闪电的驯服者：电学的历史
How Tesla and Ferraris Created the First Polyphase Motor

01 三相输电系统

一、前言

书接上文，三相电发展历史中，特斯拉与费拉里斯同时设计了两相发电机以及电动机。按照特斯来的话来说，两个方案在很多细枝末节方面都是一样的。那么这个两个各自如何有了这样惊人的发现的呢？下面让我们听听Kathy老师如何讲述其中的故事的吧。

二、高压交流输电

首先从1884年伽利略·费拉里斯谈起吧。那时费拉里斯37岁，是一位物理教授。担任意大利都宁电气展览会主席。这次展览非常重要，就在那次展览会上，一位法国人名叫吕西安·盖拉多与他的经济资助人约翰·吉布斯展示了长距离输电技术。输电展示工程是从30公里，大约20英里开外兰多瀑布发电送往都宁，线路损耗非常小。他使用了高压输电技术，传输电流非常小才使得长距离输电成为可能。

▲ 图1.1.1 伽利略·费拉里斯

他们使用了二次发电技术，实际上就是我们所熟知的变压器改变交流电压，从低压到高压转换来实现安全高效输电。费拉里斯意识到这项技术的重要性，以意大利政府的名义给予他们奖励。

▲ 图1.2.2 交流高压输电

在1881年1月，费拉里斯自己开展相应的研究，并发表了论文。费拉里斯的论文是如此超前，如果不是他在科学界是一流专家，别人很难相信他的研究成果。至少当时还是有人弄明白了他的研究结果，认为对于对于交流输电问题，即将电能从发电中心在广大区域范围内传输，现在找到了一个令人满意的解决方案。

费拉里斯认为变压器，特别是由ZDB公司制作的超级变压器使得交流长距离输电比起直流电更加实际。他和其他人都知道交流电当时还存在一个大问题，就是没有相应的交流电表和电动机。

▲ 图1.2.3 ZBD的二次发电技术，即变压器技术

三、极化光波

在1885年早些时候，费拉里斯在讲授光线极化时得到制作两相电机和发电机的灵感。按照詹姆斯·克拉克·麦克斯韦方程，光线是一个电磁波。电磁波中电场振荡方向称为光的极化方向。如果电场水平方向振动称为水平极化，如果是垂直方向振动则被称为垂直极化，与此此类推。如果电场水平方向振动称为水平极化，

▲ 图1.3.1 光波极化方向

费拉里斯懂得如果将一个水平和垂直极化的光波叠加在一起，两个光波的振荡最大值最小值在时间上同步，也就是两个光波是同相位，就会形成一个45°倾斜极化的光波。如果两个光波的相位相差90度即相差四分之一周期，会形成一个旋转的电场，这被称为圆周极化光波。

▲ 图1.3.2 同相位水平和垂直极化光波叠加成倾斜极化光波

▲ 图1.3.3 相位相差90度水平和垂直极化光波叠加成圆形极化光波

四、费拉里斯的两相电机

费拉里斯知道如果将一个相位相差90度的水平和垂直光波叠加在一起就会形成一个圆周极化的光波，他试图使用交流电来模拟这个现象。他在1885年8，9月份的时候，制作了一个手工转动的发电机，带有两个独立的线圈，这两个线圈产生相同频率的电流，但是相位不同，也就是两个电流随时间变化不是同步的。费拉里斯将两相电接通两个线圈，并将一个金属盘放在线圈附近。费拉里斯惊喜地发现，金属圆盘上感应的电流与线圈电流之间产生作用力驱动金属盘旋转。

▲ 图1.3.4 费拉里斯两相电机

但是费拉里斯认为这个驱动力不会很大，所以只是给学生以及访客进行展示。实际上直到1888年3月18日费拉里斯才发表第一个论文，讨论在交流发电机中使用多相交流电。两个月后费拉里斯知道了特斯拉申请的两相交流发电机和电动机刚刚被批准，特斯拉根本也没有告诉过费拉里斯。

在1888年12月有科学家撰文指出特斯拉的电机是基于意大利都宁教授费拉里斯的思想。这篇文章在1889年2月份被翻译成英语并在美国杂志上发表。这就是为何特斯拉在1889年6月份进行了反驳，声称这是一个巧合，意大利都宁教授独立研究得到了相同的理论结果，并在实现方式细节上也是一模一样的。

