尼古拉特斯拉的发明研究和作品.docx
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尼古拉特斯拉的发明研究和作品
尼古拉特斯拉的发明、研究成果和作品
ThomasCommerfordMartin
前言
如今的电力问题主要就是电力如何传输比较经济和照明方式的彻底改变。
对于电气发明界的很多工人和有想法的人来说，那些很熟悉的仪器和设备看起来却是多么的笨重和浪费，并且因此受到很大的局限。
他们相信现阶段的法则必被打破，供电面积应该扩大，顾客的装置应该是很便宜和很简单的。
过去成绩斐然，昭示着未来定会取得更大的成果。
本书记录了在电气领域我们的先驱尼古拉特斯拉所做的工作，他被世界公认为当代最重要的探索者和发明人之一。
对于他的研究和发现的重要性的强调，我们无以复加。
伟大的创意和真正的发明通过固有的价值为它们赢得了一席之地。
我们确信，特斯拉正在为我们指引一条路，将引导电气科学多年的发展。
因此作者尽力把一切带着特斯拉天才印记的，并且值得保留的东西收集到一起。
本书的价值除了展示他的发明之外，对于展示他的思想境界或许也会有所帮助。
学会如何运用有活力、有创新的头脑，将会得到精神上的收获。
鉴于最近大众对于特斯拉的作品兴趣渐长，本书包含了他10年的成果。
其中包括他的演讲、各类文章和研讨记录，并且对他已知的发明做了注解，尤其是那些涉及多相电动机和高压、高频电流所产生的效应的发明。
我们将会看到特斯拉是如何的奋力前行，不曾有一刻停歇，把他所阐明的新的原理应用到实处。
无论在何处，如果可能，我将引用他的原文。
另外，本书的的发行得到了特斯拉本人的批准和认可，并且获得在本国和欧洲进行再版的许可。
特斯拉帮助作者校对了包括他最新研究的那一部分。
作者的朋友和编辑助理也对本书进行了仔细地修正，经过编辑助理——JosephWetzler之手，所有的校正得以通过。
1893年12月T.C.M
第一部分
多相电流
第一章
传记和介绍
第二章
交流电机和交流变压器组成的新系统
第三章
特斯拉旋转磁场——闭路电机——同步电动机——旋转磁场变压器
第四章
特斯拉多相系统的修饰和扩展
第五章
利用熟悉的直流电机形式
第六章
实现发动机或电动机设计速度的方法
第七章
旋转式直流电动机校准器
第八章
单电路、自起动同步电机
第九章
从双流电机到单流电机的转变
第十章
“电流残像”电机的人工保障
第十一章
从力矩马达到同步电机的另一种转变方法
第十二章
“磁力残像”电机
第十三章
获得相磁屏蔽差异的方法
第十四章
特斯拉单相电机的类型
第十五章
具有不同电阻电路的电机
第十六章
在磁场和电枢中具有相同磁能的的电机
第十七章
在电枢和磁场中磁效应同时达到最大的电机
第十八章
基于铁芯内部和外部磁化相位差的电机
第十九章
特斯拉感应电机的另一种类型
第二十章
同步电机和力矩马达的结合
第二十一章
在电枢回路中具有电容器的电机
第二十二章
在磁场回路中具有电容器的电机
第二十三章
特斯拉多相变压器
第二十四章
在一级和二级线圈之间具有磁屏蔽的恒流变压器
第二部分
高频高压电流下的特斯拉效应
第二十五章
介绍——特斯拉演讲的范畴
第二十六章
纽约演讲——对于超高频交流电的经验和在人工照明方案上的应用，1891.5.20
第二十七章
伦敦演讲——对于高压高频交流电的经验，1892.2.3
第二十八章
费城和圣路易斯演讲——关于闪电和其他高频现象，1893.2和1893.3
第二十九章
特斯拉高频交流电机
第三十章
交流电静电感应装置
第三十一章
