（1）电学方面成就

1825年，戴维指派法拉第进行光学玻璃实验，此实验历时六年，但没有显著的进展。直到1829年，戴维去世，法拉第停止了这个无意义的工作并开始其他有意义的实验。在1831年，他开始一连串重大的实验，并发现了电磁感应，虽然在福朗席斯科·札德启稍早的工作可能便预见了此结果，此发现仍可称为法拉第最大的贡献之一。他的展示向世人建立起“磁场的改变产生电场”的观念。此关系由法拉第电磁感应定律建立起数学模型，并成为四条麦克斯韦方程组之一。在对静电的研究中，法拉第发带电导体上的电荷仅依附于导体表面，且这些表面上的电荷对于导体内部没有任何影响。造成这样的原因在于在导体表面的电荷彼此受到对方的静电力作用而重新分布至一稳定状态，使得每个电荷对内部造成的静电力互相抵销。这个效应称为遮蔽效应，并被应用于法拉利笼上。

（2）化学方面成就

法拉第最早的化学成果，来自于担任戴维助手的时期。他花了很多心血研究氯气，并发现了两种碳化氯。法拉第也是第一个学者实验（虽然较为粗略）观察气体扩散，此现象最早由约翰·道尔顿发表，并由汤玛斯·葛兰姆及约瑟夫·罗斯密特揭露其重要性。他成功的液化了多种气体；他研究过不同的钢合金，为了光学实验，他制造出多种新型的玻璃。其中一块样品后来在历史上占有一席之地，因为一次法拉第将此玻璃放入磁场中时，他发现了极化光平面受磁力造成偏转及被磁力排斥。他发明了一种加热工具，是本生灯的前身，在科学实验室广为采用，作为热能的来源。法拉第在多个化学领域中都有所成果，发现了诸如苯等化学物质（他称此物质为双碳化氢(bicarburetofhydrogen)），发明氧化数，将如氯等气体液化。他找出一种氯水合物的组成，这个物质最早在1810年由戴维发现。法拉第也发现了电解定律，以及推广许多专业用语，如阳极、阴极、电极及离子等，这些词语大多由威廉·休艾尔发明。

幻灯片7

1.1.2詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，英国物理学家、数学家。科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是实现第一次大综合，麦克斯韦把电、光统一起来，是实现第二次大综合，因此应与牛顿齐名。1873年出版的《论电和磁》，也被尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦主要成就

（1）《电磁学通论》

经过了八年的艰苦努力，1873年麦克斯韦的一部电磁学专著终于问世了，书名叫作《电磁学通论》。在《电磁学通论》中，麦克斯韦比以前更为彻底地应用了拉格朗日的方程，推广了动力学的形式体系。这一时期前后，英国和欧洲大陆的数学家中间，普遍倾向于更广泛地在物理学问题中使用分析动力学的方法，麦克斯韦的做法与数学家的方法不谋而合。而且他的方法和见地新颖，使很多人为之吸引。通过把这种流行的研究倾向用于电磁学，他使时尚变成了他特有的结果。麦克斯韦采用风格极为新式的关于项的对称性与矢量结构的论证，以最普遍的形式表示出电磁系统的拉格朗日函数。麦克斯韦对拉格朗日方法的运用，就其几乎是通往物理学理论的一条新途径来说，这是第一次尝试。过了很多年，其他物理学家才充分地运用这一方法来研究电磁学领域。

（2）《论物理的力线》

1862年，麦克斯韦完成了论文《论物理的力线》，麦克斯韦的物理力线理论就在于把磁场中的转动这一假说，从寻常的物质推广到以太。他考虑了深置于不可压缩流体中涡旋的排列。在正常情况下，压强在各方向是相同的，但转动引起的离心力，使每一涡旋发生纵向收缩，并施加经向压强，这正模拟了法拉第力线学说中所提的应力分布。由于使每一涡旋的角速度同局部磁场强度成正比，麦克斯韦得出了同已有的关于磁体、稳恒电流及抗磁体之间，力的理论完全相同的公式。根据流体的观察实验，麦克斯韦认为各涡旋之所以能沿同一指向自由转动，是因为各涡旋由一层微小的粒子同与它相邻的涡旋格开，这种粒子与电完全相同。

（3）《电磁场的动力学理论》

1865年他发表了第四篇论文《电磁场的动力学理论》，为解决与光速之间的纯唯象问题提供了一个新的理论框架。它以实验和几个普遍的动力学原理为根据，证明了不需要任何有关分子涡旋或电粒子之间的力的专门假设，电磁波在空间的传播就会发生。在这篇论文中，麦克斯韦完善了他的方程式。他采用拉格朗日和哈密顿创立的数学方法，由该方程组直接导出了电场和磁场的波动方程，其波动的传播速度为一个介电系数和导磁系数的几何平均的倒数，这一速度正等于光速。这一结果又再一次与麦克斯韦四年前的推算结果完全一致。至此电磁波的存在是确定无疑的了。由此，麦克斯韦大胆的断定，光也是一种电磁波。法拉第当年关于光的电磁论的朦胧猜想，经过麦克斯韦精心地计算而成为科学的推论，法拉第与麦克斯韦的名字，从此像牛顿与伽利略的名字一样，联系在一起，在物理学上闪烁着永久的光芒。麦克斯韦在一封信上，曾谈及他的这篇论文，他说：“我在完成一篇包含光的电磁理论，在我确信相反的理论产生以前，我认为这个理论是强大的武器。”从1865年开始，麦克斯韦辞去了皇家学院的教席，开始潜心进行科学研究，系统地总结研究成果，撰写电磁学专著。

