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[物理史] 第一个微波炉专利




(译自APS News,2015年10月)

1947年1月,美国纽约市大中央车站(Grand Central Terminal)的通勤者注意到一部「快速小子」(the Speedy Weeny)速食贩卖机,卖新发明的微波炉所烹煮出来的热狗。如今微波炉已是现代厨房必要的设备了,这都要归功于斯宾塞(Percy Spencer),一个自学成功的缅因州农村小孩,他对于世界如何运作有着无穷的好奇心。

1894年,斯宾塞出生于缅因州豪兰镇(Howland, Maine),1岁半时父亲就过世了。他母亲无法独力抚育他,就把他交给叔叔和婶婶照顾。斯宾塞的叔叔在他7岁时过世,所以他和婶婶开始在新英格兰州奔波,婶婶是流动织布工,而他则是能找到什幺工作就做什幺。他后来回忆说,他在那段困难的时间必须「解决他自己的情况,」这种适应力与美国人务实的创造力让他一生受益很大。

斯宾塞所受的教育也是断断续续的,五年级时,他从学校辍学,到工厂工作。当一个当地的纸厂决定在4年后要装置电力,斯宾塞自愿帮忙架设新系统,虽然才刚满16岁的他对此完全外行,但靠着实验,以及在晚上钻研教科书,他终成了高技术的电气师。

受到1912年铁达尼号沉没时船上无线电作业员英勇行径的激励,斯宾塞对新兴的无线技术感到兴趣。他加入海军,成了无线电作业员,闲暇时,还刻苦学习三角、微积分、化学、物理和冶金术。斯宾塞后来回忆说:「我拿到了许多教科书,利用晚上值班时自习。」当第一次世界大战结束后,他受聘于刚由物理学家史密斯(Charles Smith)、工程师马歇尔(Lawrence Marshall)和布希(Vannevar Bush)所成立的美国器械公司(后来改名为雷神公司,Raytheon)。

在公司早期的研究生涯中,斯宾塞注意到一个光电管有一小破洞。一般来说,科学家会将破损的光电管当瑕疵品丢弃,但斯宾塞对这样可能会发生的情况很好奇。结果他发现破洞实际上却是提升了光电管的效率 ─ 这一个洞察力在电视摄影机的发展上成了很关键性的一步。

之后,第二次世界大战爆发,他的公司负责建造战争期间战斗雷达设备的原型。因此,斯宾塞的光电管部门从15位员工扩增为5,000多位。20世纪初,一位名叫胡世梅耶(Christian Hülsmeyer)的德国发明家知道反射无线电波可以显示附近船只的方向与距离,是避免在港口内碰撞很有用的防护装置。战时的研究发展出空腔磁控管,是一种高频率的光电管,有着多重内置的共鸣腔,可以产生高强度的微波束。磁控管使得英国雷达系统能发现接近中的德国轰炸机。

斯宾塞想出了大量生产那些系统中磁控管的方法。起初,腔管必须用实心铜以机器製作,完成一个腔管要花一个熟练的机械师好几个星期。然而,斯宾塞找出了更好的方法:他修改机器,可以切取薄的金属横截面,将之叠在一起,然后以有传送带的烤箱加以熔合而做成腔管。在雷达帮助下赢得了战争,而斯宾塞的微波腔装配系统大大提升产能,为他赢得了海军最高的公民荣耀:杰出公共服务奖章。

[物理史] 第一个微波炉专利

第一台微波炉重300多公斤,需要以水冷却,要价以现在的币值计52,000美元。当时装置在核动力的萨瓦那号(Savannah)货轮上。

最早提出以高频率的电磁波来加热物质是在1934年,它是基于贝尔实验室的研究,于1937年申请专利。有一天,当斯宾塞站在正在运转中的雷达器材附近时,他注意到口袋中的巧克力条融化了,他认为微波也许可以被用来烹煮食物。为了试验他的假设,他将爆玉米花粒放在磁控管附近,结果正如他猜想的,玉米花粒开始爆。其次,他在水壶边挖一个洞,放一个蛋在壶内,然后让微波通过壶边的洞。实验再次成功,只是蛋爆开了,溅在一位疑惑的同僚脸上,因为那位同僚不该那时窥视水壶。

接续这些简单的实验,斯宾塞很快地知道长方形的金属盒子对于烹煮食物会是良好的共振腔。雷神公司意会到它的商业潜力,于是在1945年10月8日提出了微波烹煮食物过程的专利申请,而斯宾塞的微波炉于1946年上市。

这项发明起初受制于大家对微波辐射的恐惧、以及成本与大小考量,而未流行。那些微波炉非常巨大,大约6呎高,750多磅,一台5,000美元,折合现在50,000多美元。第一部炉台型微波炉于1950年代上市,价钱495美元比较付担得起;至1997年,高达90%的美国家庭都拥有微波炉。

斯宾塞于1970年过世。对于他的微波炉,他只赚到了雷神公司一贯给员工的专利发明奖金2元,虽然他在那里的生涯中累计了300项专利。然而他获得了许多肯定,包括麻州大学颁给他荣誉博士学位,以及雷神公司将一栋大楼以他的名字命名。最重要的是,布希(Vannevar Bush)说斯宾塞「赢得了全国每位物理学家的尊敬,不仅因他灵巧的独创性,还因他经由皮肤吸收似地广泛学习物理。」

(译者注:斯宾塞于1999年被选入发明家名人堂。)


原文刊载于物理双月刊2016年10月号38卷第5期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。



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