一位有趣的科技界传奇往事：查尔斯·普罗透斯·斯坦梅茨（第一部分）

Posted 2022-12-30 卓晴

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了一位有趣的科技界传奇往事：查尔斯·普罗透斯·斯坦梅茨（第一部分）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

01 斯坦梅茨

一、前言

这里所介绍的科技奇才是美国思科耐克塌地的传奇人物，一般人对其不甚了解。教科书上也很少提起此人，如果你深入了解他，就会被其传奇人生深深吸引。他有用大量的科学技术方面的贡献，其中包括磁滞现象、交流电相位概念、在美国推广三相电、交流高压研究、实现首次人工闪电等等。他被人们称为杰出的天才，电气时代的超人。关于他的生平事迹让我们听听 Kathy 老师娓娓道来。

▲ 图1.1.1 查尔斯·普罗透斯·斯坦梅茨的报纸报到

二、早期教育

查尔斯·普罗透斯·斯坦梅茨1865年4月出生在德国布雷斯劳的卡尔·奥古斯特·斯坦梅茨，现在位于波兰西部的弗罗茨瓦夫。父亲名字也是卡尔，是一个贫穷的石匠，母亲名叫卡洛琳。他的父亲和祖父都患有先天软骨发育不全症，俗称驼背，罗锅。脊柱弯曲会造成身高矮小，通常为侏儒症。随着年龄的增加对健康的影响会越来越大。斯坦梅茨长大后，坐着和站立都非常困难，因此他大部分留下的照片都是身体靠在桌子上。

▲ 图1.1.2 斯坦梅茨14个月打的时候与父亲的合照

更不幸的是，当斯坦梅茨一岁的时候，他的母亲因患霍乱去世。基本上是由她的奶奶和姑妈带大。六岁时姑妈出嫁，奶奶也去世了。后面由他同父异母18岁姐姐照料。上学后一开始并不顺利，直到10岁的时候他突然开窍了。首先对学习语言非常热爱，包括拉丁语、法语、希腊语、波兰语以及希伯来语，他全喜欢。当斯坦梅茨学习代数和几何的时候，数学又成为他的最爱。长大后，他是一位数学奇才，可以记住对数表中超过1000条7位小数的数值。

▲ .斯坦梅茨斜靠在桌子上

当他高中毕业时，他知道所有毕业生需要参加毕业考试，家里省吃俭用给他购买了一套用于考试的制服。然而在考试前一天他被通知进行毕业典礼上的致辞学生，不用参加考试了。一年后他回忆道，唯一一套购买的正式服装，他却从来没有穿过。

三、大学生活

进入大学后斯坦梅茨学了很多专业，特别专注于数学。他喜欢大学生活，参加了很多社团。同学们喜欢他的聪明才智、酒量大、爱讲硬梗笑话。在数学俱乐部中，人们给他起了个外号，叫普罗透斯，这是希腊一位天神，了解世间万物，经常下凡伪装成畸形人。斯坦梅茨喜欢这个绰号，令人过耳不忘，后面也将他作为自己的名字。

▲ 图1.3.1 大学期间的斯坦梅茨

1884年他19岁当他参加学校中社会主义小圈子的时候碰到点麻烦，他们遵循费迪南·拉萨尔的学说，是卡尔·马克思的对手。这很危险，因为学习拉萨尔学术当时在德国是违法的。在1887年3月，社会主义小组的头头，海因里奇·勒克斯碰到了麻烦，被捕入狱了。斯坦梅茨低调行事，自己来发行社会主义思想宣传报纸。为了和狱中勒克斯以及其他朋友通信，他使用隐形墨水写信。

该发生的事情终于来了，到了1888年五月份，他告诉他父亲说去看一位朋友，结果他偷偷地跑到了瑞士。回来回忆那次与父亲的告别过程，仅仅简单说了句再见没有正式的告别。父亲认为我几天后就会回来，最多一个礼拜。但我知道这一别也许永远回不来了。我并没有将此事告诉他。

▲ 图1.3.2 斯坦梅茨和他的父亲

来到瑞士斯坦梅茨意识到他不可能成为数学家。作为一个社会主义分子不愿在政府部门谋职，但除了政府部门之外，作为一位数学家是无法养活自己的。因此斯坦梅茨纠结于究竟该做什么。开始考虑化学专业，后来改变主意又去了理工学院，后来获得了机械工程学位，专门面向电气设备。很多知识是自己通过阅读发行杂志获得的。

