火和蒸汽
本书至此，几乎全是谈纯科学，也就是解释我们世界上各种现象的科学。然而，在整个历史进程中，人类一直在利用世界上的资源来增进本身的安全，改善生活，增加乐趣。一开始，人类对这些资源虽然没有正确的认识，但是经过仔细观察，一般理解，甚至是巧合，人类便逐渐能够驾驭它们，为己所用。使资源为人类所利用就是技术，它产生在科学之先。
科学发达之后，技术才可能以更快的速度进步。在现代，科学和技术已经密切结合在一起而不可能分开。这是因为每当科学阐明一些自然定律，就带动技术进步；而技术创造出新的仪器和设备供科学家使用，也就促进科学发展。
早期的技术
我们再考虑一下热力学第一定律，虽然这个定律说能量不能无中生有，但是没一条定律说能量不能由一种形式转变为另一种形式。我们的全部文明都是建立在发现新能源以及用更有效、更先进的方法来利用新能源的基础上。事实上，有史以来人类最伟大的一项发现就与将木材等燃料的化学能转变成光和热的一些方法有关。
可能在现代人种——智人出现的50万年前，原始人类就发现了火。可想而知，他们遇到了闪电引起的灌木林火或森林大火，被吓得四散逃跑。直到他们的好奇心胜过恐惧之后，才发现了火的长处。
有一次可能是一个妇女，更可能是一个小孩，被静静燃烧着的这种林火的余烬所吸引，于是往火堆里加上一些小树枝，然后看着跳跃的火苗飞舞，玩得十分有趣。当然，这时年长的人会阻止这种危险游戏，直到他们之中的一个富有想象力的人认识到使用火的益处，才将这种小孩游戏变成供人们使用的东西。火能在黑暗中提供光亮，使寒冷变成温暖，防止野兽侵袭。后来，人们发现火产生的热可使食物变软，使食物的味道更好。（但是，史前人类不可能知道火能杀死细菌和寄生虫。）
有数十万年之久，人类不会点火，只能让火苗不停地燃烧来取火。万一熄灭，就会像现代社会停电一样。为了弄到火，可能要到邻近的部落去借火，或是等到再次闪电引发火灾时再弄些火苗来。一直到较近的历史年代，人类才学会在事先没有火的地方如何点火，只在这时火才被人类真正控制（图9-1）。控制火是由智人在史前时代完成的，然而准确的年代、地点以及用何种方法点火，我们不知道，也许永远无法知道。
图9-1 早期的两种点火方法
在人类文明发展史的初期，火不仅提供了光和热、防护和烹调，后来还用于从矿石中提取金属，然后冶炼金属，以及烧制陶瓷和砖瓦，以至制造玻璃。
其他各种重要发展也促使了文明的诞生。大约在公元前9000年，人类开始种植植物，饲养家畜，从事农业和耕种，从而增加了食物的供给量。人类发现动物是一种直接能源，牛、驴、骆驼，后来还有马（当然还有分布在世界各地的驯鹿、犀牛、水牛、无峰驼和大象），这些动物的食物比人类的饮食粗糙得多，但肌肉却比人类强壮许多，可以使役。
公元前3500年左右，人类发明了圆轮（开始大概是陶工制造陶器的转盘）。若干世纪后，大约在公元前3000年，人们在载物撬上装置轮子，从此就利用滚动来拉载东西。虽然轮子不是直接能源，但克服了摩擦力就能减少能量损失。
那时人们还使用原始的木伐和独木舟，利用流水的能量来运输。可能在公元前2000年左右，人们利用风帆借助风力加速航行，甚至使船逆流而上。在公元前1000年左右，腓尼基人的帆船活跃在整个地中海航线上。
公元前50年左右，罗马人开始使用水车，利用急流推动轮子，从而又带动其他轮子做功，碾碎谷物、捣碎矿石或汲水等等。风车也在这个时候开始使用，利用风力而不是用水流转动轮子，因为湍急的水流并非到处都有，而风却无所不在。中古时代的西欧，风车是一种重要的能源。也是在中古时代，人们开始在冶金炉里燃烧称为煤的黑石块，开始利用磁力作船的指南针（磁力指南针终于使远航探险成为可能），并开始在战场上使用化学能。
大约在670年，化学能开始用在破坏方面（不是过去在箭尖上点火的那种简单技术）。据信，当时一个名叫卡利尼库斯的叙利亚炼金术士发明了希腊火，它是由硫和石脑油组成的一种原始燃烧弹，在673年因用来解救君士坦丁堡被回教徒第一次围困而闻名。火药大约是在13世纪传到欧洲的，R.培根记载为1280年。据知，亚洲早在此数百年之前便发明了火药，大概是在1240年蒙古人开始攻打欧洲时传入的。无论如何，利用火药发射的大炮在14世纪已在欧洲出现，加农炮似乎在1346年克雷西战役中首次出现。
