特斯拉于1875年秋到達格拉茨，開始了在約阿內(nèi)理工學校的學習。約阿內(nèi)成立于1811年，當時是作為約翰大公送給施蒂利亞（奧地利的一個省）的公爵們的禮物，并于1864年成為一間理工院校。與在維也納、布拉格和布爾諾的院校一道，約阿內(nèi)是奧匈帝國提供工程學位的四間學校之一。

盡管學校提供學習土木工程的課程，特斯拉最初還是報讀了數(shù)學和物理學，目的是將來做教授。這樣做，他就能追隨約瑟夫叔叔的腳步，因此特斯拉選擇數(shù)學和物理學的原因也許是為了取悅父親。盡管很想支持這個剩下的兒子，米盧廷可能還是覺得很難想象特斯拉當工程師能干些什么，然而做數(shù)學教授或教師看起來可能更像一個靠譜的職業(yè)。

電學入門

在約阿內(nèi)，特斯拉很擅長數(shù)學，然而他最喜歡的課程是雅各布·波西爾（Jacob P?schl）教授講授的物理學。特斯拉回憶說：“波西爾教授很特別；說到他，據(jù)說他同樣的外套穿了二十年。然而，他授課時的完美闡述足以彌補他在個人魅力方面的欠缺。我從未見過他用錯一個詞或一個手勢，并且他總能如同鐘表般精密地完成他的論證和實驗?！?sup>

在波西爾的課堂上，特斯拉獲得了一套進入電學之門的系統(tǒng)化方法。假設波西爾也像其他典型的19世紀電學講師那樣，那么他就多半會提供一個電學的歷史概覽，從古希臘人講起，并逐步進展到直流發(fā)電機和電氣照明的最新發(fā)展。為了能了解特斯拉后來在電方面的發(fā)明，讓我們按照波西爾在1876年左右為特斯拉所傳授的那樣，回顧一下電學入門的重要主題。

雖然早在古希臘時期，人們就知道琥珀摩擦絲綢能產(chǎn)生靜電，然而我們對電的現(xiàn)代理解始于17世紀后半葉和18世紀。一些研究者如亨利·卡文迪什和本杰明·富蘭克林系統(tǒng)化地研究了靜電。這些自然哲學家的研究集中在怎樣讓不同的物體帶電，以及其所發(fā)出的火花問題。19世紀初，電氣科學迅猛發(fā)展，從對靜電荷的研究擴展到對當時被稱為動電（或電荷如何流經(jīng)導體）的研究。在路易吉·加爾瓦尼工作的基礎上，亞歷山德羅·伏打于1800年證明了把兩種金屬隔以在酸中浸泡過的紙交替放置就能產(chǎn)生電荷流動。伏打用金屬與浸過酸的紙所做的疊層，被稱為電堆，是世界上第一個電池。當化學家和哲學家們還在熱烈爭論是什么導致伏打電堆中產(chǎn)生電的時候，其他科學家已經(jīng)在用它進行新的實驗了。

在這些科學家當中有漢斯·克里斯蒂安·奧斯特，他在1820年發(fā)現(xiàn)了電與磁之間的關系。奧斯特把一根導線接到伏打電堆，然后在導線下放了一個磁羅盤。讓奧斯特驚奇的是，當他把導線與電堆連接或斷開的瞬間，羅盤的指針會發(fā)生偏轉。安德烈-馬里·安培重復了奧斯特的實驗，并且確定了是電荷流動（即電流）在與指針的磁力相互作用并使之運動。但電流、磁力與運動之間的確切關系是什么呢？

1831年，邁克爾·法拉第回答了這個問題。通過采用一個環(huán)形導線線圈和一個條形磁鐵，法拉第證明了電磁感應定律。法拉第發(fā)現(xiàn)，如果把磁鐵在環(huán)形線圈中移進移出，就能在線圈中感應或產(chǎn)生電流。反之，如果讓電流通過線圈，磁鐵也會相應地運動（圖2.1）。然而，不管是為達到產(chǎn)生電流還是產(chǎn)生運動的效果，都需要把線圈與條形磁鐵配置成互相垂直。事實上，感應出的電流方向是在與線圈和磁鐵都垂直的第三個方向上。今天的工程師稱之為右手定則（圖2.2）。