高频电流的“信息”
第三十二章
真空管放电
第三部分
各种各样的发明和作品
第三十三章
从交流电中获得直流电的方法
第三十四章
把铁片插在油中的电容器
第三十五章
电解注册表
第三十六章
热磁电动机和热磁发电机
第三十七章
Anti-sparking电机的电刷和换向器
第三十八章
直流电机辅助电刷控制
第三十九章
发电机的增强和发电机的制造
第四十章
特斯拉直流电弧闪电系统
第四十一章
单机发电机的增强
第四部分
附录：
早期阶段的电机和特斯拉振荡器
第四十二章
特斯拉在世界博览会上的个人展出
第四十三章
特斯拉机械振荡器和电气振荡器
第一部分
多相电流
第一章
传记和介绍
作为对特斯拉的研究和发现的介绍，本书传记性的语言会保持中立。
特斯拉于1857年出生在Smiljan，Lika，奥匈帝国的边境，属塞尔维亚族。
本族人主要聚居于土耳其边境，人们都为了自由而进行着不懈的斗争。
他的家庭是东欧瑞士人中比较古老的和典型的代表。
他的父亲是希腊教会的一位口才很好的牧师。
他的叔叔是波士尼亚的大主教。
他的母亲天生具有创造力，不仅对家务劳动驾轻就熟，而且乐于做一些机械设备，比如织布机，打蛋器和其他一些在农村生活中能够用到的机械。
尼古拉在Gospich的公立学校学了4年，然后又在“真正的学校”呆了3年。
之后被送到克罗地亚的Carstatt，他在那儿的“高级学校”学了3年。
在那里，他第一次看到蒸汽机车。
1873年，他顺利毕业并幸免于霍乱，之后投身于实验，尤其是电磁方面。
他的父亲希望他能继承家族的传统，进入教会，但是由于过强的天赋，他被格拉兹科技大学录取，完成学业后成为数学和物理学教授。
他实验用的一个设备是Gramme电机，作为动力。
虽然他的指导者完美地证明一个事实：
运行此电机必须要有换向器和电刷，但是特斯拉还是怀疑这些附件是否有必要。
他凭借直觉找到一种方法可以使电机不需要这些附件而运行，据说从那时开始他就实施他的想法，并且最终发明出旋转磁场电机。
在Gratz的第二学年，特斯拉放弃了当老师的想法，继而开始学习工程学课程。
学习结束时，他回到家却发现父亲已经去世，之后他又去布拉格和布达佩斯学习语言，为了能够胜任工程专业的实践。
有一段时间，他在政府电报工程部门当一名助手，之后和他的朋友M.Puskas以及匈牙利其他的电话发明者开始来往。
他取得了一系列的电话发明，虽然这些发明并不完美，但他获益匪浅，并从中寻找到机遇。
为了获得更广阔的空间，他来到巴黎，进入一家电气照明企业的大公司当一名电气工程师。
就是在此期间，早在1882年的时候，他坚持不懈地努力，在一些可行的装置上体现出旋转磁场原理。
对此，他充满激情，不顾一切，并且相信这标志这电气领域的新开端。
事实上，要不是一些商业圈的朋友建议他成立一个公司来开发他的发明，特斯拉，这个未经世事的年轻人，早就找到了一个机会来公布他的想法，因为他相信他的想法在电气理论里是比较前卫的，并且是彻底的进步，也注定会对所有的电机产生深远的影响。
他最后决定去美国创造财富。
在法国，他遇到很多美国人，通过和他们接触，他了解到要想把电气领域的各种新想法应用到实践中，在美国会比较有利，因为只要你有比较新的且具有价值的发明，美国政府都会给你相应的鼓励。
他果断下定决心，放弃了在欧洲的前途。
一到美国，特斯拉就来到爱迪生的工厂，那是他实现抱负的地方。
我们可以想象特斯拉和他最钦佩的对象爱迪生合作能够获得多大的好处和激情。
然而要想实现他的想法，开发他的发明是不可能的，因为特斯拉一直得不到重用。
