4.2 柯兰的感应线圈

在静电时代，摩擦起电机和莱顿瓶为人们制造高压创造了很多便利，1800年后化学电源被广泛使用，人们又可以方便地得到比较稳定的电流。但是，如果使用化学电源产生高压，则价格极其昂贵，因为化学电源每个单元的电压只有1V多，戴维为了产生高压曾经使用过2500个单元串联起来，从而发明了电弧灯。

1831年，法拉第和亨利各自独立发现了电磁感应现象，他们试验中使用的线圈可以说是最早的感应线圈。

而在1836—1838年，仅仅两年的时间，一种利用化学电源来产生高压的组件——感应线圈（induction coil），就发展得相当成熟了。最简单的感应线圈就是在一根铁棒上缠了两个绝缘绕组：一组绕组圈数少，通过初级电流；另一绕组圈数多，通过感应电流。当初级电路突然接通或断开时，在次级绕组里，激发了一个短促的高压电流（见图4-6）。

图4-6 感应线圈的原理。

1836年，英国牧师、科学家、发明家柯兰（Nicholas Joseph Callan，1799—1864，见图4-7）设计出一个具有这种基本形式的感应线圈。柯兰是一位由牧师改行的物理教师，是斯特金（William Sturgeon，1783—1850）的朋友。柯兰当时在英国都柏林（Dublin）附近基力德郡（County Kildare）的美劳斯学院（Maynooth College）执教。他为了研究法拉第所描述的次级电流感应，制作了一个线圈——在一个U形铁棒上，缠绕了50ft（15.24m）长的粗铜线和1300ft（396.24m）长的细铁丝。电源是一只小电池。为了周期地切断初级电流，柯兰采用一种以手摇曲柄操作的断续器。1837年初，一篇记述柯兰试验的文章发表在一份在伦敦由斯特金创刊主编的《电学年鉴》（The Annals of Electricity）上。几个月后，柯兰在同一刊物中宣称，他已制成了“空前最强力的电磁铁”。他的新感应线圈用一根粗2in（50.8mm）、长13ft（3.96m）的铁棒，弯成U形，缠绕的两组绝缘线圈，比他的第一个线圈约长10倍。当柯兰通过断续器急速切断初级电路时，所引发的大电流，足以在连接次级绕组两端的碳棒间产生微弱的电弧光。他让自己感受电振，借此估计感应电流的强度。据说他曾用强烈的次级电流电死过家禽。同一年，柯兰又制作了一个比第二个线圈的输入电流还大20倍的巨大的感应线圈，这个线圈总共使用了150000ft（45.72km）导线，大约可以产生600000V的高压，产生长达15in（381mm）的火花放电（见图4-8）。

图4-7 柯兰，英国牧师、科学家和发明家。

图4-8

（a）1837年柯兰制作的大感应线圈；（b）控制感应线圈的断续器。

《电学年鉴》的发行人斯特金是位电学实验家，他曾经在1825年设计出第一个软铁芯的电磁铁。斯特金是位自学成才并具有发明才智的人，他改进了柯兰的设计，制成两个双线螺旋形式的绕组，缠在木线轴上。他也采用数种新式的初级电路断续器，以手摇曲柄操作。其中的一种用一根可移动的电线伸进一杯水银中，另一种用一面有刻痕的圆盘配上一根跨接线，以便更快速地切断初级电路。

在试验线圈时，斯特金发现，把一根整块铁制成的芯，插入线轴时，能感受较强的电振。他接着又发现，当初级电路以高速率切断时，用细铁丝构成的芯，要比整块铁的芯更佳。大约在同一时间，他在伦敦工艺学院的一位同事巴哈豪芬（George Henry Bachhoffner，1810—1879）也发现制作线圈的芯，铁丝优于整块铁的事实（因为涡流小多了）。

有一项重大的改革，据说斯特金曾在曼彻斯特机械学院（Manchester Mechanics' Institute）的初级演讲中示范过，并曾于1837年10月在他的杂志上提到过，虽然史料的记载并不清楚，但功劳似乎得记在他的头上。这项改革是把初级线圈和次级线圈缠在不同的线轴上，这样一来，将初级线圈轻轻推进次级线圈，就能在相当大的范围内平稳地变动次级电压。这种感应线圈后来被称为双电路空心调谐电感，或疏耦器（loose couplers），广泛用在1920年以前的无线电接收机上。

人们不论是为了实验室做试验，或为了假想的医疗用途，都很快把感应线圈当作获得高电压的便利方法（自从1745年莱顿瓶问世以来，就不断有人研究电振对人体的效应）。在感应线圈问世以前，获得高压的方式仅有两种：一种是串联大量的化学电池；另一种就是转动摩擦起动机的曲柄，使导电的毛皮垫子摩擦旋转的玻璃圆筒或板的表面。［21］