（4）四元方程组

在麦克斯韦以前的许多年间，人们就对电和磁这两个领域进行了广泛的研究，人们都知道这两者是密切相关的。适用于特定场合的各种电磁定律已被发现，但是在麦克斯韦之前却没有形成完整、统一的学说。麦克斯韦用列出的简短四元方程组（但却非常复杂），就可以准确地描绘出电磁场的特性及其相互作用的关系。这样他就把混乱纷繁的现象，归纳成为一种统一完整的学说。麦克斯韦方程在理论和应用科学上都已经广泛应用一个世纪了。

（5）天文学和热力学

虽然麦克斯韦成名主要是在于他对电磁学和光学做出的巨大贡献，但是他对许多其它学科也做出了重要的贡献，其中包括天文学和热力学。他的特殊兴趣之一是气体运动学。麦克斯韦认识到并非所有的气体分子都按同一速度运动。有些分子运动慢，有些分子运动快，有些以极高速度运动。麦克斯韦推导出了求已知气体中的分子按某一速度运动的百分比公式，这个公式叫做“麦克斯韦分布式”，是应用最广泛的科学公式之一，在许多物理分支中起着重要的作用。

（6）建立卡文迪许实验室

麦克斯韦的另一项重要工作是筹建了剑桥大学的第一个物理实验室——著名的卡文迪许实验室。该实验室对整个实验物理学的发展产生了极其重要的影响，众多著名科学家都曾在该实验室工作过。卡文迪许实验室甚至被誉为“诺贝尔物理学奖获得者的摇篮”。作为该实验室的第一任主任，麦克斯韦在1871年的就职演说中对实验室未来的教学方针和研究精神作了精彩的论述，是科学史上一个具有重要意义的演说。麦克斯韦的本行是理论物理学，但他却清楚地知道实验称雄的时代还没有过去。他批评当时英国传统的“粉笔”物理学，呼吁加强实验物理学的研究及其在大学教育中的作用，为后世确立了实验科学精神。

1.1.3詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（JamesPrescottJoule；1818年12月24日－1889年10月11日），英国物理学家，出生于曼彻斯特近郊的沙弗特（Salford）。由于他在热学、热力学和电方面的贡献，皇家学会授予他最高荣誉的科普利奖章（CopleyMedal）。后人为了纪念他，把能量或功的单位命名为“焦耳”，简称“焦”，并用焦耳姓氏的第一个字母“J”来标记热量。

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳主要成就

（1）热功当量的测定

焦耳的主要贡献是他钻研并测定了热和机械功之间的当量关系。这方面研究工作的第一篇论文《关于电磁的热效应和热的功值》，是1843年在英国《哲学杂志》第23卷第3辑上发表的。此后，他用不同材料进行实验，并不断改进实验设计，结果发现尽管所用的方法、设备、材料各不相同，结果都相差不远；并且随着实验精度的提高，趋近于一定的数值。最后他将多年的实验结果写成论文，发表在英国皇家学会《哲学学报》1850年第140卷上，其中阐明：第一，不论固体或液体，摩擦所产生的热量，总是与所耗的力的大小成比例。第二，要产生使1磅水（在真空中称量，其温度在50～60华氏度之间）增加1华氏度的热量，需要耗用772磅重物下降1英尺的机械功。他精益求精，直到1878年还有测量结果的报告。他近40年的研究工作，为热运动与其他运动的相互转换，运动守恒等问题，提供了无可置疑的证据，焦耳因此成为能量守恒定律的发现者之一。

（2）焦耳定律的发现

1840年12月，他在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文，提出电流通过导体产生热量的定律；由于不久 э . х . 楞次也独立地发现了同样的定律，而被称为焦耳-楞次定律。

（3）在热力学方面的成就:

1852年焦耳和w. 汤姆孙 （即开尔文）发现气体自由膨胀时温度下降的现象，被称为焦耳-汤姆孙效应。这效应在低温和气体液化方面有广泛应用。他对蒸汽机的发展作了不少有价值的工作。

1.1.4威廉·康拉德·伦琴

威廉·康拉德·伦琴（德语：Wilhelm Conrad Röntgen，1845年3月27日－1923年2月10日），德国物理学家，1895年1月5日，发现X射线。他因此于1901年获第一次诺贝尔物理学奖金。这一发现宣布了现代物理学时代的到来，使医学发生了革命。

（1）威廉·康拉德·伦琴贡献

伦琴一生在物理学许多领域中进行过实验研究工作， 如对电介质在充电的电容器中运动时的磁效应、气体的 比热容、晶体的导热性、热释电和压电现象、光的偏振面在气体中的旋转、光与电的关系、物质的弹性、毛细现象等方面的研究都作出了一定的贡献。1895年1月5日，伦琴发现 X 射线。他的发现为他赢得了巨大的荣誉。他于1901年获第一次诺贝尔物理学奖金。这一发现宣布了现代物理学时代的到来，使医学发生了革命。

（2）细胞学说

细胞学说是 1838~1839 年间由德国植物学家施莱登 (Matthias Jakob Schleiden) 和动物学家施旺 (Theodor Schwann) 所提出，直到 1858 年才较完善。它是关于生物有机体组成的学说。细胞学说论证了整个生物界在结构上的统一性，以及在进化上的共同起源。这一学说的建立地推动了生物学的发展，并为辩证唯物论提供了重要的 自然科学依据。革命导师恩格斯曾把细胞学说与能量守恒和转换定律、达尔文的自然选择学说等并誉为 19 世纪最重大的自然科学发现之一。

德米特里·门捷列夫

德米特里·门捷列夫，19世纪俄国化学家，他发现了元素周期律，并就此发表了世界上第一份元素周期表。1907年2月2日，这位享有世界盛誉的俄国化学家因心肌梗塞与世长辞，那一天距离他的73岁生日只有六天。他的名著、伴随着元素周期律而诞生的《化学原理》，在十九世纪后期和二十世纪初，被国际化学界公认为标准著作，前后共出了八版，影响了一代又一代的化学家。