四、变压器

1888年斯坦梅茨发表了一篇关于变压器工作数学原理的文章。变压器用于改变交流电压仅仅是几年的事情，也仅仅是因为交流电开始流行起来。从1885年城市街灯开始用交流电，西屋电器公司也从1886年开始利用变压器变换交流电取点亮白炽灯。

▲ 图1.1.3 变压器工作原理

然而一开始物理学家和工程师对于变压器感到困惑。比如西屋电器雇员威廉·斯坦利在1887年12月份做了一场变压器物理原理的讲座。一位美国电气工程师，乔治·普莱斯考特对此总结到，大家都清楚交流电并不按照欧姆定律来工作，至于遵循什么规律没人知道。这篇斯坦梅茨的论文现在找不到了，这个工作早于他关于磁滞现象的研究，也许论文已经消失了。

▲ 图1.4.2 关于交流电的相关论文

五、前往美国

在苏黎世，斯坦梅茨与丹麦工程师，奥斯卡·阿木苏森成为挚友，阿木苏森是由他美国有钱的叔叔送到欧洲接受教育。他俩很快成为室友。在1889年4月之前一切都还顺利，但当阿木苏森给他叔叔写了一封信，说自己想和一位瑞士女孩结婚。他叔叔震怒，说资助他到瑞士是来学习的，而不是瞎搞胡搞的。于是将他的资助断掉并让他立即回国。阿木苏森对此心灰意冷，只好计划回到美国。斯坦梅茨告诉他回去到美国找他，当他攒够盘缠就行动。

▲ 图1.4.3 斯坦梅茨和他的朋友阿木苏森

一天晚上，阿木苏森告诉斯坦梅茨不要担心钱的问题，说他有足够的费用可以够他们两人买廉价票回到美国。斯坦梅茨同意了。于是他们喝了一夜的大酒庆祝他们新的决定。第二天上午10点钟，斯坦梅茨因为前一天晚上聚会还在睡梦中，此时来了一位德国电气出版社的编辑找他，因为他读了斯坦梅茨关于变压器的文章想找他聊聊。当他告诉编辑他准备取美国发展，编辑于是给了他一封介绍信。写给一位德国政治避难移民，名叫鲁道夫·艾克梅叶，他在美国开了一家公司。第二天两个年轻人打理行装乘坐一堂法国取美国汽轮前往纽约。在八天的行程中，斯坦梅茨尽他一切能力学习英语，说实在的并没有学到多少。

▲ 图1.1.4 来到纽约港口

加一句，当他们通过移民局时，斯坦梅茨得了重感冒，面目浮肿。当移民官员询问他时，蹩脚的英语加上贫穷憔悴的面容让他们拒绝他入境。幸运的是阿木苏森向他们表示这位其貌不扬斯坦梅茨是一位天才，他的存在日后会造福全部美国人的。并假装声称他个人的财产由他们两人使用，也许又暗地使了些银两，最终海关官员不情愿同意他进入美国。从此斯坦梅茨将他的名字从卡尔改成了查尔斯，中间的名字使用大学绰号普罗透斯。

六、艾克梅叶公司

阿木苏森在纽约有亲戚，所以他们先在当地安顿下来。阿木苏森在一家电冰箱公司找到了工作。在1889年六月，尝试了在爱迪生公司求职失败之后，斯坦梅茨携带那封介绍信去找鲁道夫·艾克梅叶。艾克梅叶经营一家公司，叫做艾克梅叶与奥斯特海尔德公司，公司位于杨克斯，主要产品是帽子机械。

▲ 图1.1.5 斯坦梅茨与艾克梅叶

第一次见面斯坦梅茨与艾克梅叶就一拍即合。斯坦梅茨获得制图员的工作，每个月12美元。这里需要说一下，虽然前面斯坦梅茨发表了一篇关于变压器的数学论文，他实际上在来美国之前从来没有机会实际动手操作过这些电气设备。他说道：自己在来到杨克斯之前还没有亲眼见过变压器。幸运的是在斯坦梅茨在公司里仿佛上了一堂最牛叉的课程，学习到了最新电气技术的课程。