但是他的成果却引起了别人的注意，因此特斯拉离开了爱迪生的团队加入另一个公司，这个公司打算制造和销售弧光照明系统，其中的某部分会用到特斯拉的发明。
经过不断努力，他完善了这个系统，并且开始在市面销售。
不过，在这段时间占据他大部分时间和精力的东西却只是他以前关于交流电旋转磁场理论的发现，它在电机上的应用现在众所周知。
由于在这方面的坚持，他开始变得孤立，因为交流电并未得到公众的认可。
虽然有几个电气工程师曾经用过交流电，但绝大多数人完全没有意识到它的价值，甚至不清楚交流电的基本特性。
在当时，即便是特斯拉本人也不知道如何制作高效的交流电装置，直到经过后续的努力和实验才明白。
但是他的目的已经达到了。
在1887至1888年间的冬天，Anthony教授做了一个测试，这位著名的专家证明特斯拉电机可以达到直流电机相同的效率。
现在，没有什么东西能够阻碍特斯拉电机的商业开发和引进，除非这种东西是建立在当时的电路基础之上，因为全国的电路中都是高频电流。
他在这方面的成果——专利除外——第一次完全地公开，是1888年5月在纽约美国电气工程师协会发表的演讲（在Anthony教授和本书作者的建议之下），当时，他展示了一台很久以前就在运行的电机，并用它成功地证明了电刷和换向器并非必须。
本书在特斯拉关于多相电流的应用方面的发明那一部分将详细讲述他是如何从一开始掌握基本概念到全面应用的过程。
许多年来，特斯拉都在解释交流电所能带来的诸多好处，很自然的，他又开始引领更高电压和更高频电流的实验。
他曾经的努力没有白费，在这一领域很快取得了惊人的成果。
由于对这些实验有所了解，本书作者劝说特斯拉在美国电气工程师协会将它们重现。
这项工作在1891年5月的一次讲座中完成，毫无疑问，这标志着与传统电气理论和实践的完全不同，并且有很大的潜力。
纽约演讲和之后的演讲也包含在本书中，并做了补充说明。
特斯拉所做的研究范围远远超出了多相电流和高压照明。
本书的“乱七八糟”部分包含了许多其他的发明，比如，弧光照明，变压器，热磁发电机（pyro-magneticgenerators），热磁电动机（thermo-magneticmotors），第三刷控制，增强发电机，白炽灯，电表，电容器，单极发电机，交流电转直流电，等等。
现在，特斯拉有许多的想法和发明，需要在适合的时候公布，这本书就涉及到他至今为止的成果。
第二章
交流电机和交流变压器组成的新系统
这一部分将介绍多相电流和特斯拉到目前为止的发明，其中涵盖了电枢表现出的旋转磁场两极（或者是引力之和）广义原理的几个特征。
毫无疑问，旋转磁场原理一经面世便激起电气工程师们很大的兴趣，而从单相交流电到多相交流电转变的重要性更是不言而喻。
仅仅这样考虑会对本书的主题造成误解，因为本书的目的绝不是想制造争议。
需要指出的是，特斯拉的工作至今都没有完全被理解或者意识到。
我相信，对很多读者来说，在这一部分对特斯拉所做的一些东西的分析将会是一个启示，同时，也会举例说明那些所述原理的灵活性和应用范围。
我们将会看到，特斯拉不仅仅停留在一个旋转磁场，而是更广泛地研究磁体合力的变换。
我们还会看到：
他继续发展出由多分枝和多匝数构成的“多相”系统；他展示了广义概念的电机，在电枢磁场中使用异相直流电；他描述并且实现了一个想法，由铁芯和自闭线圈组成的电枢；他实现了同步力矩马达；他阐述并举例说明了普通结构的机械如何适应他的系统；他在磁场和电枢回路中使用电容器，并且通过对每一处细节的测试、证明或者是否定，来探明基本原理的本质。
既然重点正在转向更低频率电流，那就得说一下，特斯拉早就意识到电机工作中低频特性的重要程度。