在中世纪的所有发明中，最重要的是德国人古滕贝格发明的活版印刷术①。大约在1450年他首次铸出活版，从此印刷成为人类文明发展中的有力工具。他还发明了印刷油墨，是把碳黑悬浮在亚麻子油里，而不再是悬浮在水中。这时候纸张代替了羊皮纸（按传统说法，大约在公元50年，中国的宦官蔡伦发明了造纸法，在13世纪经由阿拉伯传入欧洲）。印刷术和纸张的发明，使书籍和其他文字资料能够大量出版，广为流传。至今，还没有其他发明的采用如此之快，30年之间就有40000册书籍出版。
此后，人类知识的记录不再限于宫廷内收藏的善本，而是只要有阅读能力的人都可以在图书馆借到想看的书。许多表达公众意见的小册子也首次印刷出版（1517年，马丁·路德因反对罗马教廷而提倡宗教改革的成功，主要归功于印刷事业能把消息传给民众。否则，所谓宗教改革只不过是教会内部的争执而已）。此外，印刷术是传播科学知识的首要工具之一，是广泛交流思想的必不可少的工具。早期的科学只是少数学者彼此之间的私人交流，如今，科学已成为人类活动的主要领域，使越来越多的工作人员加入到最后将扩展成为世界性的科学社团，对各种理论做及时而严格的检验，并永无止境地开发各项新的领域。
蒸汽机
能量的利用尽管在古代已有模糊的预示，但是直到17世纪末才达到一个伟大的转折点。希腊发明家亚历山大大帝在1世纪某年代，建造了一些以蒸汽为动力的装置。他利用蒸汽膨胀所产生的推力来打开庙宇的大门、转动地球仪等等。随着亚历山大帝国衰败，资料散失，已无法探究这些早期的装置了。
然而，在15世纪后期，蓬勃发展的新社会有了第二次改革的机会。矿坑里抽水的问题日益严重，因为矿坑开采越深，越需要抽出大量的水。老式手摇唧筒（见第五章 ）利用真空来抽水，而到了17世纪，人们越来越喜欢也更热衷于利用真空（或者，更确切地说，是真空造成的空气压力）的巨大能量。
举例来说，1650年有一位德国物理学家（马德堡市市长）居里克发明了人工抽气机。他把两个有凸缘的金属半球组合在一起，其中一个半球有气嘴，从气嘴抽出组合的两个半球内的空气，于是半球内的空气压力降低，与半球外面的大气压力失去平衡，这样，两个半球就紧紧地贴在一起。最后，即使用两组马匹以相反方向用力拉，也无法将两个半球分开。然而，一旦半球内再充入空气，两个半球就自动分离。这个实验曾经展示给包括德国皇帝在内的要人观看，引起了很大轰动。
因此，一些发明家开始想：为什么不利用蒸汽代替手工来抽真空？如果把水倒入圆桶或其他容器内加热，使水沸腾形成蒸汽，就会把水排出容器。如果冷却容器（例如，在容器外面加上冷水），那么容器内的蒸汽会凝成水滴，容器就产生接近真空的状态。想使水上升（如抽出矿坑内的水），可以通过阀门使水进入真空的容器内。
法国物理学家帕潘早在1679年就见识到蒸汽的力量。他制造了一个蒸汽锅，使水在这个密闭锅内沸腾。蓄积的蒸汽压力使水的沸点增加，这样的高温使食物易熟而且更好吃。蒸汽锅内产生的压力，使帕潘想到可以利用蒸汽来做功。于是，他在一根其中有活塞的管子底部放置一些水，然后加热使水变成蒸汽。蒸汽强力扩张，于是向上推动活塞。
英国的军事工程师萨弗里是第一个把上述想法用到实用装置上的人。他制造的蒸汽机可用来抽出矿坑或井里的水，或是用来推动水车，所以他称他的机器为“矿工之友”。但是，他所造的蒸汽机不但危险（因为蒸汽的高压可能把容器和导管冲破），而且效率很低（因为每当容器冷却，蒸汽的热量就损失掉）。萨弗里的蒸汽机在1698年取得专利。7年后，一个名叫纽科门的英国铁匠制造了一部改进的蒸汽机，在筒状容器内有一个活塞，利用大气压把活塞往下推，就可以在比较低的蒸汽压下运行。
纽科门的蒸汽机效率也不高（每次加热后，仍要冷却蒸汽室），以致蒸汽机并不怎么受重视。直到60多年之后，苏格兰的仪器制造工程师瓦特发明了高效率蒸汽机。当时，格拉斯哥大学雇用瓦特帮助修理一台有故障的纽科门蒸汽机模型。瓦特开始思考大量浪费燃料的问题：究竟为什么蒸汽室每次都必须冷却？为什么不始终保持蒸汽室的蒸汽温度，而把蒸汽引到另一个处于冷态的冷凝室？于是，瓦特做了一些其他改进：利用蒸汽压力辅助推动活塞；装上一套机械连动装置，使活塞保持直线运动；将活塞的往复运动牵引在一个能转动轮子的轴上，等等。到1782年，瓦特的蒸汽机的效率比纽科门的蒸汽机至少高两倍（同是烧1吨煤），就像一匹可作多种使役的马随时可以运转（图9-2）。
图9-2 瓦特的蒸汽机