▲ 图1.4.2 特斯拉声称这是一个巧合

五、特斯拉的交流电机

水有源，树有根，那么特斯拉又是如何蹦出多相交流电机主意的呢？这的确比较难以回答，与特斯拉个人特性有关系。

他说这个发明完全来自于他的大脑内的设想，跟不需要进行实验，没有任何一个实验能实现这个设想的技术。这个发明是在他对此问题进行了大量思考之后，并偶然间在公园里背诵诗词时从大脑中浮现出来。但是在法律诉讼中，特斯拉则谈了很多关于阿拉果金属盘与旋转现象。那么阿拉果盘如何能够引起两相交流电机的发明的呢？

▲ 图1.5.1 阿拉果旋转金属盘
阿拉果轮子在1824年被法国科学家弗朗索瓦·阿拉果发明的。发现靠近旋转磁铁的金属铜盘会被拖动旋转，这个过程中没有电池参与。请注意金属铜不是铁磁金属。在1825年英国科学家查尔斯·巴贝奇与约翰·赫谢尔发现了反向阿拉果转盘现象，在金属铜盘下面旋转永磁铁也会带动圆盘往同方向旋转。

▲ 图1.5.2 阿拉果金属盘实验

▲ 图1.5.3 反向阿拉果效应

时间快进到1879年6月，英国科学家沃尔特·贝利基于逆阿拉果转盘现象制作了旋转铜盘实验。使用了四个静止的电磁铁。通过自制的改变电流方向的换流器，改变电磁铁中电流的通断。也许你认为这是一个两相电动机，但实际上这还不是。因为实验中仅仅是两组电磁铁来回交替导通。这个小玩具只有两英寸宽，四英寸高。

▲ 图1.5.4 沃尔特·贝利旋转金属盘实验

一年后，法国科学家马萨尔·德普勒受到贝利实验的启发，使用类似的换流器驱动电机转子从而实现了一个更加可靠的电机。

▲ 图1.5.5 马塞尔·德普勒的实验装置

特斯类从未承认过他阅读过这些发明文献。但在1887年9月份申请专利中他写到：我知道通过转移电机内部磁极驱动转子转动并不是一种崭新的方式。后来他又正确的补充到：之前的系统，比如费拉里斯的设计，他们都是使用机械装置改变电流，只能够改变电流的方向，无法改变电流的大小。

在1900年关于特斯拉的专利法官判决书中写到：汇集阿拉果转盘、贝利、德普勒以及其他人的发明之后，特斯拉的才智将阿拉果转盘从玩具转换成输出功率的引擎。

▲ 图1.5.6 特斯拉交流电机中的电流方向和大小都在变化

六、后记

公平的讲，即使特斯拉的发明是受到了贝利、德普勒、阿拉果转盘等人的启发，特斯拉的发明还是具有非常大的优势，仍然值得我们钦佩和尊重。但他的成就还是稍微有点瑕疵，因为他并未说明之前所有人的工作，也未提及他们所应有的贡献。

上面的故事反映了特斯拉以及伽利略·费拉里斯是如何构思两相发电机和电动机的故事。

▲ 图1.6.1 特斯拉与费拉里斯的交流电机

■ 相关文献链接:

闪电的驯服者：电学的历史
How Tesla and Ferraris Created the First Polyphase Motor

● 相关图表链接:

图1.1.1 伽利略·费拉里斯
图1.2.2 交流高压输电
图1.2.3 ZBD的二次发电技术，即变压器技术
图1.3.1 光波极化方向
图1.3.2 同相位水平和垂直极化光波叠加成倾斜极化光波
图1.3.3 相位相差90度水平和垂直极化光波叠加成圆形极化光波
图1.3.4 费拉里斯两相电机
图1.4.2 特斯拉声称这是一个巧合
图1.5.1 阿拉果旋转金属盘
图1.5.2 阿拉果金属盘实验
图1.5.3 反向阿拉果效应
图1.5.4 沃尔特·贝利旋转金属盘实验
图1.5.5 马塞尔·德普勒的实验装置
图1.5.6 特斯拉交流电机中的电流方向和大小都在变化
图1.6.1 特斯拉与费拉里斯的交流电机

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