事实上，他的第一台展机，也就是1887至1888年间的冬天Anthony教授在他的测试中展出的，和直流电机具有相同功率，相同输出和相同启动扭矩的那一台，正是低频电机。
然而，越来越有必要利用这种电机跟高频回路结合起来，我们的调查将会以一种有趣的方式来揭示特斯拉在这一方向上的丰富资源。
若不是特斯拉尝试了这一领域的所有可能性，他也不会回归低频电流，并且坚持多相交流电系统的优越性，也不会让我们感到如此的震惊，并取得巨大的胜利。
这的确是意义非凡，或许就是下一次发展的先驱。
附带的也会给旋转磁场电机的效率问题做一个参考，这非常重要，虽然并没打算在这做深入探讨。
1888年5月，在美国电气工程师协会展示了两台小型特斯拉电机，Anthony教授测试并且评论道，一台达到50%的效率，另一台达到60%的效率。
1889年，据匹兹堡的报道，特斯拉和AlbertSchmid对几台电机做了些测试，这些电机有10马力并且重达850磅，能够达到将近90%的效率。
用更大点的电机并且使用三线系统，发现能够达到高达94%甚至95%的效率。
对于这些令人惊奇的数据，或许其他人还会做更详尽的补充，那么之后就可以引用这些数据来显示这一系统的高效，今天也就不必再来寻找证据来证明它的商业用途。
一项发明即使缺乏实用性也没关系，但是当知道自己的创意对于公众来说蕴藏着多大的好处时，对于发明者来说，是一件多么值得高兴的事。
第三章
特斯拉旋转磁场——闭路电机
——同步电动机——旋转磁场变压器
对于他在旋转磁场方面所作的尝试和取得的成功，最好的描述就是特斯拉解释旋转电流，多相系统的一片简短的论文，这篇论文于1888年5月在纽约的美国工程师协会发布，题目是《由交流电机和交流变压器组成的新系统》。
事实上，该论文的详细记录将会发布，但特斯拉并未在论文里描述他所有的工作，只是描述了本章题目中所列举的几个主题。
特斯拉沉默寡言主要是因为他的行为需要遵循某些和他有关的人的意愿，但值得一提的是本书的编辑，他看到电机运行，并且曾任论文和会议委员会的主席，他让特斯拉为委员会贡献出了很多论文。
其实特斯拉过度工作并且生病了，不太情愿展示他的电机，但最终还是被说服了。
这篇论文是在会议前一天晚上用铅笔写的，非常匆忙，并且还顶着前面所说的压力。
在这篇论文中他提到两种特殊形式的电机，而这两种形式的电机并不在考虑范围之内。
这两种形式是：
1.电机的一个回路跟变压器串联，另一个回路跟变压器的次级线圈相连Amotorwithoneofitscircuitsinserieswithatransformer,andtheotherinthesecondaryofthetransformer。
2.电机的电枢回路和变压器相连，激磁线圈自闭。
论文的精华如下：
涉及到特斯拉系统的几个主要特征，即旋转磁场，闭路电机，同步电机和旋转磁场变压器：
——
我很想让你们注意到一个新奇的关于交流电电力分配和传输的系统，它具有特殊的优势，尤其是在电机方面。
我相信这一系统很快会建立起在电力传输方面电流优越的适应性，我也相信这一系统会展示出前所未有的成果，会带来系统实际运行中所期望的结果，而这些都是直流电所无法完成的。
在详细描述这一系统之前，我想有必要说一下关于直流发电机或直流电机中的一些特定条件，虽然大家都知道，却常常忽视。
众所周知，在发电设备中，我们通过换向器对产生的交流电进行整流，换向器是比较复杂的装置，在设备运行过程中会产生很多麻烦。
现在，被整流的交流电不能应用在电机上，它们必须通过一个类似的不可靠的装置重新转换成交流电的原始状态。