圖 2.1　法拉第電磁感應原理

^{通過把條形磁鐵在線圈中移進移出，法拉第就能感應產(chǎn)生使電流計指針來回搖擺的電流。}

^{圖片來源：Hawkins Electrical Guide (New York：Theo．Audel， 1917)， 1：131， fig.130.}

圖 2.2　右手定則圖解

^{電氣工程師用這個規(guī)則來記住導體通過磁場時如何感應出電流。如果導體（例如圖示中的桿狀物）沿拇指方向運動，它就會切割磁場中食指方向的磁力線，所產(chǎn)生的電流將會在導體中沿中指方向流動。}

^{圖片來源：Cyclopedia of Applied Electricity (1905)， Part II， fig.5， p.9.}

法拉第進一步認識到奧斯特關于只有當打開或關閉電流的瞬間羅盤針才會偏轉（而當電流穩(wěn)定地通過導線時，羅盤針不會偏轉）這一觀測的意義。法拉第推測磁鐵和電線圈各自都被一個電磁場（通常被描述為一系列力線）包圍，并且當其中一個場發(fā)生改變時就能產(chǎn)生電流或運動。當打開或關閉奧斯特導線中的電流時，也就為導線周圍的場提供或切斷了能量，并且這個變化與羅盤針周圍的磁場交互作用，導致指針擺動。正如我們將看到的，變化的場能感應出電流或產(chǎn)生運動這種認識對特斯拉的電動機工作來說是必不可少的。

19世紀中葉幾十年的情況表明，很難讓科學家們完全領會法拉第理論的精妙之處。然而，通過著眼于法拉第用以證明其想法的小模型，實驗者和儀器制造者們迅速把握了其想法的精髓，并改裝出各種各樣的發(fā)電機和電動機。對于這些動手派的研究者來說，法拉第電磁感應定律可歸結為：如果想建造發(fā)電機，就把導體穿過磁場，那么導體中就會感應出電流；同樣地，如果想做個電動機，那么就用電流產(chǎn)生出可導致磁鐵或導體運動的電磁場。

在運用法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應時，實驗者們很快為發(fā)電機和電動機增加了幾個新特性。首先，為了發(fā)電，他們想利用來自手動曲柄或蒸汽機的旋轉運動。反過來，他們也謀求能采用電流來產(chǎn)生旋轉運動的電動機。其次，研究者們也開始渴望電機能產(chǎn)生或消耗像來自電池那樣的電流，他們希望能使用擁有穩(wěn)定電壓的電流，也就是所謂直流電流（DC）。19世紀四五十年代，通過中斷直流電流以發(fā)送信號的電報系統(tǒng)的快速發(fā)展可能助長了直流電的風靡。

為了同時確保這兩種特性（旋轉運動和直流電流），電氣實驗者們采用了一個換向器。在發(fā)電機和電動機中通常都有兩組電磁線圈：固定的一組被稱為勵磁線圈或定子，而旋轉的一組被稱為轉子。而換向器是這樣一個設備，電流經(jīng)由它進出轉子。換向器是由伊波利特·皮克西（Hippolyte Pixii）1832年在巴黎推出的，并進而成為直流電動機和發(fā)電機中必不可少的部件（圖2.3）。

圖 2.3　伊波利特·皮克西的磁力發(fā)電機，帶有誕生于1832年的首個換向器

^{左圖顯示了磁力發(fā)電機，而右圖則詳細描繪了換向器。轉動機器底部的曲柄就能操作這臺磁力發(fā)電機。轉動曲柄導致機器頂部的電磁鐵下方的馬蹄形磁鐵旋轉。當馬蹄形磁鐵運動時，其磁場在電磁鐵中感應出電流。這個電流流經(jīng)機器垂直支架上的導線并到達位于曲柄與馬蹄形磁鐵之間的軸上的換向器。電流經(jīng)由兩根卷曲的導線離開磁力發(fā)電機。}