1.1.5德米特里·门捷列夫

（1）德米特里·门捷列夫的主要贡献

门捷列夫对化学这一学科发展最大贡献在于发现了化学元素周期律。他在批判地继承前人工作的基础上，对大量实验事实进行了订正、分析和概括，总结出这样一条规律：元素（以及由它所形成的单质和化合物）的性质随着原子量（现根据国家标准称为相对原子质量）的递增而呈周期性的变化，既元素周期律。他根据元素周期律编制了第一个元素周期表，把已经发现的63种元素全部列入表里，从而初步完成了使元素系统化的任务。他还在表中留下空位，预言了类似硼、铝、硅的未知元素（门捷列夫叫它类硼、类铝和类硅，即以后发现的钪、镓、锗）的性质，并指出当时测定的某些元素原子量的数值有错误。而他在周期表中也没有机械地完全按照原子量数值的顺序排列。若干年后，他的预言都得到了证实。门捷列夫工作的成功，引起了科学界的震动。人们为了纪念他的功绩，就把元素周期律和周期表称为门捷列夫元素周期律和门捷列夫元素周期表。

2.1钢铁与材料技术的发展

2.1.1炼钢技术的新进展

（1）凯利的空气沸腾法炼钢法

1847年美国匹兹堡的糖锅制造者凯利（公元1811-1888）发明了空气沸腾炼钢法，其特点是给钢炉中的铁水吹入空气，这样不仅可以除去铸铁中所含的碳，并由于铸铁中的碳快速燃烧而获得高温。这样就可以用简单的方法把铸铁炼成钢。

（2）贝塞麦的酸性转炉炼钢法

英国人贝塞麦（公元1813-1898）发明了与凯利相同原理的炼钢法，并于1855年在美国取得了空气沸腾炼钢法了专利。为了使钢水易于倒出，他又将钢炉从固定式结构改为可转动式，即转炉。这种转炉由于是用纯净的硅石做炉衬，属酸性，故称酸性转炉。贝塞麦转炉只花10分钟就可把10吨～15吨铁水炼成钢。若是用搅拌法需几天时间才能完成。所以，这是一种生产率高、成本低的炼钢方法，成为冶金史上的一大创举。

（3）托马斯的碱性转炉炼钢法

贝塞麦发明的转炉是酸性转炉，在酸性转炉环境中，磷很难被氧化除掉。所以，贝塞麦转炉在欧洲只适用于拥有大量低磷、低硫铁矿石的瑞典和奥地利等国。1879年，英国冶金学家托马斯（1850-1885）提出了碱性转炉炼钢法，即采用白云石高温烧成的熟料，混合焦油做成碱性的耐火砖炉衬，冶炼过程中吹入空气并加入生石灰。这样便使整个反应在碱性高温条件下进行，被氧化的磷与石灰结合起来，残留于渣内而不返回钢内，脱磷问题因此得以解决。托马斯的这一方法，很快被盛产含磷铁矿石的德国、法国广泛应用，从而进一步促进了炼钢的发展。

（4）马丁的西门子——马丁平炉炼钢法

用平炉以煤气或重油为燃料，在燃烧火焰直接加热的状态下，将生铁和废钢等原料熔化并精炼成钢液的炼钢方法。1856年德国人西门子 （K.W.Siemens）使用了蓄热室为平炉的构造奠定了基础。1864年法国人马丁利用有蓄热室的火焰炉，用废钢、生铁成功地炼出了钢液，从此发展了平炉炼钢法。在欧洲一些国家称为西门子－马丁炉或马丁炉。此法同当时的转炉炼钢法比较有下述特点：①可大量使用废钢，而且生铁和废钢配比灵活；②对铁水成分的要求不像转炉那样严格，可使用转炉不能用的普通生铁；③能炼的钢种比转炉多，质量较好。因此，碱性平炉炼钢法问世后就为各国广泛采用，成为世界上主要的炼钢方法。在1930～1960年的30年间，世界每年钢的总产量近80%是平炉钢。50年代初期氧气顶吹转炉投入生产，从60年代起平炉逐渐失去其主力地位。许多国家原有的炼钢主力──平炉已经或正在陆续被氧气转炉和电炉所代替。

2.2冶金技术与金相学

2.2.1冶金技术的发展

（1）穆舍特的自硬钢

1868年至1882年期间，穆舍特在用铁和木炭制作坩埚钢过程中发明了在空气中具有自硬性可以锻造的钢，这种钢被称为自硬钢。这种含有Mn、W、Cr的钢非常合适作切削用钢，它使切削速度由高碳钢的12m/min提升到18.24m/min。

（2）哈德菲尔德的锰钢

1882年哈德菲尔德（公元1859-1940）研制出锰钢。这种钢不靠淬火即能自硬且无磁性，更由于它具有优良的耐磨性能，后来在许多方面得到应用。

（3）莱利的镍钢

1889年莱利发明了镍钢，即坡莫合金。由于在钢中加入了Ni，使钢的强度和延展性相互结合，强度大大增加，但延展性降低很少。

（4）德维尔的铝球

1854年法国化学家德维尔用Na和无水AlCl制得纯金属铝球，德维尔将其称之为“来自年途中的白银”，从此开始了炼铝的历史。

（5）霍耳和桑特的电解炼铝法

1866年美国的霍尔和法国的桑特分别独立地发明了电解铝的方法。一般称为冰晶石-氧化铝熔盐电解法。最初铝是用化学法制备，用钾钠之类来还原，所以非常昂贵，原因是氧化铝熔点非常的高，无法用常规电解还原钾钠盐制备钾钠的方法来制备铝，后来科学家发现氧化铝可以在较低的温度下溶解于熔融的冰晶石，后来就发展了电解法制铝的技术。

在铝土矿中制备氧化铝粉，然后把氧化铝溶解在熔融的，包含冰晶石以及如氟化钠等的一些添加剂的溶液中，用碳作为电极通直流电，这样单质铝就会在阴极被还原出来，碳阳极氧化，产生二氧化碳。