整流器的作用完全是外部的，它无论如何也影响不到设备的内部工作。
事实上，所有的设备都是交流电设备，而电流只是从发电机到电机的传输过程中的外部回路中表现为连续的。
鉴于以上简单的事实，交流电可以作为电能直接应用，而直流电，除非有发电机首先来产生直流电，并有电机能直接被直流电驱动，否则，直流电的应用会是不合理的。
但是电机上换向器的操作是双重的：
首先，它会使流经电机的电流换向，其次，它会使其中的一个磁体的两极自动产生渐进换挡的效果。
因此假设，系统中这两个多余的操作（即对发电机中交流电的整流和对电机中直流电的转换）被取消，为了在电机中产生旋转磁场，还是需要制造磁体两极渐进换挡的效果，那么问题就来了，怎么用交流电直接来操作呢？
我接下来就会展示怎么完成这一效果。
在第一个尝试中，鼓式电枢由两正交线圈组成，像往常一样，这两个线圈的末端连到两对互相绝缘的接触环上。
环是由绝缘薄铁片做成，并分成4个线圈，每两个相对的线圈连在一起以在直径相对的方向上产生自由磁极。
每个线圈剩下的自由端连接到发电机电枢的接触环上，以形成两独立的回路，如图9。
这样的话连接情况就看的比较清楚了，因此，我会参照图1至图8a来说明问题。
由于发电机中有磁场，电枢旋转会在线圈CC1中产生电流，电流的强度和方向以大家所熟知的方式改变。
在图1中的位置，线圈C中的电流为零，而线圈C1中的电流为最大值，得到的关系是这样的，环被线圈c1c1磁化，如图1a中字母NS所示，而线圈cc的磁化效果为零，因为这两个线圈包含在线圈C的回路中。
在图2中，电枢的线圈处于下一步的位置中，至此八分之一个循环已完成。
图2a描述了与之相对应的磁场情况。
这时线圈C1产生的电流方向与之前相同，但强度会弱些，在环上制造出磁极n1s1；线圈C也同时产生了相同方向的电流。
现在关系变成这样了，线圈cc产生磁极ns，如图2a，总的磁极方向如图字母NS所示，我们会观察到环的磁极方向转动了八分之一周。
在图3中，电枢完成了四分之一个循环。
在此状态下，线圈C中的电流处于最大值，电流的方向会产生如图3a所示的磁极NS方向，与之相反，线圈C1中的电流为零，处于中立位置。
因此，图3a中的磁极NS转动了四分之一周。
图4的线圈CC处于更进一步的位置，电枢完成了一个循环的八分之三。
这时，线圈C产生的电流方向仍和之前相同，但是更弱了，制造出相对较弱的磁极ns，如图4。
线圈C1中的电流强度与之前相同，但方向相反。
所以，结果就是环上产生了磁极n1s1，总磁极为NS，现在转过了环的八分之三周。
在图5中，电枢转过半个循环，环的总体磁场情况如图5a所示。
现在，线圈C中的电流为零，而线圈C1中的电流为最大值，方向不变；因此，仅由于线圈c1c1的磁化效果，我们会明显的观察到磁极NS已经转过了半周，如图5a所示。
在接下来的半个循环里，重复着相同的动作，如图6至图8a。
参照着图我们能很清晰的看到，在电枢的一个循环中，环的磁极在圆周上转过了一圈，而且，每一个循环都具有相似的效果，结果就是，随着电枢的旋转，磁极也跟着快速旋转。
如果环中任一回路的连接方向被接反，磁极的变化方向就会相反，但是整个过程是完全不变的。
如果用三根线代替四根线，会有相似的结果，只不过其中一根线会被两个回路所共用。
磁极的旋转会产生一系列神奇的现象。
如果拿一个钢制的或者其他磁性的金属制作的，可以绕中心轴旋转的圆盘来靠近这个环，会快速旋转，旋转的方向会随圆盘位置的变化而变化。
例如，
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