艾克梅叶是一位非凡的发明家，不仅申请了制帽机械很多专利，在1880左右制帽行业非常赚钱，那时的人们外出几乎人顶一个帽子。同样他还申请了很多发电机和电动机的专利。最著名的是在1887年最初的发电机的专利，其中设计了新型绕组用于直流发电机，转子上电枢绕组使用机器绕制，替代手工加速了绕制速度。

▲ 图1.6.2 艾克梅叶的电机专利

另外对于励磁绕组，即对转子励磁的线圈，绕制在铁板上，替代原来铁靴上的小的绕组，被称为铁质铠装设计。艾克梅叶的绕组方法非常流行，这样既可以绕制紧凑也节省大量铸铁，比起传统绕制方法电机更轻。很快斯坦梅茨成为新兴的电气工程设计中中的佼佼者。

在1888年2月份，前爱迪生公司雇员，名叫弗兰克·斯普拉格利用他发展的常速直流电机以及重生制动技术在弗吉尼亚里士满建立大型有轨电车系统。这又掀起一大波对电机制作的兴趣。由于当时只有富裕家庭能够承担室内照明的费用，但所有人都需要乘坐公交车。由于斯普拉格电机磨损严重，刹车过程发出的巨响远在两英里之外都能够听得到。因此有一大帮公司开始对电机进行改造，艾克梅叶与一位名叫史蒂芬·菲尔德一起研发更加安静更加可靠的电机，用于电轨交通上。不过他们的发明最终被奥迪斯电梯公司用于电梯驱动上。

▲ 图1.6.3 电梯上的电机

在1890年艾克梅叶开始对交流电机感兴趣，也许是因为艾克梅叶听说在1888年西屋电器支付给尼古拉·特斯拉一大笔钱购买他的两相发电机与电动机专利。到了1890年4月份人们听说这种电机并不像想象的那样好用，特别是在电轨交通上。一位斯普拉格公司的商业间谍写到，西屋电器公司有一套交流实验设备，但实验不成功。威斯汀豪斯与发明交流电机的特斯拉大吵一架。

这个消息跑道了爱迪生的耳朵里，并被记录下来。根据记录内容可以知道艾克梅叶也知道了特斯拉的交流电机并没有定型，但西屋电器公司还是非常感兴趣投资可以工作的交流电机。也许是他听到这个消息的原因，或许不是，但不管怎样艾克梅叶开始在1890年研究交流电机了。从此斯坦梅茨就成为了艾克梅叶左膀右臂。在给父亲的信中斯坦梅茨激动的说，交流电机的发明来自于他与一位老同志的合作。他认为是用在街道轨道交通上效果应该超过特斯拉的交流电机。

他们的设计中使用电池给电机产生稳定的磁场。然后利用一个交流电磁铁和一个旋转的直流电磁铁完成动力输出。它在33Hz下工作正常，高频下效率下降。特别是在室内所使用的120Hz，133Hz的交流电下更不行了。

▲ 图1.6.4 艾克梅叶的电机结构

七、美国生活

此时斯坦梅茨与他的好友奥斯卡·阿木苏森在黑人社区租住的状况变得日益不堪。一窝耗在在他们不用的烤箱里安家落户了。很快就不受控制了，但斯坦梅茨不愿意伤害这些小邻居。惹不起躲得起，他们决定搬家将这个麻烦留给下一租客来处理。

他们攒够了钱，为了与他的叔叔赌气，写信给瑞士女朋友前来美国结婚。于是斯坦梅茨搬到另外一个距离杨克斯近的朋友那里居住。在之后的日子里，仍然与阿木苏森保持好友关系。

对于美国生活非常满意，斯坦梅茨给父亲的信中写道，他很高兴离开了德国狭小的生存环境。来到这个过渡，与一群很有理性的人一起过着有想法有奔头的生活。然而斯坦梅茨还是想成为一名数学家，他回忆道，渐渐地我与纯数学渐行渐远，对此我非常后悔。工程占据了我的所有时间。

▲ 图1.7.1 对于数学日行渐远

八、磁回滞现象

大体是这个时间，斯坦梅茨读到了一些关于磁滞现象的文章。对于斯坦梅茨来说，他可以说明为什么交流电所遵循的规律与欧姆定律不同，变压器更是看起来与欧姆定理格格不入。回到1861年，飞利浦·雷阿尔发明了电话原型机，四年之后一名英国移民美国的科学家，名叫大卫·休斯对此做了巨大的改进，特别是对话筒。但休斯没有对此申请专利，只是将其用于物理研究。