在瓦特以后的年代里，蒸汽机的效率不断提高，主要是利用在更高的压力下的更高温度的蒸汽。卡诺的热力学（见第七章 ）的创立，主要是由于认识到任何热机运行的最大效率与储热介质（一般情况为蒸汽）冷热前后的温度差成正比。
在18世纪中，人们发明了各种机器设备来大量增加纺织品产量。这些机器设备取代了中古时代使用的纺车。最初，这些机器借动物或水车的动力运转。但是在1790年，纺织工业跨出了关键性的一步，即利用蒸汽机作为动力。
于是，新式纺织厂不必再建在湍急水流附近，也不必饲养动物，可以建在任何地方。后来，英国开始了革命性转变，劳动人民离开农田，放弃家庭手工业，蜂拥进工厂。但是，当时工厂内的工作环境甚差，后来人们逐渐领略到：工人的待遇不应该比替人工作的动物还要糟，于是工厂的工作环境才逐渐改善。
采用蒸汽机作为新动力系统的其他国家，同样也发生了巨大转变和工业革命（工业革命一词是1837年法国经济学家布朗基开始使用的）。
蒸汽机也全面革新了运输业。1787年，美国发明家J.菲奇制造了一艘可以航行的汽船，因为经济困难而告终，J.菲奇默默无名地死去。美国人富尔敦是一个比J.菲奇能干的发起人，他建造的汽船克莱蒙特号在1807年下水，由于大肆夸张和一些人的支持，都以为他是汽船的发明人。事实上，正如瓦特并非制造蒸汽机的第一个人一样，富尔敦也不是第一个制造汽船的人。
也许更值得纪念富尔敦的地方，是他努力试图建造水下航行的船只。他制造的潜水艇并不实用，但是却促进了现代化的发展。他建造了一艘称为鹦鹉螺号的潜水艇，而凡尔纳在1870年出版的小说《海底二万里》中的潜水艇也叫鹦鹉螺号；另外，第一艘核潜艇受小说的影响也是用这个命称（见第十章 ）。
19世纪30年代，横渡大西洋的汽船使用螺旋桨推进，这比两侧圆轮推进器要进步许多。到了19世纪50年代，美国的漂亮的快速帆船开始把帆收了起来，而且远洋商船队和海军船只都被汽船代替。
后来，英国工程师C.A.帕森斯（发现蟹状星云的罗斯勋爵之子）对使用蒸汽机的船只做了一项重大改进。原来的汽船是用蒸汽推动活塞，再用活塞推动推进器。C.A.帕森斯把“中间环节”拿掉，使蒸汽流直接吹向推进器周围的一组叶片。这样一来，推进器就必须能承受高温和高速旋转，然而他终于在1884年造出了第一台实用的蒸汽涡轮机。
1897年，维多利亚女王登基60周年，英国海军进行了例行的蒸汽动力战舰检阅，这时帕森斯的蒸汽涡轮动力舰涡轮号以每小时35海里的速度悄悄地超越过去，而英国海军当中没有一艘能够追上涡轮号，这等于为涡轮号做了一次广告宣传。不久，商船和军舰都改用涡轮动力了。
在这期间，蒸汽机也开始主宰了陆路运输。1814年，英国发明家斯蒂芬森（他的工作大部分是根据英国工程师特里维西克的研究）建造了第一台实用的蒸汽机车。利用蒸汽推动活塞的往复运动，就像活塞推动船上的推进器那样，带动铁轨上的铁轮子。1830年，美国的制造商库柏建造了西半球第一辆蒸汽机车，这是历史上一大创举，使陆路运输能如海路运输一样方便，同时使陆路经商能和海路贸易竞争。1840年，美国的铁路由濒临大西洋的东岸建到密西西比河。到了1869年，铁路线横跨了整个美国。
电
根据事物的自然特性，蒸汽机只适用于产生大规模而且持续的能量，无法有效地传送少量能量，也无法用按钮控制的方式使它做间歇性传送。一部小型蒸汽机得按照需要点火和熄火，十分麻烦。但是，在蒸汽动力蓬勃发展的同一时代，也出现了把能量精确转换成上述方式的设备，即只要一按电钮就能把现成的能量传送到任何地方，大量少量都可以。这种形式就是电。
静电
希腊哲学家泰勒斯在公元前600年左右写下了这样的记载：在波罗的海沿岸发现的树脂（我们称为琥珀，当地人称为电子）和犬皮摩擦后，就会吸引羽毛、丝线或少许绒毛。英国人吉伯是一位磁性研究者（见第五章 ），他是第一位将这种吸引力称为电（源于希腊文“电子”）的人。吉伯发现除了琥珀以外，还有诸如玻璃之类的东西，经摩擦也有带电现象。
1733年，法国化学家迪费发现，假使让两根琥珀棒或两根玻璃棒用摩擦的方法使它们带电，两根同类棒会互相排斥，而带电的玻璃棒却会吸引带电的琥珀棒。如果玻璃棒和琥珀棒一接触，两根棒就都不带电。他认为，这种现象表明有两种电：玻璃电和树脂电。