（6）冶金技术的分类：物理冶金和萃取冶金

物理冶金也称火法冶金。火法冶金是在高温条件下进行的冶金过程。矿石或精矿中的部分或全部矿物在高温下经过一系列物理化学变化，生成另一种形态的化合物或单质，分别富集在气体、液体或固体产物中，达到所要提取的金属与脉石及其它杂质分离的目的。

萃取冶金也称湿法冶金。湿法冶金是在溶液中进行的冶金过程。湿法冶金温度不高，一般低于100℃，现代湿法冶金中的高温高压过程，温度也不过200℃左右，极个别情况温度可达300℃。

2.2.2金相学

1864年由于照相技术的发明，人们试图利用显微照相来记录对金属观察的结果，到1901年提出铁碳平衡图标志着金相学作为一门学科已经形成。所谓金相学，主要是研究金属材料组织的一门学科，其通过对金属材料的宏观和微观组织的研究不同的结构组份，也即各个晶体（相）或晶体群（共晶体，共析体等等）的含量、大小、形状、颜色、位向和硬度。

2.3热机的发明与应用

2.3.1内燃机的发明与改进

（1）惠更斯的设想

1673年至1680年间，荷兰物理学家惠更斯就曾提出了真空活塞式火药内燃机的方案。他设想利用火药燃烧的高温气体在汽缸内冷却后形成真空，从而可以利用大气压力推动活塞做功。但由于真空力量有限，火药的燃烧又难于控制，因而未能成功。

（2）塞西尔的煤气机

1794年英国人斯特列特第一次提出了燃料与空气混合作为内燃机能源的原理。1799年法国工程师勒篷提出用照明煤气作为燃料与空气混合，并用电火花点火的内燃机设想。然而这些设想均未实现。直到1820年塞西尔以氢煤气为燃料的煤气机初次运转成功。

（3）布朗的内燃机

1823年英国人布朗发明了最早的可以实际运转的内燃机并用于提水。它并没有采用汽缸——活塞结构。

（4）雷诺的商业化的内燃机

法国发明家雷诺于1860年制成了第一台实用的内燃机，这是一台二冲程、无压缩、电点火的煤气机，它的效率不高，每马力需要100立方英尺煤气，热效率仅4%，电点火也不可靠，但毕竟平稳运行了，导致了内燃机实现了批量生产

（5）德·罗莎的等容燃烧四冲程循环原理

1862年法国工程师德·罗莎提出内燃机的等容燃烧四冲程（吸气、压缩、做功、排气）循环原理；为制造高效率内燃机奠定了科学基础。

（6）奥托的奥托循环机

1876年德国人奥托发明奥托循环机。他率先依据该原理研制成功第一台四冲程往复式活塞内燃机，这是第一台单缸卧式、4马力等容燃烧的煤气机。此机小巧紧凑，热效率高达12%—14%，这种内燃机得到大量推广，性能也不断提高。热效率在1894年达到20%以上。这是内燃机技术的一次跨跃，摆脱了对蒸汽机的模仿，获得了更高的机械效率；

（7）戴勒姆的汽油机

戴勒姆和迈巴赫于1883年合作研制出一种空气冷却的高速汽油发动机。这种发动机用白炽灯点火，装有迈巴赫发明的汽化器。

由于改用汽油燃料，实现了内燃机的小型化和高速化，发动机的转速已从煤气机的200转/分提高到900转/分左右，这种发动机很快用于驱动车辆。

（8）狄塞尔的压燃点火式发动机

内燃机的发展经过了煤气机、汽油机之后，许多人又开始探索利用石油的重油成分来作为内燃机的燃料。1885年英国曾有人研制出了煤油机，然而比较完善地解决了燃烧重油的有关技术问题的则是德国的机械工程师狄塞尔(公元1858—1913)。1892年他发明了压燃点火式柴油发动机。他在《一种合理热机的理论与制造》一文中，阐明了他的内燃机的原理：在发动机中不是通过燃料和空气的混合从外部将其引燃，而是采用提高压力来压缩汽缸里的空气，使空气因高压压缩而升温，同时向高温部位喷入燃料，不用点火就能使燃料起爆。狄塞尔通过数年时而充满自信、时而悲观失望的努力，终于在1897年按他的设想制成了柴油发动机。尽管它比汽油机笨重，制造发动机所用材料必须要耐高温、耐高压，但由于结构更为简单，所用燃料便宜，输出功率又大，因而狄塞尔的柴油发动机成为内燃机发展史上又一个伟大的新起点。笨重的柴油机最初是一种固定式发动机，装在发电厂里，与蒸汽机竞争。从1903年起陆续用作船舶、潜艇、机车等的发动机。进入20世纪，奥托发动机与狄塞尔发动机成了许多领域里广泛应用的动力机。

2.3.2燃气轮机

无论是上述的各种内燃机还是在19世纪普遍应用的外燃蒸汽机，都是往复式活塞发动机。由于它所要带动的工具机多是轴的转动,因此必须通过曲柄连杆机构或者凸轮机构、摇臂机构等，使其转换为旋转运动，这造成了机构复杂和传动过程的能量损耗，降低了机械效率。19世纪人们开始了转动式发动机的探索，出现了燃气轮机和汽轮机。我国古代的走马灯,罗马的烟风车，都是早期的燃气涡轮的雏形。燃气轮机是一种用燃气推动涡轮直接产生旋转运动的动力装置。19世纪上半叶达姆贝尔和本森曾分别制造过简陋的定容和定压热功循环的燃气轮机，但无实用价值。直到第二次世界大战时,经过无数人的努力，才使燃气轮机进入了实用阶段。在蒸汽机取得了迅速发展之后，人们又提出了汽轮机的设想，它是与蒸汽机在运动原理上完全不同的新型蒸汽动力装置。汽轮机利用蒸汽压力直接推动涡轮叶片产生旋转运动。汽轮机的优点是可以使用低热值燃料，可连续平稳作功，能提供大的功率，且结构简单，热效率高。

