高中物理 第5章 磁场 第3节 磁感应强度 磁通量 特拉斯的主要成就素材 鲁科版选修3-1

1、特拉斯的主要成就交流电的发明1886年，特斯拉创建了自己的公司，特斯拉电灯与电气制造公司（Tesla Electric Light & Manufacturing）。投资商不同意特斯拉关于交流电发电机的计划，并且最终罢免了他的职务。在1886到1887期间，特斯拉在纽约做一个普通的劳动者， 既是为了糊口，也是为他的下一个工程计划积累资金。在1887，他组装了最早的无电刷交流电感应马达（brushless alternating current induction motor）， 并在1888年为美国电气电子工程师学会作了演示。同年（1888），他发展了特斯拉线圈的原理，并且开始在西屋电器与制造公司（Westinghouse Electric & Manufacturing Company）位于匹兹堡的实验室与乔治威斯汀豪斯一起工作。威斯汀豪斯听取了他的关于利用多相系统远程传输交流电的想法。1888年，当时众多报章皆大肆报导：著名发明家爱迪生（Thomas Edison）宣称尼古拉特斯拉（Nikola Tesla）是科学界一大“异端”，他所发明的交流电（AC）直接影响人类的性命安全，并屡

2、次展示狗和猫如何通过交流电后瞬间死亡（“电椅”死刑亦因此被启发出来-据说爱迪生为了打击交流电，买通美国某些州政府官员，把当地死刑由绞刑改为直流电电刑。可直流电电不死人，把犯人都电成半死）。在19世纪80年代末，爱迪生推广用直流电来提供电力分配比特斯拉与威斯汀豪斯所推广的交流电来比，更有效果，因此特斯拉与爱迪生在一定程度上成为了竞争对手。直到特斯拉发明了异步电动机，交流电远距离高压传输的优点也就体现出来，同时也解决了机器不能用上交流电的问题。由于“电流大战”缘故，特斯拉和威斯汀豪斯几近破产，因此在1897年，特斯拉用自己的专利使用费替威斯汀豪斯缓解了一下危机。同年，特斯拉研究了粒子辐射，使他建立了宇宙射线基本方程。X射线研究在早期的研究中，特斯拉制定了许多实验来产生X射线。特斯拉认为用他的电路，“我的仪器可以产生的爱克斯光（即X射线）的能量比一般仪器可以产生的要大的多。”他还谈到用他的电路和单节点X射线产生设备在工作时的危害。在他许多调查这种现象的记录中，他归结了导致皮肤损伤的许多原因。他认为早期的皮肤损伤并不是X射线所引起的，而是臭氧的产生与皮肤接触，和一些亚硝酸接触所致。特斯拉错误地

3、认为X射线是纵波。特斯拉完成了一些实验，并先于伦琴证实了他的发现（包括拍摄他的手的X射线照片，之后他将照片寄给了伦琴），但没有使他的发现众所周知，他的大部分研究资料在1895年三月的第五大道一次实验室大火中给烧毁了。无线能量特斯拉的发电机于1895年被其改进，改进中考虑到了液态空气。特斯拉知道，根据威廉汤姆森（开尔文）的发现，液态空气重新气化时会吸收的并可以用来驱动东西的热量，要比理论上产生的要更多。特斯拉早在1891年证实了无线能量传输，特斯拉效应（以此纪念特斯拉）是用来阐述这种类型的电导应用的术语（即能量穿过空间和物体的运动并不只是像穿过导体的电流一样）。1889年，特斯拉迁往科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯，因为那里有可以让他做高频高压实验地方，并开始在那儿搞研究。到达后不久他向法国记者说，他正在做用无线传电将讯号从派克斯峰（他附近的一座山）送到巴黎特斯拉死光与无限远距离传输1亿伏电装置的实验。特斯拉的日记有着他跟电离层及地下经纵波或横波传播的地电流相关的实验说明。在实验室中，特斯拉证明了大地是导电体并制造出了人工闪电（放出的电有数百万伏，最长的有135英尺长）。特斯拉亦有研究大气层

