电灯是爱迪生发明的吗?

还是只是改进?
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电灯并不是在某个时间点上被发明出来的,而是经历了一个漫长的“发明史”。这一发明史的开端,要从英国化学家亨弗莱·戴维爵士(Sir Humphry Davy)说起。1802年,戴维正就职于英国王家研究院(Royal Institution),他给不同的金属条通电至白炽状态,发现金属铂可以维持相当一段时间的白炽状态而不氧化。这就是最早的将电能转换为光能的装置,也是后来的白炽灯的基本原理。1809年,他在皇家学会(Royal Society)作了如下的展示:将两根炭棒接在大功率电池(2000个电池单元)两端,炭棒短暂接触后再分开约3英寸,发现炭棒之间产生了极为耀眼的亮光。因为其形状呈拱形(arch),戴维将其称为“电弧”(arc)。这就是后来弧光灯的基本原理。 戴维的发现为白炽灯和弧光灯的发明奠定了理论基础。

1840年,英国科学家威廉·罗伯特·格罗夫爵士(Sir William Robert Grove)制作了 第一台使用意义上的电灯 (见图1)。他采用金属铂线圈作为灯丝,用两段铜线(表面涂漆以绝缘)对其通电。为了避免灯丝氧化和冷却,他将灯丝置于倒扣在水中的玻璃杯内。在一次公开演讲中,他用这些电灯点亮了王家研究院的礼堂。不过,格罗夫的电灯发出的光比较微弱,且铂丝长时期处于接近其熔点的温度环境,极易熔断。最重要的是耗电量巨大(据估计每千瓦时要花费700美元),尚不具备商业化的条件。

图1 格罗夫的白炽灯(1840)

1841年,另一个英国人德莫林斯(Frederick de Moleyns)获得了世界上 第一个白炽灯的专利 。该灯同样是利用铂丝通电至白炽状态,其重要的改进有两点:一是用球形玻璃罩进行真空密封,二是上部的管中填充炭粉,在两段铂丝中间形成“炭桥”,且可以不断自行补充。不过这项专利存在一个严重的问题:使用时随着炭粉的气化,玻璃灯罩会迅速变黑,因此仍然是不实用的。

图2 德莫林斯的白炽灯(1841)

1845年,英国人托马斯·莱特(Thomas Wright)获得了 第一个弧光灯的专利 。莱特用五个碳盘来制造电弧,通电后手动将其中两个盘拉出,就可以在碳盘间形成四道电弧。当然,这个专利仍然只是纸上谈兵,远没有到商业化的程度。

图3 莱特的弧光灯(1845)

上述三位发明者,提供了白炽灯和弧光灯的雏形。在接下来30多年时间里,世界各国的发明者们不断提出各式各样的电灯设计,但大多可操作性差、稳定性不高、耗能巨大——总之一句话,不实用。这一局面的改变,要等到爱迪生的出现。

爱迪生不仅仅是一个发明家,而是一个发明家型的企业家,美国技术史学家Thomas P. Hughes称其为“系统建构师”(system-builder)。根据Hughes的研究,爱迪生在设计和建造电力系统之初就是以问题为导向,即如何能够使电力系统在价格上比原有的煤气照明系统更有竞争力。确定这一核心问题后,爱迪生通过市场调研、成本分析、理论计算,确定系统存在的短板——灯丝材料,这就把一个商业问题转化为了科学问题,并最终提出了高阻值螺旋状灯丝的解决方案。与此同时,爱迪生也并非单打独斗,而是管理着一个人才济济的团队,其中有数学和物理方面的高手,有经验丰富的技术人员,还有擅长社交、熟悉金融行业的人。在爱迪生及其团队的努力下,电力照明系统从门罗帕克的实验室走向纽约、走向全美乃至全世界。可以说, 爱迪生是真正完成从电灯到电力照明系统转变的人 ,在电灯的发明史上具有里程碑式的意义。


参考文献

Henry Schrœder. History of Electric Light. Washington , D.C.: Smithsonian Institution, 1923.

Thomas Parke Hughes. Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880-1930. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1983.