美国的学者B.富兰克林对电十分感兴趣，他认为电是一种流体。当玻璃受到摩擦时，电就流入玻璃棒，使玻璃棒带“正电”。而当琥珀棒受到摩擦时，电就流出琥珀棒，使琥珀棒带“负电”。并且，当一根带负电的棒和一根带正电的棒接触时，电流将从正的一方流向负的一方，直到达到电中性平衡。
这是一个相当精辟的推论。如果我们用电子代替B.富兰克林所说的流体，并且将流向反过来（实际上电子流从琥珀流到玻璃），他的猜想基本上是正确的。
在1740年，法国的发明家德萨居利埃提出，将电流能在其中自由流动的物体（例如，各种金属）称为导体；将电流不能在其中自由流动的物体（例如，玻璃和琥珀）称为绝缘体。
实验发现，如果导体被玻璃或空气层绝缘起来，则大量电荷便逐渐积蓄在导体上。最令人注目的是莱顿瓶，它是德国学者克莱斯特在1745年发明的，但实际使用的却是几个月后在荷兰的莱顿大学由荷兰学者穆申布鲁克独自制成的莱顿瓶。莱顿瓶是现代称为电容器的一个例子。电容器是由中间夹有一层薄薄的绝缘体的两片导体构成的，其中一片能储存电荷。
在莱顿瓶里，电荷经由穿过木塞的铜链储存在玻璃瓶内的锡箔上。当你接触充过电的瓶子时，会受到令人难受的电击。莱顿瓶还能产生火花。当然，物体带电量越大，电荷逃脱的趋势越强，使电子由电子过多的区域（负极）转移到电子最缺少的区域（正极）的力，称为电动势或电位。电位够高时，电子甚至能够越过正、负两极间的绝缘隙。这样，电子就跨过两极间的空隙而产生明亮的火花和噼啪声。明亮的火花是由于无数的电子和空气分子碰撞所引起的，而噼啪声是因为急速加热的空气膨胀，随之被冲入瞬时生成的部分真空的冷空气拍击而产生的。
当然，有人会想到，天空打雷打闪现象是否和放大的莱顿瓶效应一样？英国学者W.沃尔在1708年就提出了这种看法。这种看法使B.富兰克林在1752年进行了他的著名实验。他在风筝上扎上一根细铁丝，铁丝上系有一条丝线。在雷电交加的日子，将风筝放上天空。当B.富兰克林的手接近系在丝线上的金属钥匙时，钥匙上有火花产生（见图9-3）。富兰克林又使钥匙带上云层中的电荷，然后用带电的钥匙去给莱顿瓶充电，结果，莱顿瓶同样也充上了电。这样，B.富兰克林就证明了雷雨云里充满电荷，雷声和闪电正是天空的莱顿瓶效应，其中的云层和地面就是两个电极。
图9-3 富兰克林的实验
就B.富兰克林本人来说，做这个实验最幸运的事就是未丧命。有些人做这种实验而致命，这是因为风筝上的细铁丝蓄积的感应电荷对手持风筝线的人产生了致命的放电。
B.富兰克林立即将理论上的这种进展付诸实际应用，发明了避雷针。避雷针的构造很简单，由一支装在建筑物最高点的铁棒和接到地面的导线构成。铁棒的尖端吸取云层里的电荷，经导线安全地通到地面上。如富兰克林的实验表明，万一受雷击，电荷便安全地接地。
全欧洲和美国都在建筑物最高点上装设避雷针，此后，雷电造成的灾害便明显降低，这是一项不小的成就。但是，在每年20亿次闪电之中，平均每天仍有20人被击身亡，80多人被击伤（均为估计数字）。
B.富兰克林的实验产生了两种如电击般的效果：第一，整个世界突然对电充满了兴趣；第二，就文化而言，他使美国领土能够出现在地图上。他是第一位能够在理性时代先进的欧洲人面前展露科学家能力的美国人。25年之后，B.富兰克林代表刚诞生的美国到凡尔赛请求协助时，受到了盛大的款待，不只因为他是一个新共和国的使节，也是因为他是一位驯服了闪电，并把闪电引导到地下，具有大智的伟人。他的风筝对美国的独立，贡献甚大。
继B.富兰克林的实验之后，电学的研究突飞猛进。1785年，法国的物理学家库仑完成了带电物体吸引力和排斥力的定量测定。他的实验结果表明，电荷的吸引力（或排斥力）与距离的平方成正比，这一点和重力类似。为了纪念这个发现，采用库仑来表示电量的一个通用单位。
动电
不久之后，电学的研究有了更新奇、更丰富而且更令人惊讶的转变。在这之前，我们所讨论的都是静电，静电是指物体上所带的而且停留在物体上的电荷。电荷的移动，也就是电流或动电，是由意大利的解剖学家伽伐尼首先发现的。1791年，他无意中发现，如果将两种不同的金属同时接触解剖的青蛙的大腿，会引起青蛙大腿肌肉的收缩。
