第3章 能源動力類發明
6．蒸汽機
奇蹟概覽
蒸汽機是一種把蒸汽的能量轉換爲機械功的往復式動力機械。蒸汽機的出現，曾引起了18世紀的工業革命。直到20世紀初，它依然是世界上最爲重要的原動機。後來，它才漸漸地被讓位於內燃機和汽輪機等。可以說，蒸汽機是工業革命的領頭羊，恩格斯在《自然辯證法》中對蒸汽機這樣評論道：“沒有蒸汽機的出現，就沒有人類近代工業文明。”由此可見，蒸汽機的發明對人類所做出的巨大貢獻。
⊙奇蹟探祕：
1．蒸汽機的發明者是誰？是在甚麼時間發明的？?
很多人認爲，瓦特是蒸汽機的發明者，其實並非如此。他只是對當時已經出現的蒸汽機做了一系列的重大改進，發明了單缸動式和雙缸動式蒸汽機，大大提高了蒸汽機的熱效率和運行的可靠性，對當時的社會生產力的發展做出了重大貢獻。
詹姆斯·瓦特（1736—1819），英國著名發明家、工業革命時期的重要人物、英國皇家學會會員、法蘭西科學院外籍院士。他出生於英國格拉斯哥的一個商人家庭。童年時代，他曾在文法學校讀過書，但他沒有受過系統的教育。在父親做工的工廠裏，他學到了很多機械製造方面的知識。後來，他到了倫敦一家鐘錶店做學徒。1763年，他到格拉斯大學工作，修理教學儀器。在大學裏，他經常與教授討論理論和技術問題。1765年，29歲的瓦特發明了帶有單獨冷凝器的蒸汽機，從此拉開了第一次工業革命的序幕。1781年，他製造了從兩邊推動活塞的雙動蒸汽機。1785年，他因改進蒸汽機的重大貢獻被選爲皇家學會會員。1819年8月25日，他在靠近伯明翰的希斯菲德逝世。在他的訃告中有對他發明蒸汽機的讚頌：“它武裝了人類，使虛弱無力的雙手變得力大無窮，健全了人類的大腦以處理一切難題。它爲機械動力在未來創造奇蹟打下了堅實的基礎，將有助並報償後代的勞動。”
2．國際單位中，功率與電功率的單位是甚麼？爲甚麼？
國際單位制的功率和電功率的單位都是瓦特，符號爲W。1瓦特＝1焦耳/秒，也就是每秒鐘轉換、使用或耗散的能量（以焦耳爲量度單位）的速率。在日常生活中，常以千瓦爲單位，1千瓦＝1000瓦特。這一單位是紀念詹姆斯·瓦特對蒸汽機的發展做出的重大貢獻而以他的名字（James Watt）命名的。
走近奇蹟
蒸汽機的發明，點燃了第一次“工業革命”的導火線。它的出現，可以說是歷史的必然。
16世紀末至17世紀的後期，英國的採礦業，特別是煤礦，已發展到了相當大的規模。所以，僅僅靠人力和畜力已經很難再滿足排出礦井地下水的要求了，而礦井的周圍又有非常豐富而價廉的煤作爲燃料。因爲現實的需要，很多人開始致力於“以火力提水”的研究。
1690年，一位名叫巴比的法國人首先發明瞭第一臺活塞式蒸汽機，但這臺蒸汽機並沒有實用價值。1698年，英國的一位名爲塞萊斯的技師發明了實用的無活塞式蒸汽機。這種機器在礦井中得到了廣泛的應用，還被稱爲“礦山之友”，而且還獲得了專利。它依靠真空的吸力吸水，吸水的深度不能超過6米。爲了把幾十米深的礦井裏的水吸上來，必須要把提水機裝在礦井的深處，用比較高的蒸汽壓力才能把水壓到地面上來，這在當時是困難而又危險的。另外，因爲受當時材料和技術的限制，沒有辦法大範圍地推廣這種蒸汽機。