(1)拉沃尔的汽轮机

1882年瑞典科学家拉沃尔发明了可以实际应用的汽轮机。这是为了适应离心奶油分离机高速旋转而制作的最早的冲击型汽轮机。

(2)帕森斯的能够应用的汽轮机

19世纪80年代中期，为适应大型发电站的动力需要，真正进行设计并制造出可供实际使用的汽轮机的，则是英国发明家帕森斯。1884年他为了驱动自己设计的高速发电机，制成了多级反作用式汽轮机。这是一种把许多叶片成排地安装在圆筒周围，再将其装入有固定叶片的壳体中的装置，它没有喷嘴，是利用蒸汽叶片之间边膨胀边通过而产生的反冲作用工作的，与拉沃尔的汽轮机在结构上不同，转速可达8000转/分，由此奠定了汽轮机发展的基础。1889年帕森斯的汽轮发电机投入实际运行。1897年他还建造了世界上第一台用汽轮机驱动的轮船达比尼亚号，船速达64公里/小时，证明了汽轮机是一种大功率并能连续驱动的新型动力装置。帕森斯在大学里学的是数学，但是他的真正兴趣却在机械方面，而数学又使他能够成功地处理与高速叶轮旋转有关的力学问题。在他之后，法国的拉忒针对多级反冲式蒸汽涡轮的头几级因气压高而漏气多，造成效率不高的缺点，研制成靠蒸汽压力直接冲击叶片使涡轮旋转的冲击式汽轮机。这两种汽轮机至今还在平行发展或二者组合起来加以应用。当年曾称雄一时的往复式蒸汽机在今天已逐渐被新的动力机淘汰了，但蒸汽动力却以汽轮机的形式继续得以发展，成为20世纪火力发电的主要动力装置。

2.3.3内燃机的应用

从17世纪末到19世纪末的大约300年间，内燃机终于从设想变成了可以实际应用的动力机。自从奥托汽油机和狄塞尔的柴油机出现之后，很快地在各个领域开始推广应用。

(1)戴勒姆的摩托车

内燃机的应用领域之一就是汽车的发明和制造。汽车制造是近代工业中的一个重要部门。戴姆勒不仅制造了重量轻、尺寸小的汽油机，而且是第一个认识到迫切需要高速车辆动力的人，为此他制造了适合装在车上的轻便发动机。1885年制成了封闭式发动机,同年，他把一台单缸汽油发动机装在自行车上，制成了第一台摩托车。1886年他又用只有1.5马力的汽油发动机驱动木制轻便游览车。这个有四个轮子的车辆采用传统马车的形式，于1887年3月4日从坎施达特驶往斯图加特。

(2)本茨的三轮汽车

(3)轮胎的发明

对于汽车的发展来说，充气轮胎的发明和应用具有重要意义。1839年英国人古德伊尔把巴西的天然橡胶与硫磺混合起来，发明橡胶的硫化法，由此在美、英等国开始兴建第一批橡胶工厂。1845年，汤姆森在爱丁堡获得带有阀门和外胎的车辆轮胎的专利权。1888年邓禄普获得了充气轮胎的专利，并首先用于自行车上，马上又用于汽车制造中。汽车应用充气轮胎又促进了橡胶工业的发展，使天然橡胶成为一种具有世界意义的原料。由于原料稀少，德国在20世纪20年代开始研究合成橡胶。随着汽车的发展，也使其他一些专业和附属工业技术得以发展，诸如电磁点火装置、起动器、车灯、喇叭和加热器的制造技术，钢铁工业技术中的薄板轧制技术、玻璃制造技术以及许多其他的配套工业技术。

（4）莱特兄弟的飞机

内燃机的发明也使人类腾云驾雾的梦想变成现实。1903年，美国莱特兄弟驾驶的由一台16匹马力的四缸汽油发动机驱动的木架双层飞机，首次试飞成功。尽管只飞行了59秒，高度3米，航程仅260米，但它却表明飞行时代的开始。

（5）福特的汽车生产线

内燃机的发明和应用，汽车生产的发展，促成了大量生产方式的确立。美国在19世纪90年代初已了解了汽车发展的状况，一些人也开始建立工场,装配汽车。福特看到了汽车对交通工具变革的巨大意义，并坚信只有大批量生产简便而结实的汽车，才能降低价格，使广大居民有能力购买它。1903年，他在底特律创立了福特汽车公司，1908年开始成批生产T型汽车。过去装配汽车的方法是全组工人围着车架工作，而零件要靠托车或载重汽车从别的车间运来，很费时间。福特改变了这种小批量生产的作业方法，他在装配约有1500个零件的汽车时，采取了流水作业，把工作分成最简单的基础单元。工人站在装配线两侧，每一个人自始至终重复某一种劳动，从而大大提高了生产效率，并使汽车价格急剧降低。美国汽车的价格1908年为2000美元，到了1913年则降为850美元，福特成功地从小批量生产转到大批量生产，使汽车从富有的象征成为大众化的消费品。这是从互换式生产以来作业方式的一次重大改革。福特的作业方式在世界各国得到普遍推广，不仅在汽车装配线上，而且在机械工厂的一切部门中都得到了普及。

2.4电能——技术革命的主角

2.4.1有线电报与电话

（1）高斯和韦伯的电磁式有线电报

1833年高斯（公元1789-1855）和韦伯（公元1804-1891），通过1.5公里长的电线在格廷根大学的物理研究所与气象台之间进行通讯联系。

（2）莫尔斯电报机和莫尔斯电码

莫尔斯是在1832年从法国返回美国的旅途中萌生了发明电报的愿望的。在轮船上，美国医生杰克逊向旅客们展示了一种叫“电磁铁”的新器件并讲述电磁铁原理。杰克逊说：“实验证明，不管电线有多长，电流都可以神速地通过。”这句话使莫尔斯产生了遐想：既然电流可以瞬息通过导线，那能不能用电流来进行远距离传递信息呢？当时的通信只是靠人传马递速度非常慢，而电的传递速度是30万公里/秒。莫尔斯为自己的想法兴奋不已，从这以后，他毅然改行投身于电学研究领域。1835年，他毅然告别了绘画艺术，专心攻读电磁学知识，一门心思地进行电报装置的研究制作。