青蛙大腿肌肉的上述收缩反应和莱顿瓶放电刺激肌肉的反应一样，所以伽伐尼认为肌肉里有他所谓的动物电。另外，有些人认为，电荷的来源可能是两种金属的接点，而不是肌肉。1800年，意大利物理学家伏打研究了不同金属的组合，并用溶液代替肌肉组织来连接不同的金属。他开始使用不同的金属片串在一起，然后连接两个盛有半杯食盐水的杯子。为防止盐水溢出，他准备了一些小铜片和小锌片，把它们交替叠加起来。他还做了一些用盐水浸湿的纸卡片。这样，他的伏打电堆就由银片、纸卡片、锌片、银片、纸卡片、锌片……依次叠置而成。电流能从这种装置持续地流出。
任何这样的连续重复的装置都可称为电池。伏打的装置便是第一个电池（图9-4）。直到一个世纪以后，科学家们才知道化学反应中有电子转移，以及用电子的移动和流动来解释电流的发生。然而，在此之前，虽然他们不完全了解电流的原理，但会使用。
图9-4 伏打电池。相接触的两种不同金属片产生电子流，借助盐水浸过的布从一个电池传到另一个电池。如今的干电池或电筒电池用碳和锌做材料，是在1841年由本生首先制成的
戴维利用电流来分开紧密结合的分子中的原子，在1807年和1808年首次制备了钠、钾、镁、钙、锶、钡等金属。法拉第（戴维的助手和被监护人）继续研究分开分子（电解）的一般规律。半个世纪之后，他的研究引导阿伦尼乌斯提出了离子离解假说（见第五章 ）。
伏打电池发明之后的150年间，由于动电的用途广泛，静电不被重视，甚至被视为历史的陈迹。然而，智慧和知识永无止境。1960年，美国的发明家卡尔森利用局部性静电引力将碳黑粉吸附到纸上，制成复印装置。这种复印装置不需要溶液或湿介质，称为静电印刷术（源于希腊文“干写”的意思），从而改革了办公室的工作程序。
一些早期的电学研究者的名字被永远定为电学各种量度单位的名称。前面提到，库仑为电量单位。另一个单位为法拉第，1法拉第等于96500库仑。法拉第的名字还被用作电容单位：法拉。另外，为了纪念法国物理学家安培，电流强度（在一定时间内通过电路的电流量）的单位称为安培（见第五章 ）。1安培等于每秒1库仑的电流。为了纪念伏打，电动势（驱动电流的力）的单位称为伏特。
一定的电动势在不同的电路上并不能驱动相等的电流。在良导体上能驱动大量电流，在不良导体上只能驱动小量电流，而非导体上实际没有电流通过。1827年，德国数学家欧姆研究电流受到的电阻时发现，在一定的电动势下，电路上电流大小与电阻有精确的关系。取伏特数与安培数之比值就能算出电阻值，这就是欧姆定律，电阻的单位为欧姆。因此，1欧姆等于1伏特除以1安培。
发电
由化学能转换为电能（如伏打电池等），通常比较昂贵，因为所用的化学物质比较少而且贵。因此，在19世纪初期，虽然实验室里可以方便地使用电能，但是在工业上不可能大规模使用。
人们有时试图利用一般燃烧所产生的化学反应作为电能来源。像氢（煤更好）这种燃料要比锌、铜等金属便宜得多。早在1839年，英国的科学家格罗夫设计了利用氢、氧化合的电池。尽管这种电池令人注目，但是并不实用。近年来，物理学家们努力研究实用的燃料电池。原理都了解，只是实际上的困难有待克服，这些问题很难解决。
在19世纪末，电能开始大量使用时，电的来源并不是电池，这不足为奇，因为在19世纪30年代法拉第就利用导体在磁铁磁力线中的机械运动来产生电能（图9-5，并见第五章 ）。在这样的发电机（源于希腊文“力量”）里，运动的动能可以转变成电能。可以用蒸汽动力来做这种运动，而蒸汽则是燃烧燃料而产生的。这样，比燃料电池间接一些，燃烧煤或油（以至木材），将获得的热能转换成电能。到了1844年，上述大型发电机已用来驱动机器。
图9-5 法拉第的发电机。旋转的铜盘切割磁铁的磁力线，在伏特计上产生感应电流
十分需要更强力的磁铁，以求做切割强磁力线的运动时能产生更大的电流。而这些强力磁铁的制造又必须利用更强的电流。1823年，英国的电机实验家斯特金把裸铜线在U形铁棒上绕18匝，形成一个电磁铁。当接通电流时，产生的磁场都集中在铁棒上，这时铁棒能举起相当于铁棒本身重量的20倍的铁物，而切断电流时，铁棒的磁力消失，不能举起任何铁物。
1829年，美国的物理学家亨利用绝缘漆包线来缠绕铁棒，大大改进了这种装置。一旦使用绝缘漆包线，就可以绕成一层层紧密回路，没有短路的危险。每多绕一圈，磁场强度和电磁铁磁力就随之加强。1831年前，亨利已造出一个能提起1吨重铁的电磁铁，而且体积不大。
用电磁铁显然能制造较好的发电机。1845年，英国物理学家惠斯通利用电磁铁制成了发电机。麦克斯韦对法拉第19世纪60年代的研究结果所作的数学解释，可以较好地说明磁力线的理论（见第五章 ）。1872年，德国电气工程师黑夫纳-阿尔特纳克设计了第一台真正有效的发电机。后来终于可以利用水力便宜地发电，从而不仅利用燃料发电，而且还利用水力发电。