1712年，一位名叫紐科門的毫無名氣的鐵器商發明了第一臺實用的蒸汽機。這種蒸汽機先是在英國，後來在歐洲得到迅速推廣，其改型產品直到19世紀初還在製造。但是，這種蒸汽機的熱效率很低，主要是因爲蒸汽進入汽缸時，在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉很多熱量，所以，它只在煤價低廉的產煤區推廣。
1764年，當時還是一名儀器修理工的詹姆斯·瓦特在爲格拉斯哥大學修理紐科門蒸汽機模型時，注意到了這個缺點。後來，他自籌資金，租了地下室，買了很多設備，經過反覆不懈的艱難的實驗，他終於在1765年發明了與汽缸分離的冷凝器，解決了製造精密汽缸、活塞的工藝問題，他還在汽缸外壁加裝了夾層，用蒸汽加熱汽缸壁，從而有效減少冷凝損失。這樣，他就製成了單動作蒸汽機。1769年，他取得了國家專利。
1782年，瓦特發明了具有連桿、飛輪和離心調速器的雙動作蒸汽機，這種蒸汽機實用價值更高。因爲它的閥門可以利用蒸汽的壓力來推動活塞，既可向前又可向後，並藉助連桿和飛輪把活塞的直線運動變成了圓周運動。爲了保持蒸汽機勻速運轉，瓦特把一個離心調速器連接在進汽活門上，使其自動調節進汽量。他還設計了一個和汽缸分離的冷凝器，將高溫蒸汽從氣缸中導出並冷卻，使得主要汽缸能保持一定溫度。同時，他提高了汽缸的精密度，把活塞和閥門也做得光滑、嚴密。他的思路原理非常新穎，效率也高得驚人。
瓦特的創造性工作使蒸汽機得到了迅速發展，使原來只能提水的機器成了可以普遍應用的蒸汽機，並使蒸汽機的熱效率成倍提高，煤耗也大大地下降。也就是說，瓦特發明了現代意義上的蒸汽機。
從18世紀晚期起，蒸汽機不僅廣泛應用於採礦業，而且還推廣到冶煉、紡織、機器製造等行業和領域。蒸汽機的使用使得英國的紡織品產量在1766年到1789年的20多年內增長了5倍，爲市場提供了大量消費商品，加速了資金的積累。
1776年，在船舶上採用蒸汽機作爲推進動力的實驗開始了。經過不斷地改進，1807年，美國的富爾頓製成了第一艘實用的蒸汽機船“克萊蒙”號。從此以後，蒸汽機在船舶上作爲推進動力達100多年。
1800年，英國的特里維希克設計了一種高壓蒸汽機，這種機器可以安裝在較大車體上。1803年，他把它用來推動在一條環形軌道上開動的機車，這就是機車的雛型。後來，史蒂芬遜不斷改進機車，1829年創造了“火箭”號蒸汽機車，時速達46千米/時，開創了鐵路時代。
19世紀末，電力應用興起，電站中的主要動力機械就是蒸汽機。20世紀初，蒸汽機的發展達到了頂峯。當時的蒸汽機具有恆扭矩、可變速、可逆轉、運行可靠、製造和維修方便等優點，被廣泛用於電站、工廠、機車和船舶等各個領域。尤其值得一提的是，蒸汽機在軍艦上成了當時唯一的原動機。
正是因爲蒸汽機的發明，爲工業大生產提供了強大的動力，從而使得人類社會的生產力得到迅猛的發展。
⊙奇蹟探祕：
3．世界上第一臺蒸汽機是甚麼？?