附:电灯编年表 1800-1913

Henry Schrœder在 History of Electric Light 一书中列了一个《电灯编年表》,其中不仅有关于电灯的发明改进,也包括电磁学方面的进展。我简单翻译一下,主要是列出一些重要的发明者的名字,供大家参考。

1800——伏打发明化学电池。

1802——戴维发现白炽现象。

1809——戴维发现电弧。

1820——安培发现电流的磁效应。

1825——欧姆发现欧姆定律。

1831——法拉第发现电磁感应现象。

1840——格罗夫制作出实验性的电灯。

1841——德莫林斯获得第一个白炽灯专利。

1845——莱特获得第一个弧光灯专利。

1845——J. W. Starr白炽灯。

1856——Joseph Lacassagne和Henry Thiers发明控制电弧的方法。

1862——英国安装了第一盏商用弧光灯。

1866——Charles Wheatstone爵士发明自励发电机(self-excited dynamo)。

1872——Lodyguine发明石墨灯丝、氮气保护的白炽灯。

1876——Paul Jablochkoff发明“电蜡烛”,一种用于巴黎街道照明的商用弧光灯。

1877-1878——William Wallace、Moses Farmer教授、Edward Weston、Charles F. Brush、Elihu Thomson教授、Edwin J. Houston等人在美国建立起商用弧光灯系统。

1879——爱迪生发明高阻值碳灯丝真空白炽灯,建立起全新的常压电力输送系统。

1882——Lucien Goulard和John D. Gibbs发明交流输电系统,未商用。

1886——William Stanley的常压交流输电系统。

1893——Louis B. Marks发明密封碳弧光灯。

1898——Bremer发明的焰弧灯(flame arc lamp)实现商用。

1900——Walther Nernst的Nernst牌电灯实现商用,使用多种氧化物作为灯丝。

1901——Peter Cooper Hewitt发明的水银弧光灯实现商用。

1902——C. A. B. Halvorson发明磁铁矿弧光灯,其负极电极材料为填充在铁管中的磁铁矿混合物。

1904——McFarlan Moore发明的Moore真空管灯实现商用。

1905——Auer von Welsbach发明的锇丝白炽灯在欧洲小范围商用。

1905——Willis R. Whitney发明的宝石白炽灯实现商用,效率比普通的碳白炽灯高25%。

1906——Werner von Bolton发明的钽丝白炽灯实现商用。

1907——Alexander Just和Franz Hanaman发明的钨丝白炽灯实现商用。

1911——William D. Coolidge发明的冷拔钨丝实现商用。

1913——Irving Langmuir发明的充气钨丝白炽灯实现商用。

电灯泡并不是爱迪生发明的,爱迪生只是「改良」了电灯。

在美国,爱迪生其实也没有取得电灯泡的专利权,经过了多年官司之后,最终只是取得了「碳丝白炽灯」的专利。

他是第一个通过建立发电机和发电系统,真正把电灯商业化的人。

他和他的团队,让千家万户的普通家庭用上了电灯。

我们的故事,就从电灯泡说起。

按照通常历史的记载,1879 年 10 月 21 日,爱迪生在他的实验室里,用碳化的卷绕棉线作为灯丝,成功制作出世界上第一个电灯泡——这个电灯泡发出了大约 10 盏煤气灯的光芒,持续了约 13 个小时。

从那以后,爱迪生的名字就和电灯泡连接在了一起。

但电灯泡真的是爱迪生发明的吗?

很遗憾,并不是。

1801 年,英国化学家戴维第一次将铂丝通电发光,9 年后,他发明了电烛,就是利用两根碳棒之间的电弧照明。

但是,这当然算不上「发明电灯泡」对不对?那么再往下看。

1854 年,美国人亨利·戈培尔(Heinrich Göbel)使用一根碳化的竹丝,放在真空的玻璃瓶中通电发光。当时戈培尔试验的灯泡,已可维持照明 400 小时。

探索时期的电灯泡

这个应该是电灯泡了吧?但是——这个「但是」很重要——戈培尔并没有及时申请设计专利。

1874 年,加拿大的两名电气技师发明了一种技术:在玻璃泡之中充入氮气,以通电的碳杆发光。

但是,又一个「但是」,他们没钱了,做不下去了。然后他们做了一件事——在 1875 年把这项专利卖给了爱迪生。

1878 年,在爱迪生「发明」电灯的前一年,英国人约瑟夫·威尔森·斯旺(Joseph Wilson Swan)同样完成了一个「真空下用碳丝通电的灯泡」——这回没有「但是」,斯旺立刻申请了英国的专利,并开始在英国建立公司,在各个家庭安装电灯。