^{如右圖所示，換向器位于軸A上；軸A把磁力發(fā)電機底部的手動曲柄和齒輪組跟旋轉磁鐵連接起來。換向器由兩個空心圓柱形金屬件（M₁、M₂）和四個金屬彈簧或電刷（F₁、F₂、f₁和f₂）組成。觸片M₁和M₂彼此電絕緣，如圖中它們之間的深黑色線所示。S代表磁力發(fā)電機頂部兩個電磁鐵中的電流通路，而s代表磁力發(fā)電機外部的電路。}

^{當軸A旋轉時，四個電刷沿觸片的表面滑動。當馬蹄形磁鐵旋轉時，在電路S中感應出電流并通過F₁和F₂送到換向器。電流通過電刷f₁和f₂離開磁力發(fā)電機。如果觸片M₁和M₂被正確地定位在軸上，那么電刷f₁與f₂就會剛好在電路S中的電流方向發(fā)生反轉的時刻通過觸片之間的絕緣層。這樣，換向器就能把馬蹄形磁鐵在電磁鐵中感應出的交流電轉換成直流電。}

^{圖片來源：Alfred Ritter von Urbanitzky， Electricity in the Service of Man (London， 1886)， figures 213 and 214 on pp.228–229.}

要理解換向器是如何工作的，我們要依次看一下發(fā)電機和電動機的內(nèi)部運作（圖2.4）。根據(jù)法拉第電磁感應定律，當轉子旋轉并切割穿越勵磁線圈所造成的磁場時，發(fā)電機中就會產(chǎn)生電流。如果我們只是追蹤由轉子線圈中的一條回路所造成的電流通路，我們可以看到，當回路向下擺動穿過磁場的時候，就會感應出向一個方向流動的電流（按照如圖2.2中的右手定則所示）。同樣地，當回路繼續(xù)旋轉，然后它會向上擺動穿過磁場并感應出向相反方向流動的電流。如果希望使用這個交流電（AC），那么只需在轉子回路的兩端各自連接一個滑環(huán)，這樣就能引導電流離開發(fā)電機。然而，如果像許多19世紀的實驗者們那樣想得到直流電，那么就需要在發(fā)電機的一端收集所有流向一個方向的電流，而在另一端收集所有流向相反方向的電流。為了達到這一要求，需要在轉子軸上放置一個由金屬圓柱體組成的換向器，該金屬圓柱體被分割為幾個互相絕緣的扇形柱體（圖2.5）。兩個靜觸頭或電刷靠在圓柱體的兩側并被恰當?shù)匕惭b定位，以確保當轉子中的電流反轉方向時，觸片與電刷的連接也發(fā)生反轉，因此發(fā)電機送出的電流總保持同一方向。

圖 2.4　發(fā)電機的示意圖

^{N和S是定子的磁極。轉子顯示為附在軸和曲柄上的方形導線回路。換向器是兩個位于回路與曲柄之間的半圓柱體。如果轉動曲柄，轉子就會旋轉穿過定子的磁場并且轉子中會感應出交流電。這個電流將會流向換向器并在那里被轉換成直流電。}

^{圖片來源：S．P．Thompson， Dynamo-Electric Machinery， 3rd ed．(1888)， fig.10 on p.36.}

圖 2.5　換向器在發(fā)電機中的示意圖

^{換向器由四個半圓形觸片和兩個水平電刷組成。通常，觸片之間包含絕緣體，不過沒有在這個圖中畫出來。在這個示意圖中，觸片連接到纏繞在鼓形轉子上的線圈。隨著轉子在磁場（未畫出）中旋轉，線圈中就會感應出電流并流向觸片。電刷通過接觸觸片收集電流并攜帶到發(fā)電機外部。}

