【一】蒸汽時代終結者

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在後世的歷史中，1866年是個很熱鬧的年份。在這一年裡，日本的薩摩藩和長州藩結成同盟，敲響了德川幕府的喪鐘；七星期戰爭讓普魯士從奧地利手中奪取了德意志的領導權，德意志各邦國在統一的路上一路狂奔。小一些的事情也有，比如英國醫生唐報告了一種奇怪的疾病，後世稱之為「唐氏綜合征」，中國革命的先行者孫中山也在這一年呱呱墜地——哦，還有件事，德國工程師西門子終於製造出了人類歷史上一台值得紀念的靠譜電機。

電機包括發電機和電動機，兩者都是電磁能量與機械能相互轉化的裝置，同出一源。對1866年的學術前沿探索者而言，發電機實在不是什麼新鮮的東西。三十多年前，電磁學開山祖師之一法拉第，用一個在磁場中轉動的銅盤演示了如何得到連續的電能輸出。旁觀的財政官員輕蔑的問：「這玩意有什麼用？」法拉第怒氣沖沖的回答：「新生的嬰兒有什麼用？新生的嬰兒是會長大的！」

但是這個新生兒三十多年也沒長大。有兩個問題困擾著這個寶寶——一方面是電機的連續旋轉導致電流方向在不斷的變換，另一方面則在於用磁石建立的磁場實在太小，導致發電機的輸出能力還不如電池，因此也幾乎無力帶動任何負載。

第一個問題很快就解決了。一個名叫皮克西的法國的電氣工程師設計了以自己名字命名的單相單機。在皮克西的發電機上，第一次出現了換向滑環。當磁鐵旋轉半圈電流方向逆轉之時，換向滑環也正好調轉位置，於是對外接負載而言，皮克西發電機發出的便是方向不變的電流。

但是第二個問題等了很久。在蒸汽時代里，地球人並沒有鋁鎳鈷材料，也沒有釹鐵硼材料。他們那可憐的永磁體根本無法在電機內部產生足夠大的磁場。因此，那個時代的永磁電機功率密度低的可憐。沒有強大的發電機也就沒有強大的電能，也就無法帶動強大的電動機。即使如此，人類還是在嘗試將電機這一看起來沒啥前途的設備應用在實際生活中。傳說德國工程師雅克比製造了一個極其巨大的電動裝置，用320個丹尼爾電池為電機供電。經過數年的努力，雅克比成功的將這一裝置安放在一艘小艇上，並且使小艇達到了2.2km/h的移動速度。這個速度毫無疑問令人失望，大概在三十年前，蒸汽機船的速度就是這個值的四倍。與其同時期的阿基米德號蒸汽機船更是達到了58.8kW的輸出功率，這樣的對比無疑令所有人絕望。

而且使用永磁體的電機還必須面對直到今天都無法迴避的問題：磁體的退磁。退磁有多種可能，最常見的是高溫退磁。當溫度升高達到「居里點」時，千辛萬苦找到的磁體就會退磁變成一塊普通的石頭。這意味著電機無法連續運轉，並且功率也不能做的太大，要不就得配置巨大而昂貴的散熱設備。除此之外，電機的震動也會導致永磁體的退磁，因此最初電機也無法工作在惡劣的環境下。

電機要想擊敗蒸汽機，就必須有足夠的功率密度並且足夠可靠。要想建立強大而穩定的電機內部磁場，就必須尋找更好的永磁體。而對那個時代的工程師而言，性能優異的永磁材料跟tan90°一樣渺茫。於是電機的研發進度又一次卡住了，這一卡就是將近三十年，直到一個叫西門子的年輕人走上歷史舞台。

在雅克比的小船在易北河上慢慢晃悠的時候，西門子已經21歲了。他中學讀完便入伍，在軍隊接觸到當時還算新穎的電報技術。退役後因與人決鬥，被捕入獄關了幾年。1847年，被國王特赦的西門子設立了一家名為西門子－哈爾斯克電報機製造公司的企業，主要生產他自己設計的指南針式電報機。

1866年，西門子的業務終於碰上了藏在電機內的那隻兇猛的攔路虎——「如何得到更強的永磁體？」這個從法拉第發明金屬盤電機開始卡了人類三十多年的問題，對於西門子而言卻是是完全不同的一個問題——「我們為啥找更強的永磁體？」地球人從頭到尾，追求的不過是電機內更強的磁場，卻從來沒有人說過，我們追求的是電機內有個更大的吸鐵石。