在1879年，休斯注意到，在一次对话筒实验中，他听到了广袤海洋的声音，对麦克的巨大灵敏性非常高兴，这样能够减少感应电流。这就激发他制作完全感应天平，这样就可以让我们对于来自任何金属或者导体上所产生的扰动力进行直接对比测量。

▲ 图1.8.1 大卫·爱德华·休息的麦克风

休斯的工作激发了苏格兰工程师及教授，阿尔弗雷德·尤因，利用休斯表对磁现象进行详细的研究。通过研究尤因发现在电磁线圈中的金属需要延迟一小段时间达到最大磁场，同样在掉电之后，也需要同样一小段时间磁场才会消失。对于这个现象他称为磁滞现象。这个英文单词来自于希腊语，落后的意思。现在斯坦梅茨认识到这个可以从物理上解释变压器工作原理，同样也可以解释变压器工作效率，从而可以制作更高效的变压器。

1890年斯坦梅茨写了关于因磁滞造成变压器功率损失的方程。1892年一月份，斯坦梅茨确定了变压器效率是由磁回滞造成的，所以与频率也有关系。另外，斯坦梅茨发现铁芯中的涡流也会随着频率的增加而加强，这就是为什么在同样的电压下，交流电会产生比直流电更多的损耗，这也可以回答人们实验中发现的现象，交流电的频率高所带来的的损耗就越大。

▲ 图1.8.2 斯坦梅茨关于磁回滞现象论文

在1892年斯坦梅茨的讲座非常受欢迎。电气工程师杂志撰文写到，他们看了很多的文章，那些学院提交的论文无论是吸引眼球还是实际用途都赶不上斯坦梅茨上个礼拜关于磁滞现象的报告。

作为斯坦梅茨传记作家写到，他的关于磁滞现象的展示具有工程理论中的非常重要的特质。他处于物理理论和设计专门规则中间。斯坦梅茨的公式获得数值与回滞曲线面积积分方法对比，精度不高。但比起电气机械中的工程经验公式来讲，精度更高。如今工程应用中斯坦梅茨的方法依然在被使用。

▲ 图1.8.3 斯坦梅茨的磁滞研究

九、通用电气

在1892年4月15日，JP·摩根策划了一场商议政变，将爱迪生的公司与其他公司合并，开除爱迪生，去除公司名称爱迪生通用电子公司中的爱迪生名字，仅仅保留通用通用电气，即GE名称。摩根开始大肆收购他所能够购买到的电气公司。

在1892年12月，艾克梅叶将其专利卖给了GE，作为艾克梅叶公司的雇员斯坦梅茨也称为了GE的员工。斯坦梅茨也归顺与GE这个庞然大物。他在给德国旧友勒克斯写信说到：这里的情形是这样的，这里只有两个巨型公司，通用电气和西屋电气，只有这两家公司可以使用发明技术。斯坦梅茨说他更希望到西屋电气工作，但并未实施他的想法。可能的原因是西屋电气与GE的合并也仅仅是时间上早晚的问题。

▲ 图1.9.1 只有两个电气公司西屋电气和通用电气

GE与斯坦梅茨的合作非常愉快。爱德温·莱斯，技术总监，最终当上了GE的董事会主席，回来回忆道，斯坦梅茨将交流设备相关的神秘和费解的部分都进行了澄清，很快就教会了我们的工程师来设计这种交流设备，与那些在设计直流设备同样方便可靠。所有的GE人员都对斯坦梅茨对于公司的巨大价值达成共识，因此也不对斯坦梅茨有更多的约束。

▲ 图1.9.2 斯坦梅茨对于交流电的简化

在给勒克斯的信中斯坦梅茨写到，我有无限的权力从事自己希望的工作，来去自由。只在有了新的想法时我会告诉公司的人，让他们申请相应的专利。这种工作方式公司每年支付他3000美元。相当于现在95000美元每年的工资。这一点也是GE公司发展交流电气的一段令人激动的时期。

十、三相电

仅仅一年之前1891年夏天，俄罗斯-波兰人，米哈伊尔·多力夫·多布罗沃利斯基，制作了三相交流发电和三线制传输系统。只使用了两相电或者单相电50%的电线材料将瀑布发出的电能传输了惊人的175公里的距离。正是这个工程，西屋电气也确信需要将交流电的频率从133赫兹降低到60赫兹，也重新投资面向工业用途的特斯类两相电机，也被称为四分之一相位电机。工程师本杰明·拉米试图在1892年初的时候完成此项任务。