莫尔斯前进的道路上困难重重。由于莫尔斯物理知识贫乏，要学会和掌握电磁学的知识谈何容易！回到美国后，他只得向纽约大学物理学教授盖尔请教，盖尔教授细心教他组装电池和制造电磁铁的方法，加之莫尔斯的刻苦学习，1835年底，他终于用旧材料制成第一台电报机。

莫尔斯的发报机的结构是这样的：先把凹凸不平的字母版排列起来，拼成文章，然后让字母版慢慢地触动开关，得以继续地发出信号；而收报机的结构则是，不连续的电流通过电磁铁，牵动摆尖左右摆的前端，它与铅笔连接，在移动的红带上划出波状的线条，经译码便还原成电文。莫尔斯的第一台电报机，只能在2-3米的距离内有效。这是由于收发两方距离增大，电阻相应增加而失灵。要想使电报应用到实际生活中，那就必须进一步改进。

莫尔斯又拜著名电磁学家、感应电流的发现者亨利为师，虚心求教，亨利让莫尔斯把电磁铁换成使用绝缘导线的强力电磁铁，并用继电器把每个备有电池的电路串联起来，另一条则用地线代替。

1836年，莫尔斯终于找到了一种新的方法，他在笔记本上记下了一个新的设计方案“电流只要停止片刻，就会出现火花。有火花出现可以看成是一种符号没有火花出现是另一种符号；没有火花的时间长度又是一种符号。这3种符号如果组合起来代表数字和字母，就可以通过导线来传递文字了。”

莫尔斯电报是如何传递信息的呢？在拍发电报时，电键将电路接通或断开，信息是以“点”和“划”的电码形式来传递的。发一个“点”需要0.1秒，发一“划”需要0.3秒。在这种情况下，电信号的状态只有两种：按键时有电流，不按键时无电流。有电流时称为传号，用数字“1”表示；无电流时叫空号，用数字“0”表示。一个“点”就用“1、0”来表示，一个“划”就用“1、1、1、0”来表示。莫尔斯电报将要传送的字母或数字用不同排列顺序的“点和划”来表示，这就是莫尔斯电码，也是电信史上最早的编码。经过一年的努力，终于在1837年研制成功了一台传递电码的装置，他满怀希望地把它称为“电报机”。

1838年1月，莫尔斯进行3英里收发电报的试验获得了成功。1840年4月，这项发明申请到了专利。

1844年5月24日，是世界电信史上光辉的一页。在美国国会大厅里举行了一次隆重的电报机通信实验活动。莫尔斯接通电源，向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份电报：“上帝创造了何等奇迹！”莫尔斯的电报终于成功了！

1844年5月24日成了国际公认的电报发明日。莫尔斯的电报因为使用了电报编码，具有简单、准确和经济实用的特点。很快，他的电报风靡全球。如今，莫尔斯电码已成为现代电报通信的基本传信方法。

电报的发明，拉开了电信时代的序幕，开创了人类利用电来传递信息的历史。从此，信息传递的速度大大加快了。“嘀-嗒”-响（1秒钟），电报便可以载带着人们所要传送的信息绕地球走上7圈半。这种速度是以往任何一种通信工具所望尘莫及的。

（3）格雷与贝尔的电话专利

在莫尔斯电报发明后的20多年中无数科学家试图直接用电流传递语音，贝尔也把发明电话作为自己义不容辞的责任。但由于电话是传递连续的信号而不是电报那样不连续的通断信号，在当时的难度好比登天。他曾试图用连续振动的曲线来使聋哑人看出“话”来，没有成功。但在实验中发现了一个有趣现象：每次电流通断时线圈发出类似于莫尔斯电码的“滴答”声，这引起贝尔大胆的设想：如果能用电流强度模拟出声音的变化不就可以用电流传递语音了吗？随后的两年内贝尔刻苦用功掌握了电学，再加上他扎实的语言学知识，使他如同插上了翅膀。他辞去了教授职务，一心扎入发明电话的试验中。在万事俱备只缺合作者时他偶然遇到了18岁的电气工程师沃特森。两年后，经过无数次失败后他们终于制成了两台粗糙的样机：圆筒底部的薄膜中央连接着插入硫酸的碳棒，人说话时薄膜振动改变电阻使电流变化，在接收处再利用电磁原理将电信号变回语音。但不幸的是试验失败了，两人的声音是通过公寓的天花板而不是通过机器互相传递的。

正在他们冥思苦想之时，窗外吉他的丁冬声提醒了他们：送话器和受话器的灵敏度太低了！他们连续两天两夜自制了音箱、改进了机器。然后开始实验，刚开始沃特森只从受话器里听到嘶嘶的电流声，终于他听到了贝尔清晰的声音“沃特森先生，快来呀！我需要你？1875年6月2日傍晚，当时贝尔28岁，沃特森21岁。他们趁热打铁，几经半年的改进，终于制成了世界上第一台实用的电话机。1876年3月3日（贝尔的29岁生日），贝尔的专利申请被批准，专利号为美国174465。其实，在贝尔申请电话专利的同一天几小时后，另一位杰出的发明家艾利沙·格雷也为他的电话申请专利。由于这几个小时之差，美国最高法院裁定贝尔为电话的发明者。