人類對蒸汽的認識和利用，經歷了一個漫長的歷史過程。實際上，世界上第一臺蒸汽機在公元1世紀就產生了，它就是古希臘數學家羅希發明的，但是它僅僅是一個玩具而已。約在1679年，法國物理學家家丹尼斯·巴本製造了第一臺蒸汽機的工作模型。
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【蒸汽機的構造】
簡單蒸汽機主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機構、滑閥配汽機構、調速機構和飛輪等部分組成的。從鍋爐來的新蒸汽，經過主汽閥和節流閥進入滑閥室，因爲受滑閥的控制，所以會交替地進入汽缸的左側或右側，從而推動活塞運動。
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【工業革命】
工業革命又稱產業革命，指資本主義工業化的早期歷程，即資本主義生產完成了從工場手工業向機器大工業過渡的階段。工業革命是以機器生產逐步取代手工勞動，以大規模工廠化生產取代個體工廠手工生產的一場生產與科技革命。工業革命是資本主義經濟發展的客觀要求所決定的。工業革命在18世紀60年代開始於英國，首先從棉紡織業開始，逐步發展到採礦、冶金、機器製造、運輸等部門。
18世紀80年代，因蒸汽機的使用而得到進一步發展。到19世紀上半葉，英國工業革命基本完成。法、德、美等國也於19世紀完成了工業革命。工業革命使人類跨入了機器時代，帶來了生產力的巨大發展，以及社會階級結構的變化，形成了近代工業資產階級和無產階級兩大對立階級；拉大了東西方社會進步的距離，並把世界納入了資本主義的商品經濟體系。
7．內燃機
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內燃機是相對蒸汽機而言的，蒸汽機是通過外部加熱裏面的水，形成蒸汽而膨脹，從而推動活塞往返，形成動力。而內燃機則是由燃料直接在氣缸裏燃燒膨脹推動活塞往返，進而形成動力。內燃機包括往復活塞式內燃機、自由活塞式發動機和噴氣式發動機等。不過，人們通常所說的內燃機是指活塞式內燃機，常見的有柴油機和汽油機。內燃機具有許多優點，如體積小、質量輕、方便移動、熱效率高等。
⊙奇蹟探祕：
1．世界上第一臺內燃機的發明者是誰？是在哪一年發明的？
目前，全世界各種類型的汽車、拖拉機和輪船以及農業機械、工程機械等都以內燃機爲動力。內燃機在人類活動中佔有非常重要的地位。內燃機的作用如此之大，那麼世界上第一臺內燃機是誰發明出來的呢？它是由一個名叫艾蒂安·勒努瓦的法國科學家模仿蒸汽機的結構設計製造出的，這臺內燃機是以後生產的無數內燃機的“祖爺爺”。
艾蒂安·勒努瓦（1822—1900），法國發明家，出生於比利時。他非常勤奮好學，善於創新，一生中取得了多項發明成就。其中，最爲出名的是他在1869年發明了世界上第一臺實用的內燃機。這是一臺用電點火、使用照明煤氣爲燃料的內燃機，它的基本結構與當時的蒸汽機相差不多。儘管這臺內燃機的熱效率僅僅爲4%左右，但是卻預示着內燃機時代的到來。
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瓦特發明的蒸汽機，這是具有劃時代意義的偉大發明，它推動了第一次工業革命的迅猛發展。但是隨着工業的發展，蒸汽機的弊端日益顯現，蒸汽機本身有難以克服的缺點。如蒸汽機很笨重；操縱複雜；啓動慢，不能隨意停止；鍋爐容易爆炸，危險性大；並且鍋爐的燃燒需有經驗的人專門看管。
其中蒸汽機更大的缺點是熱效率低，一般只有 5%—8%，最好的也不超過10%—13%。這是由於蒸汽機的鍋爐和汽缸是分離的，鍋爐在外面燃燒，熱量損失較大，因此蒸汽機的效率難以提高。於是，人們開始研究把蒸汽機的鍋爐和汽缸合併起來，燃料在外面燃燒改爲在內部燃燒，利用燃燒後的煙氣直接推動活塞運動，這就是內燃機。
隨着科學探索的發展，人們提出了各種各樣的內燃機方案，但是仍沒有人發明出內燃機來。直到1860年，法國發明家勒努瓦發明了第一臺實用的內燃機。它以煤氣爲燃料，但這種最初的內燃機燃料消耗量很大，效率低。
1862年，一位名叫羅沙的法國科學家對內燃機熱力過程進行理論分析之後，提出提高內燃機效率的要求，這就是最早的四衝程工作循環。
1876年，經商出身的德國發明家尼古拉·奧古斯特·奧托（1832—1891）一次偶然在報紙上看到關於改進勒努瓦內燃機的報道，非常高興。在此之前，奧托一直在關注內燃機的研製情況。作爲商人，他從蒸汽機的廣泛應用中看到了內燃機的發展前途。奧托仔細研究羅沙的原理，憑着堅強的意志，終於試驗成功了第一臺往復活塞式、單缸、臥式的四衝程內燃機，但仍以煤氣爲燃料，採用火焰點火，熱效率達到14%。在當時，無論是功率還是熱效率，它都是最高的。