4、电力，观察他用接收器收到的闪电讯号。由复制品可见，特斯拉的接收器及金属检波器电路有着令人意想不到的复杂性（例如：分散式高Q螺旋共振管、无线电波反馈、原外差效应及再生技巧）。特斯拉声称他这时观测到驻波。在科罗拉多实验室里，他“记录”到他相信是外太空电波讯号的讯号，不过他的宣称和数据都被科学社群给否决了。他提到从他接收器的数据中有着重覆的讯号，跟他已经提及过的雷电及土壤干扰上得到的讯号本质上很不同。他以后更明确地重提那些讯号是一组组地出现，一个、两个、三个及四个地合出一起的组。特斯拉的后半生都在尝试向火星发讯。1996年科拉姆发表了一篇木星上的等离子环形圆纹曲面讯号分析，当中指出了科罗拉多的火星沉落，和特斯拉仍在的1889年夏季的木星讯号中止一致。无线电的发展在1891年7月30日，35岁的特斯拉加入美国国籍。同年在纽约第五大道建立了自己的实验室。在此之后，他在纽约的休斯顿街建立了自己的实验室。在那里他用机电振荡器进行了机械共振实验，他使周围的一些建筑物产生了共振，引来了警方的投诉。随着速度的增加，他用仪器到达了房子的共振频率，之后他发现了这个实验的危险，被迫强拆自己的房子来终止实验，此时

5、警察也刚刚到了。他在纽约一些地方无线点亮了那里的电灯，为无线传输的可能性提供了证据。特斯拉的挚友中有一些是艺术家。他结识了美国世纪杂志（The Century Magazine）的编辑罗伯特安德伍德约翰逊。与此同时，他也受吠陀哲学（即印度哲学）哲学家辨喜的影响，到后来他接触印度教吠陀思想，以至于特斯拉开始用梵文来命名他的有关物质与能量的基本概念。当特斯拉36岁时，第一次获得了多相电源系统的专利权。他继续研究了旋转磁场的定律。1892至1894年，特斯拉担任美国电气工程师学会副主席和美国无线电工程师学会的先驱人，也就是后来的电气电子工程师学会。1893年至1895年，他在研究高频交流电。他用圆锥形的特斯拉线圈造出了百万伏的交流电，他研究了导体中的“集肤效应”，设计了调谐电路，发明了无绳气体放电灯，并无线发射了电能，造了第一台无线电发射机。1893年，在密苏里州的圣路易斯，特斯拉做了一个有关无线电通信的演示。他在宾夕法尼亚州费城的弗兰克林学院发表演讲，详细阐述自己的想法。他说：许多年以后，人类的机器可以在宇宙中任何一点获取能量从而驱动机器。人造闪电1889年，特斯拉决定迁往可以让他有做高频

6、高压实验的地方，科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯 （City of Colorado Springs），并开始在那儿进行研究。到达后不久他向记者说，他正在做将讯号从派克斯峰（附近的一座山）送到巴黎的无线传输实验。特斯拉的日记里有他对关于电离层及地下纵波与横波的实验的阐述。在实验室中，特斯拉证明了泥土是导电体并制造出人造闪电。特斯拉通过自己的接收器观察了闪电并研究了大气电。特斯拉的接收器与检波器的复制品到了非常复杂的程度（例如，分布式元模型，Q因子，空腔谐振器，无线电频率反馈和再生电路）。特斯拉研究如何无线传输能量与电力。他在自己的实验与发现的基础之上通过计算得出地球的共振频率接近8赫兹。20世纪50年代，研究人员证实电离层的空腔谐振特斯拉频率在此范围之内（后来称之为舒曼共振）。特斯拉于1900年1月7日离开了科罗拉多斯普林斯。实验室被拆除，里面的东西全都被卖掉来抵债。在科罗拉多的实验为特斯拉下一个计划做好了准备，建立一个无线能量发射设施，也就是后来的沃登克里弗塔。特斯拉因发明增加电子波动强度的仪器而被授与美国专利 685，012专利。特斯拉开始推理关于用电和磁翘曲 （或仅是改变） 空间和时