回到波士顿后两人继续对它进行改进，同时抓住一切时机进行宣传。两年后的1878年，贝尔在波士顿和沃特森在相距300多公里的纽约之间首次进行了长途电话实验。与34年前莫尔斯一样取得了成功。所不同的是他们举行的是科普宣传会，双方的现场听众可以互相交谈。中途出了个小小的问题：表演最后节目的黑人民歌手听到远方贝尔的声音后紧张得出不了声，急中生智的贝尔让沃特森代替，沃特森鼓足勇气的歌声使双方的听众不时传来阵阵掌声和欢笑声，试验圆满成功。

1877年，也就是贝尔发明电话后的第二年，在波士顿设的第一条电话线路开通了，这沟通了查尔期·威廉期先生的各工厂和他在萨默维尔私人住宅之间的联系。也就在这一年，有人第一次用电话给《波士顿环球报》发送了新闻消息，从此开始了公众使用电话的时代。

2.4.2电力技术的发展

（1）西门子的自激式发电机

1864年英国技师威尔德提出了用旋转电枢产生的电流为电磁铁励磁的设想，提出了自激式发电机原理。把这一原理转化为实际应用的则是科学家、发明家与商人特点于一身的维尔纳·西门子。1866年他研制成功第一台自激式发电机。它在科学史上和瓦特的蒸汽机具有同等重要的历史地位。

（2）戴维的弧光灯

直流发电机的发明，解决了电动机的电源问题，完善了电动机的设计制造技术。但电力的最初应用部署用作动力，而是用于照明。电的全部价值在于依靠分布广元的电力供应网为需要它的地方提供电能。而只有人们最普遍的需要才能建立电力网。在当时这种最为普遍的需要，就是千家万户都要应用的点灯。

用来照明的设想在19世纪初就有了。英国科学家戴维首先用伏打电堆产生电弧，开创了点照明的历史。弧光灯由于照明度强，迅速用于城市街道照明。但是家用照明还只是用煤气灯和煤油灯。

（3）爱迪生的民用照明

在弧光灯开始应用的同时，人们已经开始了白炽灯的研究。通过电流把灯丝加热，使灯丝发光，在技术原理上是可行的，然而却找不到耐用的灯丝材料。1860年英国化学家斯旺开始进行白炽灯研究，1878年终于用碳丝作灯丝制成可以实际应用的真空白炽灯，但其寿命仍然很短。有史以来最全面的发明家之一爱迪生在经过了无数次实验失败之后，用碳化棉丝作成了灯丝，更佳延长了灯丝的寿命。他还发明了电控开关、保险装置、电表等一系列电照明系统。1881年的巴黎世界电气博览会上，爱迪生把蒸汽机和发电机直接连接发电，通过开关，可同时点亮1000盏电灯，这被认为是当时的意向世界奇迹。1882年爱迪生研究所在纽约制成了当时世界上容量最大的一部发电机——“巨汉”发电机，建立了世界上第一座直流发电厂，安装了6台发电机，每台能点燃1500个15瓦灯泡，建立了第一个民用照明系统。美国的大城市，几乎所有的欧洲国家的首都，以后又有许多城市，都竞相在主要街道上安装电灯。城市用点开始由小型电厂供给，由于用电量增加，便开始建立大电厂。

（4）交流发电机

要把低电压的直流电直接变为高电压的直流电是很困难的，反之也如此，因此导致了交流电的研究，并使交流高压输电方式得以发展。发电机发出来的点本来就是交变的。皮克西和西门子分别于1832年和1850年研制了单向交流发电机；俄国雅布洛契柯夫制成多向交流发电机；意大利法拉第于1885年发明旋转磁场式电机，使交流发电机初具现代实用雏形。

（5）高压电网的建立

1883——1885年，德国的高拉德和吉布斯、美国的威斯汀豪继发明和改进变压器；1890——1891年从法国劳芬到德国法兰克福架起了世界上第一条三相交流输电线路，全场170千米，在此基础上，欧美各国相继建立起远距离交流输电线路，三相交流的发电、变电、输送、分配和使用上的安全、经济、可靠和方便性，为发展电力工业开辟了广阔的前影。

（6）无线通信

有线通信的局限性：

a.只限于定点之间的通信，无法做到移动目标之间的通信；

b.金属导线消耗的金属量巨大。铺设一公里电缆需要半吨铜，2吨铅；敷设海底电缆工程浩大，更需巨额投资；

c.一般来说有线通信有可靠性高、保密性好的特点，但是自然和人为的原因也常造成线路故障。

这些局限性促使人们来思考是否可以不用导线来传输信息。

麦克斯韦关于电磁波的预言和赫兹（1857-1894）的证实（1888），为无线通信作了理论和实践上的准备。但是赫兹没有预见到无线电通讯的现实可能性。赫兹的实验鼓舞了其他科学家，他们尝试各种办法来通过无线电波传输信号。1890年法国人布兰利发现：封在玻璃管内的金属粉末（铜、铁、铝或镍粉），对一般直流电有很高电阻，因而不导电；但当电磁波通过这些金属粉末时，它们会凝集在一起，电导率大大增加，从绝缘体变为导体。根据这一现象他制成了他称之为“无线电导体”的接收机。1894年利物浦大学教授洛奇改进了布兰利的“无线电导体”，并改称为粉末验波器，提高了它的灵敏度；还在相隔180英尺（约54米）的地方成功地接收到了电磁波。作为教授的洛奇没有意识到他的工作的实用价值，也没有申请专利。

