第十二讲 电灯

1.煤气灯和煤油灯

电力的普及让工业革命进入了新的阶段，除了稍后要讲的电报之外，电灯的普及直接拉开了电力时代的帷幕。

在电灯之前，石油工业首先推动了灯具的发展，煤油灯取代了古老的油灯和蜡烛。

在煤油之前，煤气灯首先被开发出来。所谓煤气，最初就是煤矿中溢出的易燃气体。这些气体让煤矿工人陷入生命危险，如何排除煤气是长期让矿场主头疼的课题。

1790年，瓦特公司的杰出员工威廉·默多克想到了与其排除煤气，不如收集利用。他把收集起来的煤气用安全可控的方式缓慢释放，用于照明。

其实在中国古代，也早已有了对煤气照明的利用，但应用范围不大，就是在矿场内部使用。但英国正值工业时代，煤气灯马上就被默多克用在了公司支持的纺织厂里。在19世纪初甚至走上伦敦街头（图12.1），提供街道照明。

前面说到，由于蒸汽机的助力，新兴的工厂逐渐摆脱了自然的限制，不需要依靠河流。但昼夜交替这一自然限制仍是问题。理论上说蒸汽机的开动与日月无关，但黑暗的环境无法保证工人的操作，

前面讲到，一个典型童工每天可能要工作16个小时，贪婪的资本家恨不得工厂24小时不停作业，那么可靠的照明系统就成为迫切的需求了。

但易燃易爆的煤气毕竟十分危险（图12.2），要被广泛接受并不容易，不像之后的煤油灯那样迅速普及。

煤油之所以也叫“煤”，是因为最初的开发者也是从含有沥青的烟煤通过蒸馏生产出来的，但后来人们主要通过石油来提炼煤油。

古代人早已认识石油的存在，巴比伦人用沥青加固城墙，埃及人用沥青涂抹木乃伊，中国的沈括则认为石油不适宜做燃料，但烧完的黑灰特别适合做墨水。欧洲中世纪则试图在石油中提取油脂用作药用。

实在是因为石油的杂质太多，燃烧起来浓烟滚滚又气味刺鼻，不适合日常作为燃料使用。要等到化学工业发展出成熟的蒸馏工艺之后，石油才能被转化利用。

1745年俄罗斯人就开采并蒸馏蒸馏石油得到煤油，用于教堂和修道院点灯。而大规模商业化生产则要到19世纪中叶开始。

1848年，苏格兰化学家詹姆斯·杨（James Young）最早建立了小型炼油工坊，通过蒸馏石油，获取石蜡油等有用液体。1850年，他在英国的巴斯盖特（Bathgate）建立了第一家商业化的炼油厂，销售石脑油和润滑油，几年后销售固体石蜡。

煤油灯（图12.3）于1853年被发明， 1854年北美煤油煤气灯具公司制造煤油并销售煤油灯。廉价的煤油取代依靠远洋捕鲸提供的鲸油，广受欢迎。

早期的油井都是作为煤矿或盐矿的伴生而被意外开采的，直到1859年，德雷克（Edwin Drake）在宾夕法尼亚建立了一座专门为了开采石油的现代化油井（图12.4），生产煤油。尽管对于这一油井是否真是第一座存在争议，但肯定是影响最大的一座，德雷克油井开掘成功激励了美国的石油热潮，许多投资者都盯上了这一市场，油井遍地开花。

2.爱迪生之前的电灯

化学家汉弗莱·戴维是法拉第的领路人，他曾经表示法拉第是他一生中最大的发现，但他在技术史上的发明也令人瞩目。

首先他发明了一种安全灯（以他的名字命名的戴维灯），安全灯（图12.5）是一种油灯（鲸油或煤油都可以），专门为矿工设计。戴维用非常细密的金属网罩隔离火焰，让空气能够进入的同时火苗不会窜出，这样就可以避免火焰直接接触大量易燃气体造成爆炸。另外，在灯壁上设有刻度，工人可以根据火苗的高度判断矿井中的空气质量。火苗太高意味着存在易燃气体，火苗太低则意味着氧气不足，从而工人可以及时规避危险。

戴维更是发明了白炽灯和电弧灯的原型。在1802年到1809年间的某个时候，他利用2000个电池串联放电，让电流穿过铂金薄条或击穿空气（图12.6），铂金条会发热发光，这就是白炽灯的原理。而在两个碳棒之间隔着一段水平空间时，电流就会形成弧形火花（图12.7），这就是电弧灯的原理。

白炽灯通过让导体高温发热从而发光，因此导体很容易烧融或氧化，反倒电弧灯更容易实用化。在1850年之后，电弧灯在美国得到改良和推广。到1880年，Brush Electrical Machines公司开始销售电弧灯，根据次年《科学美国人》的报道，Brush公司当年实际售出6000套电弧灯，用途广泛，包括各类工厂、商店、酒店、教堂、公园、码头、仓库、矿山、冶炼厂、道路照明……