^{圖片來源：S．P．Thompson， Dynamo -Electric Machinery， 3rd ed．(1888)， fig.25 on p.42.}

在直流電動機中，換向器幾乎以同樣的方式工作，不過其作用是把電流發(fā)送到轉子。通過換向器，我們可以使電流流經(jīng)轉子線圈中的回路，并在回路周圍產(chǎn)生一個電磁場。同時，我們也可以使電流通過電動機的勵磁線圈或定子線圈從而設置另外一個電磁場?，F(xiàn)在，如果可以使圍繞轉子回路的電磁場與定子線圈產(chǎn)生的場保持同向，那么這兩個場就會互斥從而導致轉子轉動。（回想一下在磁鐵中異極相吸，同極相斥。）然而，當回路擺到另外一邊時，就需要一個向相反方向流動的電流以產(chǎn)生一個被定子場排斥的場。因此，為使轉子連續(xù)旋轉，就需要定期反轉電流以確保轉子線圈的不同部分始終具備適當?shù)膱鰪亩欢ㄗ泳€圈所產(chǎn)生的場排斥。這個電流反轉是由換向器提供的，在這里換向器的功能是充當一個旋轉開關，把電流以適當?shù)姆较虬l(fā)送到轉子線圈的各個部分。

我們在這里稍為深入討論了換向器如何在直流電動機和發(fā)電機中工作的一些細節(jié)，這是因為換向器是旋轉電機的關鍵部件。然而，換向器也曾是（并且現(xiàn)在仍是）直流機的阿喀琉斯之踵：它們制造復雜并往往會迅速磨損。如果觸片之間電絕緣不夠充分或電刷因調整不當而同時觸及太多觸片，換向器常常會發(fā)出火花。我們馬上將會看到，特斯拉一開始就斷定換向器是電機中的核心問題并著手消除之。

換向器火花之挑戰(zhàn)

那是在1876—1877年波西爾的一次授課中，開發(fā)交流電動機的挑戰(zhàn)首次呈現(xiàn)在特斯拉面前。學校最近從巴黎購得了一臺格拉姆直流發(fā)電機（圖2.6）。這臺機器由比利時儀器制造者澤諾布·T．格拉姆（Zenobe T．Gramme）開發(fā)，電氣實驗者們興奮于它能產(chǎn)生更強大更穩(wěn)定的直流電。到19世紀70年代末，有好幾個歐洲發(fā)明者利用格拉姆直流發(fā)電機為最早的一批商用弧光燈照明系統(tǒng)供電。

圖 2.6　課堂演示用的格拉姆直流發(fā)電機

^{圖片來源：Alfred Ritter von Urbanitzky， Electricity in the Service of Man (London：Cassell， 1886)， Fig.232 on p.251.}

波西爾教授使用這臺新的格拉姆直流發(fā)電機向學生講解電流。直流發(fā)電機的一個普遍用法是用來演示電如何把能量傳輸一段距離。這個特性是由格拉姆公司的伊波利特·方丹（Hippolyte Fontaine）1873年在維也納的萬國博覽會上首次揭示的。方丹用一臺格拉姆直流發(fā)電機產(chǎn)生一個電流，然后通過導線送到另一臺直流發(fā)電機，這第二臺發(fā)電機充當電動機。電氣技師們振奮于這個演示，因為它揭示了在工廠和交通運輸中使用電動機的潛在可能。在此之前，人們認為電動機只能由昂貴的電池提供能量，因此只有有限的應用，而現(xiàn)在方丹展示了電動機可由直流發(fā)電機帶動。此外，方丹首次演示了在機器上即使沒有通過低效的軸、傳送帶或傳動繩連接的蒸汽發(fā)動機，也能把能量從一處傳到另一處?，F(xiàn)在可以有這樣一個電力傳輸系統(tǒng)，使得人們能在方便的時候發(fā)電然后在需要的時候用電。