电在技术方面的早期应用
电在技术方面的早期应用的研究，较大部分应归功于亨利。亨利在电应用上的第一项发明是电报。他设计了一套使用继电器的电路系统，能够用电线把电流传送到好几公里远的地方。电压保持一定时，带电阻的电线上的电流强度随着传导距离的增加而减弱。亨利设计的继电器就是利用微弱的电流信号来驱动一个小小的电磁铁，而这些每隔一定距离所设置的电磁铁就启动一个放大信号的开关。这样，编码的电脉冲信号就可以传送到相当远的距离。实际上，亨利建立了上述工作方式的电报通信。
由于亨利是一位不同于世俗的人，他认为知识应当由全世界共享，因此没有为自己的发明申请专利，也没有因此项发明而获得荣誉。这项光荣最后落在艺术家莫尔斯身上，他依靠亨利的无偿帮助，在1844年制造出第一台实用的电报机。莫尔斯对电报的主要贡献是他发明了由点和线系统组成的著名的莫尔斯电码。
亨利在电学方面最重要的研究成就是电动机。他的研究表明，正如轮子的转动能发电一样，电流也能用来转动轮子，而且用电转动的轮子（电动机）可以用来带动其他机器。这种电动机到处都可以安装，可以任意开或关（不必像蒸汽机要先烧好足够的蒸汽才能开动），而且可以按所需尺寸建造（图9-6）。
图9-6 亨利的电动机。右上方的磁棒D吸引绕线磁铁B，把长的金属插头Q和R插入黄铜套管S和T，S和T就是湿电池F的两个端电极。电流流入水平磁铁时，产生电磁场，把A和C吸在一起。整个过程又在另一端重复，水平磁棒就这样上下摆动
问题是必须把电由发电厂传送到使用电动机的地方。因此必须研究某种方法使电在电线上传输时减少能量损失（以散热的形式）。
一种方法是用变压器。电流实验者们发现，如果电线上电流减小，那么能量损耗会大大降低。因此，将发电机的输出端接到变压器，使电压升高若干倍，例如，升高3倍，则电流减小到1/3。在接收站，可使电压再降下来，因此，电流又相应地增大，供电动机使用。
变压器的工作原理是利用初级绕组的电流在高压端次级绕组中产生感应电流。这样的感应作用需要改变次级绕组的磁场。因为直流电无法产生这种效果，所以使用一种连续变化的电流，先升高到一个峰值，然后下降到零，再以相反方向达到负峰值，反复变化，这就是交流电。
交流电与直流电经过一番竞争之后，才占了上风。19世纪最后10年，电学领域内最伟大的研究者爱迪生赞成使用直流电，并在1882年在纽约市建立了第一个直流发电厂来供给他发明的电灯的电流。他反对交流电的理由是交流电比较危险（例如，处死刑的电椅就使用交流电）。然而爱迪生的主张受到特斯拉的强烈反对，特斯拉是爱迪生手下的一名工程师，而且受到不平等的待遇。1888年，特斯拉研制出一套成功的交流电系统。1893年，交流电的支持者威斯汀豪斯击败了爱迪生，为他的电气公司取得了建造尼亚加拉瀑布城交流发电站的合同。在以后的几十年里，施泰因梅茨以严格的数学基础建立了交流电理论。如今，在电力传输系统上几乎全是交流电的天下。1966年，美国通用电器公司的工程师们建造了一台直流变压器（长久以来认为是不可能建造的），但必须在液氦温度下运转，而且效率很低。原理上是很理想的，但现今似乎没有实用价值。
电技术
蒸汽机是一种原始发动机，它将自然界现有的能源（木材、油和煤的化学能）加以转换而做功。然而，电力机不是原始发动机，它将电能转换为功，但电能本身的来源是燃料的燃烧或水位差。因此，对于负载重的工作，电力要比蒸汽贵得多。但是，电力也能应用于较重的工作。在1879年的柏林展览会上，一辆电动机车
（利用第三条铁轨作为电流来源）成功地推动了一列客车。如今，电力机车已经十分普遍，尤其是在都市的快速运输方面，因为电力机车清洁，操纵方便，因而补偿了增加的费用。
电话
电之所以能够一展所长，正是在于它完成了蒸汽无能为力的工作。以电话为例，它是在1876年由在英格兰诞生的发明家A.G.贝尔发明的。电话的话筒上有一片薄的铁质振动膜，讲话者发出的声波打在振动膜上，振动膜便随着声波波形振动，因而产生一个模拟电流的波形，其中电流的强弱就是声波振幅的大小。在电话听筒上，也是用电流强度的变化来制动一个电磁铁，从而使听筒上的振动膜发生振动，使声波再现。