▲ 图1.10.1 米哈伊尔·多力夫·多布罗沃利斯基的三相电系统

起先斯坦梅茨对于三相电并不感冒，更喜欢特斯拉的两相电，他在文章中写到，我没有看到三相电有什么新的思想，为什么需要引入三相电来替代四分之一相位系统。但其他人都对三相电感到震惊。

在加利福尼亚雷德兰的咨询工作的工程师，也是勒德兰电气公司员工，阿尔玛丽安·德克尔希望建造距离10英里之外的发电厂，他在工程合同里需要三相电。但西屋电气此时只能提供两相电，所以丢点了工程合同。GE对此持开放态度，让斯坦梅茨负责三项电工程，在1893年中期，GE成为美国第一家可以建设三相电传输系统的公司。

▲ 图1.10.2 早期电力系统形式

在1894年1月份的文章，是GE交流传输部门首席工程师路易斯·贝尔博士写的，现在有五个电力系统在运行。一个是西屋电气的两相电系统，由其前雇员威廉·斯坦利负载建造。四个是三相电系统，由GE公司斯坦梅茨负责建造。对此斯坦梅茨非常自豪，他的100马力三相电系统非常流行，好几个系统都建好了并运行良好。

有一点需要注意到，在1893年五月份尼亚加拉瀑布水电站也在论证是采用两相电还是三相电传输电力。斯坦梅茨为GE的三相电进行了争取，但最终西屋电气赢得了合同，建立了两项电系统在1895年8月26日并网发电。

▲ 图1.10.3 尼亚加拉瀑布水电站

十一、矢量分析方法

在进行交流电系统研制过程中，斯坦梅茨认识到大部分与其合作的同事都缺乏相应的数学能力，所以常常跟不上他的想法。为此在1893年8月斯坦梅茨简化了学习交流电数学形式，斯坦梅茨将之前使用比较困难三角函数进行简化，改成新的数学形式。把正弦波函数简化成几何形式，使用了复数矢量的实部和虚部对应正弦波的幅度和相位。幅度等于实部和虚部的平方和的开方，相位等于虚部与实部比值的反正切函数。斯坦梅茨将这种方式称为几何表示方法，我们现在称其为矢量法，也是现代电气工程的重要分析工具。

▲ 图1.11.1 交流电的复矢量表示方法

下面是一个令人愉悦的短视频，来自于斯科耐克塔迪联合大学，能够展示出斯坦梅茨的方法简便性。

矢量分析法现如今对电力工业工程师来说非常有用，成为首选的方法。使用微分方程则需要很多的步骤才能够求出最终的解，许多许多步骤。使用矢量分析则非常容易。可以看出不使用矢量分析需要花费的时间多得多。

▲ 图1.11.2 短视频对比矢量法和微分方程方法

矢量分析方法在电力传输工业中立即起到很大作用。

十二、三相-两相转换

在1894年年初，西屋电气员工，路易斯·史迪威对另外一位员工，查尔斯·斯科特讲到，他们的两项-四线系统比GE的三相-三线系统需要多出10000美元才能够建成一个可以在10英里范围内的电力传输系统。史迪威只是想是否他们也应该试试三相电方式，但斯科特告诉他西屋电气只有两相电机，制作三相电机非常复杂，他们没有相应的工业产生线来生产三相电机，也没有技术人员懂得如何建设这样的生产装置。

▲ 图1.12.1 三相两相转换

对此斯科特有了深入的想法，就是使用三相电替代两相电进行电力传输，他坐下来画了一个三角形，表示交流电向量，就像斯坦梅茨的方法里一样，因此他发明了一种将三相电转换成两相电，或者反过来的转换变压器。斯科特说，每当出现了新的商业需求，对应的工程问题的求解中使用简单向量分析是一个关键。

斯科特的这种T型变压器带来了巨大的影响，西屋电气拥有了两相与三相电混合系统。例如如他们希望将尼亚加拉瀑布水电站电力传输系统扩展到布法罗水电站，1896年西屋电气使用了斯科特的T型变压器将两相电转换成三相电从而节省了电力传输费用。再使用另外一个斯科特变压器将三相电在转换成两相电，适应他们的两相特斯拉电机以及照明系统。