7、间的可能性，并且想使其能被人们所控制。在他临终之时，特斯拉深深着迷于波粒二象性，也就是电磁波既是波，也是粒子的理论，一个早已被量子物理所纳入的主张。特斯拉对此领域的研究使其有了一个想法，那便是操弄一定模式的电磁波去创造出“光之墙”。此神秘之墙能使时间、空间、重力和物质被意志所改变，并产生出一系列似乎只在科幻小说中出现的事物，包括反重力太空船、空间传送和时间旅行 （详细可看电影致命魔术）。他最奇异的发明可能就属“意识摄像”机器。特斯拉设想，当一个意识在脑中形成，就会有一个相对应的图案在视网膜上出现，并且这段经由神经元传导的电子档案能被一个机器读出且记录下来。这段资讯能之后再被一个人工视神经处理，然后回放到银幕上 （详细可看电影最终剪接）百万大建筑1900年，特斯拉拿着150，000美金 （51%来自于J.P.摩根） 开始计划建造沃登克里弗塔（又称华登克里夫塔或华灯克里夫塔）。于1902年7月，特斯拉的研究从休士顿街移到了华登克里夫塔。此塔最终在第一次世界大战期间被拆除而报废。当时的报纸称华登克里夫塔为“特斯拉的百万大建筑”。尼亚加拉水电站如果大家曾到过美国尼亚加拉大瀑布（Niagara

8、Falls），相信大家都会为这幅壮丽的奇观而发出由衷的赞叹。 数以万吨的河水从四方八面汇流，以山崩地裂之势倾泻下来，河水猛然冲击的隆特斯拉隆声响，令人生畏。在这条川流不息的河流里，蕴藏着意想不到的丰富资源。1897年，举世知名的尼亚加拉水电站中，第一座10万匹马力的发电站建成，成为35公里外的纽约州水牛城（The City of Buffalo）的主要供电来源。其后十多座大大小小的发电站相继建成，每日所生产的电力足以供应美国纽约州和加拿大安大略省总需求的四分之一。至今，这项建成足足超过100年的电力建设仍然运作如常，从未间断地产出天然能源，可谓是人类近百年科学史上的一大奇迹。这项科学上的百年奇迹，就是天才科学家特斯拉在三十多岁时的一项设计，当中共运用了他9项专利发明，包括特斯拉所发明的交流电发电机和交流电输电技术。其实在当时的工商业、公共设置和家用电器，都使用着费用高昂的直流电。因为在电路上的损耗，使用直流电时必须每隔一公里便建设一套发电机组。所以在建造尼亚加拉水电站时，如将电力以直流电方式传送，输电至35公里以外的纽约州水牛城，是不可能的。所以建设尼亚加拉水电站时，美国人采用了特斯拉

9、发明的交流电供、输电技术，用高压电来实现了远距离供电。这项划时代的发明，不仅解决了尼亚加拉水电站作远距离供电的难题，并且带给人们一个既方便又便宜的用电环境。后来，人们在尼亚加拉瀑布的公园中树立了特斯拉的铜像，以纪念他在尼亚加拉水电站上的贡献。交流电专利权特斯拉一生的发明见证着他对社会无私的贡献。虽然他一生致力不断研究，并取得约 1000 个专利发明。但他晚年却是穷困潦倒，长年经济拮据。虽然，有不少企业家利用了这位天才科学家的爱心和才华，骗取了他的研究成果和荣誉，可是晚年的他依然为着人类的幸福而努力研究和发明。在特斯拉众多的发明里，最惠及大众的莫过于交流电 （AC） 及交流电发电机了。在世界每一角落，经贸的发展、科学的进步和生活的享受都离不开交流电的帮助。2003 年年末的美国大停电和欧洲大停电，就曾陷社会和经济于大瘫痪。早于1882 年，特斯拉已经发明了世界第一台交流电发电机，更于1885 年发明多相电流和多相传电技术，就是现在全世界广泛应用的50-60Hz（ 赫兹 ） 传送电力的方法。爱迪生发明直流电后，电器得到广泛应用，而同时电费却十分高昂，所以经营输出直流电成为了当时最赚钱的生意。1884 年，特斯拉脱离爱迪生公司，遇上西屋公司负责人乔治威斯汀豪斯（George Westinghouse），并在其支持下于1888 年正式将交流电带给当时代的社会。在 1893 年 1 月位于芝加哥的一次世界博览会开幕礼中，特斯拉展示了交流电同时点亮了 90，000 盏灯泡的供电能力，震慑全场，因为直流电根本达不到这种效果。事后，特斯拉因此次展示取得了尼亚加拉水电站电力设计的承办权。从此交流电咸鱼翻身，取代了直流电成为供电的主流。而特斯拉拥有着交流电的专利权，在当时每生产一匹交流电就必须向特斯拉缴纳1美元的版税。在强大的利益驱动下，当时一股财团势力要挟特斯拉放弃此项专利权，并意图独占牟利。经过多番交涉后，特斯拉决定放弃交流电的专利权，条件是交流电的专利将永久公开。从此他便撕掉了交流电的专利，

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