裝置的發明,無不是瓦特蒸汽機發明導致的結果。可以說,沒有瓦特的發明,就不會有當時的工業革命。
到19世紀三四十年代,蒸汽機已在全世界廣泛應用,進入所謂“蒸汽時代”。
瓦特是一位偉大的發明家。他把主要精力集中於蒸汽機的發明,前後達20餘年。他的發明促進了生產力的發展,推進了科學技術的進步。1785年瓦特被選為倫敦皇家學會會員,1814年被接收為法國科學家協會的國外會員。
1819年8月25日,瓦特在希思菲爾德郡的家裏逝世,終年85歲。他去世後,威斯敏斯特大教堂為他立了塑像。
後來,人們為了紀念瓦特,用他的名字“瓦特”作為計算功率的單位。瓦特那種謙虛好學、善於思考、百折不撓、注重實踐的優秀品質,成為人們學習的榜樣。
不用浮名伴此生——法拉第1791年9月22日是一個光輝的日子,一代科學家邁克爾·法拉第降生在英國薩裏郡紐因頓一個貧苦的鐵匠家庭。
法拉第沒有機會進入正規學校學習,他隻學過一點讀、寫、算的初步知識。他13歲時在一家書店的裝訂廠當學徒,這使他有機會讀了不少科學書籍,學到了豐富的知識。法拉第在裝訂《大英百科全書》
時對電學產生了濃厚的興趣,就用僅有的一點零錢購買些簡單儀器做實驗。從此他對科學傾注了巨大的熱情,並為之奮鬥終生。
1812年,21歲的法拉第有幸聽了著名化學家戴維的4次科學講演,他立即被吸引住了。
法拉第向戴維表示了他渴望做科學研究工作的願望,並附上他精心整理的聽課筆記。戴維也是出身貧寒的科學家,他對法拉第十分同情。
1813年,戴維推薦法拉第到皇家科學院實驗室做他的助手。同年法拉第隨戴維到歐洲大陸進行學術考察。法拉第認真記錄了戴維在各地講學的內容,陪同戴維會見了不少知名科學家,這使他受益匪淺。回國後,法拉第在戴維的指導下取得了幾項科學研究成果。1824年,法拉第當選為皇家學會會員,在表決時戴維出於妒忌投了唯一的反對票,但是法拉第對自己的恩師一直懷著崇敬感激之情。
法拉第十分勤奮,幾十年從未停止過研究工作,盡管他的日記上經常見到“沒有效果”、“不行”等描述失敗的字樣,但是他從未灰心,1855年出版的8卷《法拉第日記》便是他日夜辛勤工作的銘證。他撰寫的由3000多節組成的巨著《電學的實驗研究》,彙集了他光輝的科學成果和卓越的物理思想。
1821年,法拉第應約為一家雜誌寫一篇評述電磁學研究狀況的文章。在整理資料的過程中,他將注意力轉向電磁學。他仔細研究了當時的成果後,認為電流與磁的相互作用除了電流對磁、磁對磁、電流對電流,還應該有磁對電流,即磁能產生電流,才符合對稱的原理。
他對此深信不疑,從此開始了磁生電的研究。
1824~1828年,法拉第進行過多次電磁學實驗來尋找感應電流。其中3個實驗比較典型:
①線圈接電池通電,另一根導線置於線圈旁,兩端接電流計,結果未發現感應;②全導線穿過通電線圈,再接通電流計,仍未發現感應電流;③將導線繞成線圈,置於通電線圈內,接通電流計,還是未發現感應電流。
法拉第並不灰心,他認為失敗是由於磁場還不夠強,於是他將空心線圈增加了鐵芯。
1831年8月29日,他在7/8英寸厚、外徑為6英寸的鐵環上繞製兩個線圈A和B,B線圈接通電流計,A線圈和電池組連接。實驗時他偶然發現,當A線接通時立即看到電流計偏轉;當斷開A線圈的電流時,再次看到電流計偏轉,但方向相反。法拉第意識到這可能就是他尋找10年的磁生電現象。他記錄道:“抓到了一點東西,但是還說不明白。”是否必須使用鐵芯?
他又做了一個實驗。把長約186米的紗包銅線繞在一個木製圓筒上,再絕緣地繞上另一組同樣的線圈並接通電流計。當原線圈與電池組接通時,電流計仍有微小的偏轉,而接通後來的線圈時,產生灼熱,電流計卻不偏轉。
法拉第想,這是不是由於接通和斷開電源時,產生了“電波振蕩引起的效應”呢?於是他不用電流產生磁場,而改用永久磁鐵。在一個空心紙筒上繞上8組線圈,並聯起來接通電流計。當把一根磁棒插入、抽出線圈時,電流計再次偏轉。接著,法拉第又在兩根大磁棒的N、S極之間放一個有鐵芯的線圈,當鐵芯線圈接觸和脫離磁棒時,都有感應電流產生,電流比空心線圈要強一些。
至此,法拉第已經領悟了電磁感應現象的暫態性,鐵芯隻是增加感應的強度,而磁生電的條件在於“變化”。接著他又做了幾十個類似的實驗。他把產生感應的條件概括為5類:變化的電流、變化的磁場、運動的穩電流、運動的磁鐵、運動中的導體,總體上稱為電磁感應。
法拉第不僅有高超的實驗技巧,而且他對電磁現象的思考也是卓越的。他天才地提出了“力線”和“場”的概念,為電磁學理論的發展指出了正確的方向。法拉第是一位偉大的物理思想家。
電磁感應現象被發現以後,電磁學實驗定律都已經確立。物理學家希望在理論上進一步抽象和深化,建立一個能適應所有電磁現象的理論,即理論電磁學(主要內容是19世紀60年代麥克斯韋建立的方程組)。這首先要解決的問題是,在空間相隔的電荷或電流為什麼能產生相互作用。在這個問題上有兩種觀點,一種叫“超距作用”觀點,認為電荷、電流直接作用,不需要任何媒介。這是一種錯誤觀點,曾使一些物理學家走入死胡同而無所建樹。另一種叫“近距作用”觀點,認為電荷、電流通過場建立相互作用,這是正確的觀點。它引導著物理學家逐步認識了電磁世界的實質。第一個明確地、完整地提出“近距作用”觀點的就是法拉第。