奧托內燃機不僅體積小，重量輕，而且消耗的煤氣少，功率較大。因此，越來越多的工廠採用這種內燃機來代替蒸汽機。但是奧托煤氣內燃機有許多不方便的地方，它不能作爲輪船、汽車等運輸機械的動力。
後來隨着石油的開發，比煤氣易於運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意，首先獲得試用的是易於揮發的汽油。1883年，德國發明家戈特利布·戴姆勒成功地製造出了第一臺汽油內燃機。由於它比煤氣內燃機重量輕、操作簡便，燃料運輸和儲存也更爲方便，所以汽油發動機開始用作汽車、輪船的動力。
1897年，德國工程師狄塞爾發明了壓縮點火式內燃機，爲內燃機的發展開拓了新途徑，它的熱效率達到了26%。這種內燃機以後大多用柴油做燃料，所以又稱爲柴油機。1898年，柴油機首先用於發電站進行發電，1903年用作輪船的動力，1904年裝在艦艇上，1913年第一臺以柴油機爲動力的內燃機車製成，1920年左右開始用於汽車和農業機械。
隨着工業生產的不斷髮展，內燃機被廣泛應用，它爲工業大生產提供了強大的動力，從而使得人類社會的生產力得到迅猛的發展。
由此可見，內燃機的發明，產生了動力機的一次新革命。內燃機不僅效率高，而且種類多，用途廣泛，它推動了交通運輸業的革命，使汽車和飛機制造業迅速發展起來，引起了工業生產的機械化變革。
⊙奇蹟探祕：
2．法國科學家羅莎獲得了“四衝程循環”的發明專利，但被稱爲“四衝程發動機之父”的卻是德國的奧托？
1862年，雖然法國科學家羅沙已經獲得過四衝程循環的發明專利，但他並沒有製成任何實際的四衝程循環內燃機，而德國發明家奧托卻是第一個應用四衝程循環原理製成內燃機的人。
奧托還提出了內燃機的工作原理，就是可燃氣體先在氣缸中壓縮，在點燃壓縮可燃氣體時產生較強的爆發力，提高了內燃機的熱效率和輸出功率。同時，他利用活塞的四個衝程，把進氣、壓縮、作功及排氣融爲一體，使內燃機的結構緊湊和簡化，從而推動了小型內燃機的實用化。奧托創建的內燃機工作原理，一直在現代汽車發動機上沿用至今。
所以，人們習慣上用“奧托循環”來稱呼點燃式的四衝程內燃機循環。他是繼瓦特之後又一名偉大的發明家。他發明的四衝程循環內燃機，是繼蒸汽機出現之後人類機械史上又一巨大貢獻，開創了人類文明的一個新時代。
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【內燃機的工作原理】
內燃機以往復活塞式最爲普遍。它的工作循環是由進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣等過程組成。內燃機將燃料和空氣混合，在它們在氣缸內燃燒，釋放出的熱能使氣缸內產生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞運動，再通過曲柄連桿運動形成動力，從而帶動機械工作。
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【魯道夫?狄塞爾】
提起柴油機，我們不能不講到它的發明者：魯道夫·狄塞爾（1858—1913）。
1858年3 月，魯道夫·狄塞爾生於巴黎。在學校讀書期間，他非常喜歡物理和熱力學。1879年，年僅21歲的狄塞爾大學畢業，當上了一名冷藏專業工程師。在工作中狄塞爾感到當時的蒸汽機效率極低，於是有了設計新型發動機的想法。在積蓄了一些資金後，狄塞爾辭去了製冷工程師的職務，自己開辦了一家發動機實驗室。
像所有偉大的發明家一樣，狄塞爾試驗發動機遇到了許多的困難。但他並沒有被困難所嚇倒，一步步完善自己的機器。1892年狄塞爾終於製造出了第一種試驗機，即原始的柴油機；1896年，柴油機試驗成功；1897年，狄塞爾進一步完善了他的發明；1898年，狄塞爾的柴油機獲得了商業上的成功。
魯道夫·狄塞爾的發明改變了整個世界。人們爲了紀念他，就把柴油機稱作狄塞爾發動機。直到今天，柴油機的英文名稱仍然是“DIESEL ENGINE”。
8．電動機
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電動機又稱爲馬達或電動馬達，是一種將電能轉化爲機械能，再利用機械能產生動能，用來驅動其他裝置運動的電機設備。它應用了電流的磁效應原理，利用通電線圈在磁場中受力而轉動。電動機按使用電源不同，分爲直流電動機和交流電動機。
19世紀，電動機的發明不僅使人力和畜力從繁重的勞作中解脫出來，而且還實現了電能和機械能的互換。不僅如此，電動機使電能的遠距離傳遞和轉化成爲現實，電能逐漸進入人們的工業生產中。至此，一個嶄新的時代——“電氣化時代”到來了。
⊙奇蹟探祕：
1．電動機的發明者是誰？是在甚麼時間發明的？?