1879 年,爱迪生「实验了 1600 多种材料,做了几千次实验」,终于找到了碳化的棉丝作为最好的灯丝材料——斯旺在 1860 年就发现了。

1880 年,爱迪生又经过数千次实验,发现了碳化的竹丝比棉丝更好——戈培尔在 1854 年就发现了这一点。

1883 年,爱迪生试图把电灯推广到英国,立刻遭到了斯旺的侵权官司控告。爱迪生输掉了官司,被迫让斯旺加入爱迪生在英国的电灯公司担任合伙人。直到后来,爱迪生花钱买下了斯旺的专利。

当然,在美国,爱迪生其实也没有取得电灯泡的专利权,经过了多年官司之后,最终只是取得了「碳丝白炽灯」的专利。

那么问题来了:爱迪生应该只是「改良」了电灯,但为什么我们现在还是愿意说爱迪生发明了电灯呢?

那是因为,爱迪生是第一个通过建立发电机和发电系统,真正把电灯商业化的人,他和他的团队,让千家万户的普通家庭用上了电灯。

于是就要说到爱迪生的团队了。

长久以来,我们一直说,爱迪生拥有 1093 项发明专利(这个纪录至今无人打破),是名副其实的「发明大王」。

但事实上,应该是爱迪生把这些专利都归为他个人而已。

在当时美国新泽西州一个叫门罗公园的小镇上,爱迪生拥有自己的实验室。这个实验室里,他雇用了一个由工程师、机械师和物理学家等人组成的团队,其中核心成员有 14 个。他们负责研究和实验,而爱迪生负责想点子,与客户和投资商对接,以及和媒体打交道。

从这个角度上说,爱迪生更像是一个「品牌」,他负责为自己团队发明的产品提供信任背书和吸引投资。但门罗公园实验室的存在,并不是一个秘密,为什么长久以来,大家还是愿意只提爱迪生一个人的名字,而鲜有人说他的团队?

戴维·伯克斯(David Burkus)在他的著作《创造力神话》(The Myths of Creativity)中提供了这样一个观点:

媒体和大众喜爱「孤独的天才」「快饿死的艺术家」,或者「与全世界作对的智者」这一类故事,即使这些故事并不全是真的。

想象两个画面:一个是,爱迪生的庞大实验室里人流穿梭,各个小组根据分工在实验不同的灯丝,拿本子记录,最后汇总;另一个是,窗外狂风呼啸,屋内孤灯(煤气灯)一盏,爱迪生一个人揉了揉自己的太阳穴,孤独地开始了他第 1023 次灯丝实验。哪个画面更吸引人?

事实的真相,有时候就是索然无味的。

那么,又一个问题来了:爱迪生哪来那么多钱买专利,以及养活他的团队?

于是又要说到爱迪生背后的大金主了。这个大金主的名字,就是大名鼎鼎的 J. P. 摩根(约翰·皮尔庞特·摩根)。

要说摩根这个人,也是一个特立独行的人。在他去世后,人们发现他的财产也就 6000 万美元,加上等量的他收集的艺术品,也就 1 亿美元出头。以他当时控制的资源和财产,这个数字让人无法置信——「他甚至算不上是一个富人」,这是当时另一个大富豪洛克菲勒对他的评价。

或者换个今天时髦的说法吧——J. P. 摩根是个有情怀的人。

所以,在 1879 年,摩根入股了爱迪生成立的「爱迪生电力公司」(Edison Electric Light Company),因为摩根敏锐地察觉到,爱迪生的这个发明——或发现——能改变整个世界。

有时候,同样有技术,有想法,有拼劲,但是如果背后没有大资金的支持,等于零——就像 1875 年,那两个把电灯泡专利卖给爱迪生的加拿大电气工程师。

「砸钱」,是摩根给爱迪生的第一个支持。爱迪生在摩根的支持下,体会到了「有钱就是任性」的感觉:觉得有前途的专利一律买下;看到有才华的工程师,马上雇用!

摩根对爱迪生的第二个支持,就是商业的远见。比如考虑到爱迪生的电力公司要普及电灯,就必须铺设电网,于是摩根立刻组建了一个铜业公司——这是普通发明人根本无法办到的事。