早期的电话技术并不成熟，效果也不佳。即使如此，电话仍在1876年在费城举行的美国独立100周年展览会上博得好评。参观展览的巴西皇帝佩德罗二世试用之后，惊讶地放下听筒说道“：它能说话！”这句话成了当天报纸的头条新闻标题。另一位参观者开尔文勋爵同样印象深刻。此外，伟大的麦克斯韦对于人类的声音居然可以靠这种简单的装置再现，也感到惊奇。1877年，维多利亚女王接受了一部电话，于是电话的成功被肯定。
还是在1877年，爱迪生对电话装置做了重大的改进。他制造的一种新式话筒，其中有松散装填的碳粉，当振动膜挤压碳粉时，碳粉便传导较多电流，而当振动膜离开碳粉时，碳粉传导较少电流。利用这种方式，声波被话筒转换成高保真变化的电流脉冲，而且听筒中再现的声音的清晰度也有很大改进。
如果不使用粗铜线（电阻小），电话信号无法传送很远。19世纪末到20世纪初，南斯拉夫出生的美籍物理学家浦品发明了一种方法：在细铜丝上每隔一定距离加上一个电感线圈。这种装置能放大声音信号，并能远距离传送。1901年，贝尔电话公司购买了这套设备，到1915年，纽约和旧金山的电话线路开始通话，于是长途电话成为事实。
在拨号电话问世（1921年）以前，电话接线员一直是不可缺少的。随着电话自动化不断发展，到1983年，成千上万名电话职工罢工两个星期，而电话业务并没有因此而中断。最近，无线电通信和卫星通信使得电话的用途更加广泛。
录音
1877年，也就是在电话发明的一年之后，爱迪生发明了留声机。最初的唱片是一张包在圆筒上的锡箔片，锡箔片上刻有凹槽。1885年，美国发明家泰恩特以蜡制的圆筒代替贴上锡箔片的圆筒，然后在1887年，柏林纳推出涂蜡的圆薄片。1904年，柏林纳做了一项更重要的改进：使用扁平的留声机唱片，让唱针在扁平唱片凹槽的两边来回摆动。这种小巧的唱机马上就取代了爱迪生的圆筒式唱机（唱针在凹槽里上下振动）。
1925年，开始借助电利用麦克风录音。麦克风中采用一片压电晶体②来代替金属振动膜，使声音转换成模拟电流，而压电晶体能使再现的声音音质更好。20世纪30年代，开始使用起放大作用的真空管。
1948年，匈牙利血统的美国物理学家戈德马克发明了一种密纹唱片，这种唱片不采用传统的每分钟78转而改用每分钟33½转。一张密纹唱片的容量是旧式唱片容量的5倍，因此用它来听交响曲就不用换面或换片了。
电子技术使高保真和立体声成为可能，音响效果实际上把乐队或演唱者和听众之间的一切机械性障碍完全消除。
磁带录音是在1898年由丹麦的电气工程师浦耳生发明的，但经过某些技术改进后才变得实用。一个使电流随声音波形的变化而变化的电磁铁，把经过它的磁带或磁线上的粉末磁化，完成录音。放音时，使用一个拾磁迹的电磁铁再转换成电流，声音再现。
发明电以前的人工照明
电的各种功能中，最受欢迎的莫过于把黑夜变成白昼。人类曾经使用过营火、火把、油灯和蜡烛来增进人类在日落后的活动能力，大约有50万年之久，人工照明一直是微弱而闪烁不定的。
19世纪，古老的照明方法有了许多改进，鲸鱼油和煤油开始用来点灯，使油灯更亮、更有效。奥地利的化学家韦耳斯拔研究发现，如果把一个浸有铯和钍化合物的圆筒形纱罩安置在灯焰周围，可使灯火变成闪亮的白色。1885年取得专利的韦耳斯拔纱罩，使油灯的亮度大为增强。
19世纪初，苏格兰的发明家默多克发明了煤气灯，把煤气充人一个有喷嘴的瓶内，然后由喷嘴喷出再点燃。1802年，他为了庆祝英国与拿破仑达成了暂时和平，举行了一次别开生面的煤气灯展览大会。在1803年之前，他已开始使用煤气灯来照明他的主要工厂。到1807年，一些伦敦的街道也开始使用煤气灯来照明，从此广为流传。随着时代的进步，大城市的夜晚越来越明亮，不但降低了犯罪率，而且增进了市民的安全保障。
美国的化学家黑尔研究发现，炽热气体火焰喷在一块氧化钙（石灰）上，会产生明亮的白光。这种石灰光用于戏院舞台照明，它的亮度是前所未有的。
从火把到煤气灯都是使用火焰照明。如果附近没有火源，必须有某种装置来点燃燃料（可以是木材、煤、油或煤气）。19世纪以前，最方便的点火方法是使用钢和火隧石，把钢和火隧石互击就产生火花，碰巧，火花就能点燃火绒（细分散的易燃物），然后火绒的火就能点燃蜡烛等等。
19世纪初期，化学家们开始试着把易燃的化学物质涂在一小片木材的一端，温度升高时易燃物就会突然燃烧起来，这样的一小片木材就是火柴。摩擦可以提高温度，所以把火柴在粗糙的表面摩擦就可以点燃而产生火焰。
