一
爱迪生之所以在电机方面开展研究工作，一方面与日益增长的对公用电站的需求有密切联系，而另一方面与设法解决能使运输技术得到进步的电力牵引问题有密切联系。大概在爱迪生开始进行电力牵引研究工作半个世纪以前，人们就企求把电能用于传动和牵引。早在1834年—1838年期间，俄国学者院士保·谢·雅科比就创制出电力发动机，该发动机是根据电磁铁的吸引和排斥原理而工作的，电磁铁的绕组是由大的原电池组供电的。雅科比在彼得堡涅瓦河上所进行的小型轮船的电力驱动试验，是人所共知的。还有许多通过电动机传动，使陆地上的车辆和水上小船行驶的尝试，都在40—60年代期间进行过。所有这些尝试，以及雅科比的有趣试验，都没有产生令人满意的结果，哪怕是令人感到有成功的希望也好。这是因为靠磁吸力和磁排斥原理工作的电动机功率小，更主要的是伽伐尼电池组所产生的电能价格昂贵和这些发电装置难以操作。电动机在当时是很少被用来进行传动的。在格拉姆发电机出现之前使用电动机传动的人寥寥无几。印刷业生产可以作为一种例子，当时已用生产率高几十倍的机器传动印刷机来代替了手工印刷机。这样的印刷机在任何印刷所里也不能做到全天满负荷工作。通常，印刷机都是由蒸汽发动机来带动，要用几个小时去点炉火和发动机器，因此就需要有专门的操作人员。这样，操作蒸汽发动机的传动装置，要占许多时间，而一天中传动装置才使用几个小时。在这样的条件下，最好是安装使用伽伐尼电池组电流的电动机：当需要的时候，电动机可以随时发动，不要时可随时停止。但这种电动机功率比较小，是很不利于生产的。
随着自激直流电机的出现（由于这种电机具有可逆性，故既可作发电机用，又可作电动机用），才有可能在更大范围内采用电力传动，特别是用在牵引方面的电力传动。
80年代初，西欧和美国在陆运中开始利用电力牵引。如1874年旧金山的斯捷凡·菲尔德提出了关于采用固定直流发电机来给电动车辆供电的专利申请。这种车所用电流，是通过第三条钢轨或单独的绝缘线供电。但菲尔德没有使自己的专利特许证生效。而电车也并没有制造出来。1879年西门子—哈尔斯克公司在柏林工业博览会上建筑一条长度为1000英尺（0. 3公里）的短距离的实验线路。线路由第三条钢轨供电，而线路的另两条钢轨起回路作用。电气列车是由五节车厢组成，每节坐6名乘客，电动机功率为3马力。约10万名博览会的参观者，在这条铁路上进行试乘。1880年，这一电气化铁路又在布鲁塞尔、法兰克福和杜塞尔多夫博览会上展出。这时，费·阿·皮罗茨基在俄国也正进行电力牵引的试验，但他获得的成果比较小。尽管在建设电气化运输方面缺乏实际经验，但西门子还是在1880年开始设计和建设一条从柏林的安哈特车站到利希特菲尔德校场（沿着天桥）的电气化铁路。铁路于1881年5月投入运行。
这样，在爱迪生开始研究电力牵引之前，欧洲在这方面采取了重要的实际步骤。而爱迪生在传动装置和牵引方面的试验，是无足轻重的。他只是在设计馈电刷时，才遇到电动机。接着爱迪生研究用电动机带动缝纫机，这种电动机的电枢安装在二极场中的两个极端间。
爱迪生对电力牵引的研究是由下面一件事引起的。1878年，爱迪生参加了派到怀俄明州去进行观察的天文考察队。爱迪生想在天文观察中使用他所发明的“测微温湿计”（印刷量温湿度微小变化的仪器）。观察地点在美国的大西部，在离铁路干线200英里的谷类作物种植地区。爱迪生看到，庄稼人用兽力车把粮食运到铁路边，再转装到火车上。这样不仅运费高，而且劳动也很复杂，需要有大量的畜力运输，需要更换马匹和马匹休息的中间站，需要饲料仓库和大批的服务人员。爱迪生产生了一种想法，并对这一想法做了深入研究。这个想法是：修建一条通到铁路干线的电气化货运电车道。爱迪生认为，这样的货运电车可以不用电车司机，而由沿线各站自动操纵。在这种情况下，经营费用将缩小到最低限度。为了着手实现这一预计颇有经济效益的想法，应当进行试验。1880年，爱迪生在门罗园建筑了长达0. 