英國物理學家邁克爾·法拉第和美國物理學家亨利總是被誤認爲是電動機的發明人。其實，法拉第和亨利並沒有發明可使用性的電動機，而是發現了“電磁感應現象”。
他們之所以被誤認爲是電動機的發明人，主要原因在於“電磁感應現象”是電動機的基本工作原理。這就是說明，在電動機發明之前，法拉第和亨利已經在原理上確定了製造電動機的可能性，只是沒有進一步地創造而已。
而真正能用於工業生產的電動機，是比利時發明家格拉姆於1870年前後發明的。
格拉姆（1826—1901），比利時發明家。格拉姆出生在比利時一個公務員家庭裏。他在學校裏的成績欠佳，不過，他的雙手非常靈巧，在擺弄電氣設備方面是一個高手。1856年，格拉姆來到巴黎，從此就一直生活在巴黎地區。他在一家專門製造電氣設備的公司裏謀到一份工作。1867年，他製成了一臺改進型的交流發電機。1870年前後，他又搞出了一臺直流電動機。於是，電力工業就以格拉姆發明的直流電動機爲基礎逐步發展起來了。
2．在國際單位制中，法拉是甚麼單位？它的命名有甚麼原因嗎？
國際單位制中，電容的單位是法拉，簡稱“法”，單位符號是F。此單位是以發現電磁感應現象的英國物理學家邁克爾·法拉第的名字而命名的。
3. 甚麼是電磁感應現象？主要應用於哪些方面？
閉合電路的一部分導體在磁場裏做切割磁力線的運動時，導體中就會產生電流，這種現象叫電磁感應。電磁感應現象顯示了電、磁現象之間的相互聯繫和轉化。電磁感應現象在電工技術、電子技術以及電磁測量等方面都有廣泛應用。
走近奇蹟
19世紀初，隨着工業的發展，電力逐漸被廣泛利用，與此同時，第二次工業革命也拉開了序幕。這個時期，很多國家的物理學家都紛紛投入到電磁的研究以及發電機、電動機的發明中。而電動機的發明是在電流的磁效應原理的基礎上，而發明這一原理的是丹麥物理學家漢斯·克里斯蒂安·奧斯特。
1820年，奧斯特發現電流磁效應後，許多物理學家便試圖尋找它的逆效應，提出了磁能否產生電，磁能否對電作用的問題。
第二年，也就是1821年，法拉第在讀過奧斯特關於電流磁效應的論文後，被這一學科領域深深吸引，於是，他在同年發現了通電流的導線能繞磁鐵旋轉。接着，他借鑑奧斯特的實驗，專門對電和磁鐵的作用進行探索。
不僅是法拉第，其他科學家也在努力尋找着“磁生電”的答案。而美國物理學家亨利於1830年，在電磁鐵兩極中間放置一根繞有導線的條形軟鐵棒，然後把條形鐵棒上的導線接到檢流計上，形成閉合迴路。他觀察到，當電磁鐵的導線接通的時候，檢流計指針向一方偏轉後回到零；當導線斷開的時候，指針向另一方偏轉後回到零。這就是亨利發現的電磁感應現象。但是，亨利沒有及時公開發表自己的實驗結果。
1831年，法拉第終於通過10年的研究，也發現了電與磁互相作用。於是，法拉第向英國皇家學會提交的一個報告中，把這種現象定名爲“電磁感應現象”。電磁感應規律的發現，對人類社會有着劃時代的貢獻，使後來人們發明發電機、電動機、變壓器，以及交流電的利用等等成爲可能。
德國科學家雅可比於1834年前後，製成了一種簡單的裝置：在兩個U型電磁鐵中間，裝一六臂輪，每臂帶兩根棒型磁鐵。通電後，棒型磁鐵與U型電磁鐵之間產生相互吸引和排斥作用，帶動輪軸轉動。這大概就是電動機的雛形。後來，他做了一個更大型的裝置，安在小艇上載着幾名乘客駛過了穿越德國的主要航運水道——易北河，當時還引起了很大的轟動。但這種電動機都沒有多大商業價值，用電池作電源，成本太大、不實用。