可是，沒有永磁體，會有磁場么？答案當然是有。事實上，這個答案比這個問題還要早。1820年，丹麥物理學家奧斯特發現了電流的磁效應。數年之後，美國物理學家亨利用絕緣銅導線纏繞在一根鐵棒上，當絕緣銅導線中通入一定電流時，平淡無奇的普通鐵棒變成了無法想像的強大磁鐵，強大的磁力將數百千克的鐵塊吸引起來。這樣的磁力遠遠超過任何吸鐵石。

西門子找到的答案就是電磁鐵。只要通入電流，電磁鐵就會產生強大的磁力，遠遠超過任何天然磁石。而且電磁鐵是可控的，退磁與否只取決於人類是否給線圈加以電流。西門子的創新之處在於，他拋棄了永磁電機的傳統思路，用電勵磁取代永磁體產生電機內磁場——勵磁電機誕生了。

但是在這裡有一個悖論。如果採用電磁鐵為發電機進行勵磁，那麼就必須在發電機開始工作前給電磁鐵通電。但是如果發電機沒有工作，除了丹尼爾電池，又哪裡來的電讓電磁鐵啟動起來呢？

發電機需要電磁鐵先工作起來進行勵磁，電磁鐵需要發電機先轉起來供電。我敢肯定，在西門子之前一定有人考慮過採用電磁鐵的電機方案，只不過他們都被這個雞生蛋還是蛋生雞的問題給搞糊塗了。西門子敏銳的發現了這個看起來無解的問題中有個不起眼的破綻——鐵磁材料的磁滯效應。

理想中的電磁鐵是個受電流控制的磁力線發生器。通入電流時，鐵芯勵磁變成磁極，斷開電路時則蛻變回一根毫無磁性的金屬棍。彷彿理當如此，可又全然不是。不論是何種材料構成的電磁鐵，在勵磁之後撤去電流後，都不會失去全部磁性，它總是會剩下一點點磁性。要想讓它完全退磁，則必須通入一些反向電流進行反向勵磁才行。這就是剩磁現象。

磁導體的剩磁現象在後來成了變壓器工程師們永遠也搞不定的大麻煩。變壓器里的鐵芯在磁滯回線的詛咒下不斷的損耗著能量。但是這在當時卻完全不是問題，畢竟變壓器還沒有被發明。對於西門子而言，剩磁現象卻是破解雞生蛋難題的關鍵——剩磁是不需要電流維持的。

只要在電機製造之前先對電磁鐵鐵芯進行勵磁，那麼在電機在發出電來之前內部便已經因為剩磁而帶有微弱的磁場。在原動機的帶動下，這微弱的磁場產生一個不大的電流，這電流流過電磁鐵則進一步增強了磁場。這是一個正反饋的過程，短短時間內，電機便開始了正常工作。

西門子的勵磁電機是一種直流發電機，最初屬於用于軍事的高精尖設備。但永磁體的障礙突破之後，提升電機性能的道路一片平坦。更重要的在於，按照電機可逆性原理，任何一台電機能做發電機運行便能做電動機運行。西門子迅速的撿起了雅克比的夢想——將電機應用到動力領域去。要說西門子有什麼好，那就是他將新技術應用到實際產品中的腳步，實在是跑得比誰都快。1879年的電力機車，1880年的電梯，1881年的有軌電車，都誕生在西門子和他的公司的實驗室中。電機迅速的很多場合下取代了傳統笨重的蒸汽機，電氣時代的黎明到來了。

1890年，七十四歲的西門子將公司交給了弟弟和兒子，選擇退休。此時已經完成統一大業的德意志帝國皇帝慷慨的授予他貴族稱號。但這樣的恩典相比於西門子的成就而言無足輕重。他的公司歷經了一百五十年，仍然是世界上最強大的商業科技巨頭。1960年10月十一屆國際計量大會確定了國際通用的國際單位制，在規定導出單位時，人們用西門子的名字作為電導的單位。此時，不管是德意志第幾帝國，都早已雨打風吹去。而西門子開闢的勵磁電機領域，在終結了蒸汽時代百年之後，仍舊生機勃勃。