最早的火柴使用的化学物质具有毒性，点燃时会冒出讨厌的浓烟，并产生恶臭。1845年，奥地利的化学家施勒特尔改用红磷作为火柴棒上的易燃物，火柴的使用才真正安全。最后研制出的安全火柴，是把红磷涂在火柴盒的粗面纸条上，火柴头部为其他所需的化学物质。火柴头和涂有红磷的纸面都无法单独起火燃烧，但是我们把火柴头在涂有红磷的纸面一划，火柴就被点燃。
另外，在钢和火隧石点火方面也有长足的进步。发火合金③代替了钢，用一个小圆轮摩擦它，就可以产生炽热的火花。易燃液体燃料取代了火绒，结果就构成香烟打火机。
电灯
所有直接和外界接触的火焰都会不停地跳动，有引起火灾的危险，因此需要另一种新方式照明。长久以来人们就注意到，电能够发光。莱顿瓶放电时产生火花；电流流过电线时，有时也会使电线发出辉光。这两种发光系统都已用来照明。
1805年，戴维给两片导体通上电流，使两片导体之间的空气间隙放电。保持电流不断，放电就继续下去，产生电弧。后来，电比较便宜，用电弧灯照明成为可能。19世纪70年代，巴黎和其他城市的街道使用了这种灯。电弧灯发出咝咝的声音，明暗闪烁，也是开式的，也有引起火灾的危险。
更好的方式是用电流加热一条细丝（灯丝），直到发光。当然，必须在没有氧的情况下，灯丝才能发出辉光，否则一经加热，灯丝马上被氧化。早期试图直接将空气抽走，以排除氧。1875年，对阴极射线有研究的克鲁克斯（见第七章 ），为上述目的设计出能产生高真空的方法，不但快速而且经济。虽然如此，灯泡中所用的灯丝仍然容易烧断。1878年，刚刚发明了电唱机的爱迪生，宣称他将要解决这个问题。当时他仅31岁，可是他已经是一位享有盛名的发明家，他的宣称竟然使煤气公司的股票在纽约和伦敦的股票交易所下跌。
爱迪生经过数百次实验和无数次失败之后，终于找到了一种适合做灯丝的材料——烧焦的棉丝线。1879年10月21日他点亮了这个灯泡，灯泡一直亮了40个小时后灯丝才被烧掉。就在翌年的除夕夜，爱迪生在新泽西州的门洛帕克（它的实验室就在此城）的主要街道上都点上了他所发明的电灯，得意地公开展示。不久，爱迪生的灯泡就取得了专利权，并开始大量生产。
然而，爱迪生并不是惟一发明白炽灯泡的人。至少有另一位发明家——英国的斯旺，也宣布了同样的发明。1878年12月18日在纽卡斯尔举行的化学学会会议上，他展示了一个碳丝灯泡。但是直到1881年，他的灯泡才正式生产。
爱迪生继续研究给使用电灯的家庭提供稳定和充足的电力的问题，这是一项和发明电灯一样费力的工作。后来，对灯泡做了两项主要改进：1910年，通用电器公司的库利吉采用耐热的钨金属做为灯丝材料（图9-7）；另外，1913年，朗缪尔把惰性气体氮充入灯泡，防止灯丝在真空中容易氧化或容易断裂。
图9-7 白炽灯泡
氩（1920年开始使用）充入灯泡的效果比氮好，氩是纯惰性气体。另一种惰性气体氪效果更好，可使灯丝热到更高温度，发出更亮的光，而不减少寿命。
经历了半个世纪，灯泡透明的玻璃和光亮的灯丝就像太阳一般，令人难以张目直视。后来，一名化学工程师皮普金设计了一种蚀刻灯泡内层玻璃的实用方法（在灯泡外层玻璃蚀刻会收集灰尘，并减小灯光亮度）。使用毛玻璃灯泡能产生一种柔和、舒适、稳定的光线。
电灯的问世有可能抛开火焰照明设备，从而使火灾成为过去。
不幸的是，开放式火焰依然存在，而且可能永远都会存在——营火场、煤气炉或油炉。最不幸的是，数以亿计的吸烟者所带的香烟和打火机便是开放式火焰的来源。每年生活中由吸烟引起的火灾（包括森林大火、灌木林火和房屋建筑等火灾）造成的损失不计其数。
用灯丝来发光的灯泡（白炽灯名称的由来就是因为全靠灯丝阻止电流流通所产生的热量来发光），并不是将电转换成光的惟一方法。例如，1910年由法国化学家克洛德发明的霓虹灯，就是在管子内由电荷放电来激发氖原子放射出明亮的红光。日光灯的灯管里充有水银蒸气，水银蒸气被放电激发就会产生含大量紫外线的辐射。紫外线不但可以晒黑皮肤，而且可以杀死细菌，还可以产生荧光。紫外线能产生荧光的性质导致了日光灯（荧光灯）的诞生。日光灯在1939年举行的纽约世界博览会上公诸于众，当时已是现在的形式。由水银蒸气发出的紫外线激发涂在灯管内壁的磷，而产生荧光（图9-8）。由于这种冷光产生很少的热能，因而省电。