直到第一臺實用直流電動機問世，電動機纔得到廣泛應用。1870年，比利時工程師格拉姆發明了直流發電機。後來，格拉姆向直流發電機輸入電流，其轉子會像電動機一樣旋轉。於是，這種格拉姆型電動機大量製造出來，效率也不斷提高。與此同時，德國科學家西門子接連製出更好的發電機，並着手研究由電動機驅動的車輛。1881年，西門子公司製成了世界最早的電車。但當時的電動機全是直流電機，只限於驅動電車。
1888年，克羅地亞出生的美國發明家尼古拉·特斯拉發明了交流電動機。它是根據電磁感應原理製成的，又稱感應電動機。這種電動機結構簡單，使用交流電，無火花，因此被廣泛應用於工業和家庭電器中。
隨着科學家對電動機的深入研究，1902年，瑞典工程師丹尼爾森首先提出同步電動機的構想。同步電動機工作原理同感應電動機一樣，由定子產生旋轉磁場，但轉子用直流供電，轉速固定不變，不受負載影響。因此同步電動機特別適用於鐘錶、電唱機和磁帶錄音機。
由於電動機的使用和控制非常方便，而且工作效率較高，沒有煙塵和氣味，不污染環境，噪聲也較小。因此，在工農業生產、交通運輸、國防、商業及家用電器、醫療電器設備等各方面都能看到電動機的身影。電動機的發明爲工業大生產提供了強大的動力，從而使得人類社會的生產力得到迅猛的發展。
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4．電動機與發電機的區別是甚麼？?
在電力的使用中，發電機和電動機是相互關聯的兩個重要組成部分。發電機是將機械能轉化爲電能；電動機則相反，是將電能轉化爲機械能。
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【電動機的構造】
電動機的種類很多，以基本結構來說，其組成主要由定子和轉子構成。定子在空間中靜止不動，轉子則可繞軸轉動，由軸承支撐。定子與轉子之間會有一定空氣間隙，以確保轉子能自由轉動。定子與轉子繞上線圈，通上電流產生磁場，就成爲電磁鐵，定子和轉子其中可爲永久磁鐵，磁場對電流受力的作用，使電動機轉動。
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【第二次工業革命】
第二次工業革命以電力的廣泛應用爲顯著特點。從19世紀70年代開始，出現了一系列電氣發明。1831年，英國科學家法拉第發現電磁感應現象。此後，很多科學家對電作了深入的研究，並紛紛開始研製發電機和電動機。1866年，德國科學家西門子製成一部發電機，後來幾經改進，逐漸完善。1870年前後，比利時人格拉姆發明電動機，電力開始用於帶動機器，成爲補充和取代蒸汽動力的新能源。從此，電力工業和電器製造業迅速發展起來，人類跨入了電氣時代。隨後，電燈、電車、電鑽、電焊機等電氣產品如雨後春筍般地湧現出來。
所以，第二次工業革命時期是以電力爲代表的自然科學的新發展時期。自然科學開始同工業生產緊密地結合起來，更進一步地推動了生產力的發展，特別是電動機廣泛應用於工業技術使第二次工業革命取得了巨大的成果。