最后是意大利发明家马可尼（1874-1937）把一种无线电报投入到实用阶段。马可尼（Guglielmo Marconi 1874-1937）家道殷实，没有进过大学，但是把意大利最知名的学者请到了家里来指导他学习物理学。1894年夏天，马可尼在阿尔卑斯山度假时读到一则年初去世的赫兹的工作报道，受到启发。1894年12月第一次获得成功的实验把信号传送至30英尺（9.15米）远。到1896年2月他能把信号传送到1.75英里（2.82公里）远。他向意大利政府请求资助而未获准，于是带着发报机和收报机来到英国，1896年6月2日，马可尼向英国政府提出了电报专利申请，并获准。1897年马可尼的收发报距离已经达到10英里同年，以马可尼为主要股东组建了“无线电报和信号”公司。1899年在美国成立子公司，1900年更名为“马可尼无线电报公司”。无线电报使海上航行的安全得到保障。1898年刚装了无线电发射机没有多少日子的一艘灯塔船被撞翻，呼救信号发出后，及时赶来的就生船救起了船员。1899年马可尼实现了横跨英吉利海峡的无线电通信。1901年12月12日马可尼引人注目地完成了横渡大西洋的无线电通讯。虽然当时只用莫尔斯电码发送和接收了一个英文字母“S”，但这一试验的成功标志着无线电报开始进入远距离通信的实用阶段。马可尼和另一位电报技术和阴极射线示波管发明者德国人布劳恩共同分享了1909年的诺贝尔物理学奖。

（一）科学与技术、工业生产紧密结合是第二次工业革命生最突出的特点

第一次工业革命中的许多发明成果都是这些能工巧匠的实践经验的结晶。如，飞梭的发明者凯伊是机械师，水利纺纱机是木匠海斯发明的；珍妮纺纱机的发明者哈格里斯夫原是织工；同样也是织工的克伦普顿也发明了骡机；就连第一次工业革命中最重要的技术成就蒸汽机，也是当过钟表匠和大学仪器修理工的瓦特发明的；还有发明轮船的宝石工人冒尔顿，发明了焦炭炼钢法的工厂主达比父子等等。由此可见第一次工业革命中能工巧匠扮演了重要的角色。他们成为新技术的带头人，他们的革新主要依靠多年来的实践经验，但是对于科学理论的研究并没有多少，科学与技术还没有真正的结合起来。然而在第二次工业革命当中，几乎所有的工业部门都受到科学发明的影响。没有物理学、生物学、热学、化学等方面理论的发现，第二次工业革命是不会有如此巨大的成就的。

科学理论的发展推动了技术的发展，技术的发展又推动了生产的发展，因此这一时期它们之间的作用顺序是科学、技术、生产依次推进发展的关系。第二次工业革命的多数发明与技术进步已经不是主要依靠能工巧匠的实践经验了，而是建立在科学理论的基础之上的。科学与技术的很好的结合，也导致了技术成果应用到生产实践的时间也大大的减短。例如，由于电的广泛应用中，从1831年法拉第发现电磁感应先想到19世纪80年代一系列电学应用技术的出现，科学技术成果应用于生产的时间比第一次工业革命、缩短了一半。

在第二次工业革命中对科学理论研究的重视程度也大大的提升。以美国为例，从19世纪60、70年代起，先后建立了农业局、科学院等研究机构。1872年爱迪生建立的第一个工业试验室。到了1913年美国著名的工业试验室已经发展到了65个，并且还从大学吸收了近万名科学家和工程师专门从事科研工作。

（二）多个资本主义国家同步进行，相互促进，而且有的是交叉进行，因此发展更迅速，扩张范围更广

与第一次工业革命主要以英国为中心不同的是第二次工业革命是在多个先进的资本主义国家几乎同时进行的。英国人、美国人、德国人、法国人、等都在不同的领域有着发明和创造。英国人贝塞麦、托马斯等发明的炼钢技术曾经引领欧洲多时。但在内燃机、发电机、电动机、汽车、的制造和改进当中，德国人的功劳是最大的。美国人发明了他们引以自豪的电灯、电话、T型汽车、电影、收音机等。法国人也发明了人造纤维、橡胶轮胎等。这些只是各个国家最具代表性的技术成果，其实还有很多的发明和技术的进步是无法一一列举清楚的。

很明显，这与第一次工业革命中英国几乎垄断了所有的重要的新机器发明和新生产方法的出现不同，各个主要资本主义国家在不同的领域都有自己的贡献。而且它们相互促进，在一方获得重大的突破性的成果后，很快被其他的国家所吸收。各国也争取自己能够获得某一方面的领先技术，这样各方你追我赶，加快了技术的改进与更新。特别是英、美、德、法四国，到1900年四国的工业产量已占全世界工业产值的72%。

19世纪70年代二次工业革命开始时，除英国、美国北部和法国已经完成和接近完成第一次工业革命之外，世界上的其他国家，或正处于第一次工业革命的高潮期，如美国的南部、德国、和俄国；或刚刚起步，如亚洲的日本、中国、印度等国。世界上大多数的国家在还没有实现第一次工业革命的情况之下，第二次工业革命已经开始了。对于这些国家来说不管是哪次工业革命中的出现的先进技术成果，都是十分渴求的 ，都会对他们的经济发展带来巨大的好处。

这样大多数的国家可以根据自己的情况和财力选择购买这些先进的技术和产品，同时吸收两次工业革命的成果。 因此，发展显得更加迅速。有些国家还呈现出了跳跃式的发展，直接从第一次工业革命的生产力水平过渡到第二次工业革命的水平。这方面的代表是德国和日本。刚刚独立的德国正好赶上了两次工业革命，充分的吸收了两次工业革命的成果，到19世纪末一跃成为欧洲最具实力的列强之一。亚洲的日本在明治维新的推动下，学习并掌握了两次工业的革命的先进的成果，克服了国土面积狭小、资源短缺的特点，一跃成为亚洲的霸主，并在20世纪初击败了不可一世的沙俄帝国。

此外，第二次工业革命不但在欧洲这个中心出现了遍地开花的局面，不再是英国的一枝独秀，而且在北美也形成了一个中心，这样地域上的分布也为第二次工业革命的广泛传播创造了条件。再加上第二次工业革命本身的先进的交通工具的诞生与通讯技术的兴起，大大促进了信息的流通，其他先进的技术也很快的传遍了世界各地，加速了第二次工业革命的扩展。

（三）第二次工业革命主要集中发生在重工业领域