為了演示以電的形式傳輸能量，波西爾在他的格拉姆直流發(fā)電機上接了一個電池，以便把發(fā)電機當電動機來用。盡管可以把直流發(fā)電機當電動機用，然而需要仔細調節(jié)換向器電刷以防止出現(xiàn)火花。波西爾難以調節(jié)格拉姆直流發(fā)電機的電刷，特斯拉回憶道：“當波西爾教授演示把這臺機器當電動機來用的時候，電刷出了麻煩，產(chǎn)生了嚴重的火花。我提出不用這些配件也可能可以操作電動機。但他宣稱不可能做到，并讓我有幸就這一主題做了一個演講。而他對這一演講的評論是：‘特斯拉先生可能會大有可為，但這件事他肯定做不到。這件事當中的情形就好比是把一個像重力那樣的穩(wěn)定的拉力轉換成一個旋轉的力。而特斯拉的想法可是一個永動機方案，是不可能實現(xiàn)的?！?sup>

盡管這位好教授波西爾的意圖可能是為了防止特斯拉的意見干擾其他學生理解電動機如何工作，但他就著特斯拉的插話提出了一個更一般的觀點。19世紀的科學家和工程師們清楚地知道工業(yè)革命中用以驅動機器的旋轉運動不是天然現(xiàn)成的。許多力（例如重力、磁力或電流）通常表現(xiàn)為線性力，這意味著它們是單一方向的推力或拉力。為確保從這些線性力中獲得想要的旋轉運動，需要某種轉換設備。如果想了解這些轉換設備的例子，只需看一下水車如何轉化河流的線性流動，或蒸汽機的曲柄和飛輪如何把活塞的往復運動轉換成旋轉運動。對波西爾來說，換向器是個轉換裝置，它把線性電流轉換成導致轉子旋轉的一系列交替脈沖。由于這些轉換設備總是在從線性運動到旋轉運動的轉換中吸收了一些能量，因此特斯拉的想法（無換向器的電動機）在波西爾看來違背自然規(guī)律，所以嘲弄地稱之為永動機方案。

波西爾本想他的評論能抑止特斯拉的奇思怪想，沒想到卻激起了特斯拉的胸中猛虎。面對冒火花的電刷和波西爾的責難，特斯拉明顯感受到了挑戰(zhàn)。特斯拉后來回憶道：“本能在某種意義上超越了知識。毫無疑問，當邏輯演繹或大腦的任何其他有意的努力徒勞無功的時候，我們擁有能使我們感知真理的某些更細的神經(jīng)纖維。有一段時間懾于教授的權威我動搖過，不過我很快相信我是對的，并懷著初生牛犢的滿腔熱血與無限信心承擔了這個任務。”

在頭腦中設計交流電動機

為了能承擔起建造無火花電動機的挑戰(zhàn)，特斯拉放棄了成為教師的計劃，并于在約阿內(nèi)的第二年改學工程課程。就像19世紀70年代后期歐洲和美國工程學校的典型情況那樣，這個課程體系專注于土木工程而不是電氣工程。所以當特斯拉在19世紀80年代后期首次向記者描述他的教育背景時，他聲稱自己在約阿內(nèi)是被培養(yǎng)為土木工程師。

盡管特斯拉的工程學習可能會促使他建造電動機測試模型并進行實驗，但是他仍舊選擇在想象中研究這個問題：“我開始先在頭腦中想象一個直流機，開動它并跟隨轉子中電流的流動變化。然后我就想象一個交流發(fā)電機并以類似的方式研究其所發(fā)生的過程。接下來我就形象化地設想多個包含電動機和發(fā)電機的系統(tǒng)并以各種方式操作它們。我看到的圖像對我來說是完全真實和切實存在的?！?sup>

我們在這里看到，特斯拉分兩步概念化了他的電動機。首先，盡管他是從思考類似于格拉姆發(fā)電機的直流機入手的，然而他已決定其解決方案將涉及交流電。鑒于19世紀70年代后期多數(shù)用電所做的工作都使用直流電，我們可能會好奇，他為什么能做出從直流電到交流電的轉變。那時在巴黎，有兩個電氣技師，保羅·亞布洛奇科夫（Paul Jablochkoff）和迪厄多內(nèi)·弗朗索瓦·蘭?。―ieudonné Fran?ois Lontin），正在用交流電為同一個電路上的幾個弧光燈供電。不過，不太可能特斯拉作為格拉茨的一個學生曾聽說過他們的工作。