对白炽灯的改进也一直都在推进，从戴维开始，贯穿整个19世纪，来自英国、美国、比利时、俄罗斯、加拿大等国家的数十位科学家和发明家前赴后继，展开了许多研究，产生了多项专利。除了铂金之外，还试验过铱、碳等各种材料作为灯丝，也已经有人尝试把灯丝置于真空管内，或者充满氮气的容器之内。在实验室内，白炽灯的研究方向已经非常明确了，主要的难题就是耐用性问题，改进方向无非是寻找更好的灯丝材料，同时改善容器的气密性。

英国的斯旺第一个实现白炽灯的商用化。他在1860年完成了他的实验室模型，采用在真空玻璃泡中通电碳化纸丝的设计。最初，因为真空效果不佳，导致灯泡很快“黑化”（图12.8），之后在1870年代改良真空泵之后达成了较好的效果，最后在1880年取得了关于“避免灯泡黑化”的专利。

1878年，他就借助水力发电，用灯泡照亮了自己家和周围的房屋。1879年2月3日，斯旺的灯泡照亮了纽卡斯尔的莫斯利街道（Mosley Street），成为世界上第一块被白炽灯照亮的公共区域。

3.爱迪生的电灯

1878年爱迪生访问贝克教授时第一次看到电弧灯，当时他刚刚研究完电话的课题，正在决定下一个主攻方向，就选择了电灯来研究。

爱迪生最初也是以铂等惰性金属为主，一年后才想到使用碳丝，然后立刻就在美国申请了利用棉花、纸等制造碳丝灯泡的专利，1880年1月得到授权。在1879年爱迪生在门洛公园点亮灯泡（图12.9），都比斯旺略晚。

斯旺1878年的灯泡能亮40小时，而爱迪生在1879年的灯泡一度只有13.5小时，稍后改良到45个小时。直到爱迪生拿到专利之后再过几个月，才找到了最耐用的碳化日本竹丝，可以点亮1200小时。

爱迪生虽然研发落后，但在1878年研发刚启动的时候就注册了公司，斯旺则在1881年才成立了电灯公司。1882年，爱迪生状告斯旺侵犯专利，最后达成妥协，成立了爱迪生&斯旺联合公司，昵称Ediswan（图12.10），专门在英国销售电灯。

显然，爱迪生并不是电灯的发明者，甚至也不是第一个把电灯实用化，而后来最主流的钨丝+惰性气体填充的灯泡也不是爱迪生的发明（从1904年起匈牙利人创造）。但他在电力革命中的地位仍然是非常重要的。那么，他究竟牛在哪里呢？

首先，爱迪生的商业化最为成功，就像史蒂芬森的成功不只在于火车头，爱迪生关注的远远不止灯泡本身。爱迪生卖灯泡醉翁之意不在酒，真正卖的是包括电表、电缆、发电机等一整套电力设施。用时髦的话讲，他卖的不是产品，而是“生态”。

其次，爱迪生对电灯的改良，并不是他一个人的成果，而是他率领研究团队做出来的。这一点恰恰更加突显了他的地位。

1876年，爱迪生创建了门洛帕克实验室（图12.11），最初只有几名雇员，1878年增加到25人，1880年取得电灯专利前后达到了50-60人。建立通用电气公司之后，这种“工业实验室”模式被推广到每一家工厂，生产与研究紧密联合。

这种由大型企业建立专业研发机构，促进“产研”结合的体制在20世纪成为流行，各大知名企业都争相创立实验室，爱迪生的实验室可以说是后来这些工业实验室的先驱和榜样。

爱迪生最伟大的发明或改良，可能是“发明”这一活动本身。在古代，技术发明更多依赖发明家个人的灵感和汗水，但在爱迪生这里，发明本身变成了某种流水线生产的“产品”。

工业实验室可以说是一种以“发明”为产品的“工厂”，“发明”像一件工业制品那样，被拆分为各个环节，放在“流水线”上由各个领域专家分别钻研，最终被组装成有效的专利。

对成百上千种材料进行成千上万次测试，显然不是爱迪生一人之力（图12.12）。有些雇员专门负责在全世界采集材料，有些人专门负责碳化工艺，有些人专门负责测试记录……正是雇员们有组织、有纪律地完成爱迪生布置的任务，才能高效地推进发明。工业化生产的思路被应用于“发明”本身，各司其职的分工作业要比每个人都从头做到尾高效得多。加上一整套完善的后勤保障和考勤监督体制（图12.13），工作室有条不紊地推进每一细分领域的研究，并迅速把成果整合起来，这才使得爱迪生的发明如此高效、多产。因为整个实验室的全部发明最终都以爱迪生为名申请专利，爱迪生才有可能坐拥1093项美国专利，成为当之无愧的发明大王。

爱迪生有一句脍炙人口的名言：“天才是百分之一的灵感，加上百分之九十九的汗水。”爱迪生本人确实非常勤奋，以工作狂著称，但更关键的是，这百分之九十九的汗水，不一定是一个人流出来的。爱迪生的天才不仅是自己吃苦耐劳，更是善于把其他人的汗水有效地“组织”起来，形成一种稳固的合作机制。这种体制化的发明产业，是爱迪生之前的天才们没有做到的。