35英里的电气化线路实验地段，小型钢轨固定铺在间隔约一米的枕木上，线路路基是在硬土地上，没有铺碴。线路的起点在工厂附近，并沿着马路一直往北。由安装在工厂里的爱迪生Z型（100伏特×75安培）电机作为发电机负责供电，发电机的两极通过地下绝缘导线与两条钢轨连在一起。一条钢轨是用作直通机车头的直输线，另一条钢轨就是回线。没有采取任何专门措施使钢轨与地绝缘，条件虽不完善，但漏电不多。机车是一个四轮车，车上面安装的也是同样的Z型电机，用来作为发动机。该电机被平放着（这种型号的电机外形尺寸很高）。电枢轴上装有一个摩擦传动轮，而该摩擦传动轮的旋转，就把力传给了另一个传动轮，而这个轮的旋转，就带动了车子的轮轴。此外，还装有第三个轮，这个轮通过杠杆与第一个传动轮或第二个传动轮发生摩擦接触。车的轮子是木制的，轮毂装有金属衬套，轮外缘装有厚实的金属轮圈。轮毂用三根金属辐条与轮圈连起来。整流电刷紧靠着轮毂。所有四个轮子都是这样装置的：电流从带有正电的钢轨进入车轮，经过电刷再传给电动机，而从电动机那里经过其他两个馈电刷和车轮再传往另一条作为电流回线的钢轨。
二
到1880年5月铁路建成了，5月13日下午4点通车。机车上的所有座位都被爱迪生及其助手占了。机车开动了，并平安地走完了全程，但终点停车时震撞了一下，造成了一些损坏。爱迪生认为，他所设计的摩擦装置不合理，不完全可靠，所以就改用了电动机通过皮带传动带动轮轴的办法来代替摩擦装置。此外，爱迪生决定使用与电枢串联在一起的电阻，以便起动平稳。机车上装有探照灯和信号钟，以便使路线试验可以在黄昏和夜间进行。
当时决定把线路延长到1英里，修路所需要的材料都是靠电气列车运输。许多关心电气化运输的人参观了门罗园，并在电气化铁路上试乘了车。这样的乘客有几千人，机车在白天几乎是连续工作。
在新的延长了的线路上，有几处急转弯和不平坦的地段，这对于积累更多的试验资料来说是必要的。在路线的某些地方，车速达到每小时42英里。试验中曾发生几起列车出轨事件，但列车没有损坏。进行试验的列车由机车和三节车厢组成：无盖货运平板车，有棚和板凳的无盖客车和有盖客车。为了解这些研究工作，美国卓越的铁路业活动家亨利·维拉德和许多外国人，其中包括瑞士工程师比德曼和丘里都参观了门罗园。
1880年一年中，美国各报上出现了有关爱迪生试验的报道，对试验作了通俗介绍的文章刊登在1880年6月6日的《科学的美国》杂志上。根据1880年7月22日的申请，爱迪生领到了第265778号专利特许证，在该证上面记述了由电动机的电枢轴到各轮轴都经过改进的传动系统。专利特许证中还指出了有两个带有杠杆系统的钢轨夹钳，它们交替地一会抓紧在这一条钢轨，一会又抓紧在另一条钢轨上把机车拉紧，这就使转弯运行情况有了好转，特别是急转弯运行情况有了好转。
爱迪生在递交这份专利申请的同时，又递交了另外一份专利申请，因此他又获得了第248430号专利特许证。这项发明关系到列车电气制动的方法。发明的基本内容如下：每一根轴上都装有一个又重又大的铁圆盘，这个圆盘位于功率强大的电磁体两极之间。如果电磁体被激励起来，电磁体就能阻止圆盘的旋转，这样就能使列车的速度变慢。客车上装有机械制动闸。
爱迪生根据所获得的经验，提出通过滑接电线间为电动机供电。其他研究电力牵引的电工技师，其中包括约翰·芬尼，查理·范杰波列和弗兰克·斯普拉格，都先后在不同时期说出了这种想法。这种想法占了上风，1888年在里士满城第一辆有滑接电线系统的电车投入运行。
三
门罗园的试验性的电气化铁路，在1880年—年中和1881年的部分时间里运行了。铁路公司对此很感兴趣。美国卓越的铁路业活动家维拉德，在1881年9月14日与爱迪生签订了下列协定：爱迪生在门罗园要建筑一条2. 5英里长的电气化铁路，并应为该路建造三种类型的车厢和两台机车，即一个客运机车，另一个是货运机车（电动机车用现代的名称来说，也就是电力机车）；应保证列车运行有一定的速度，特别是规定电力牵引客车的时速为60英里。维拉德尔还提出了一个经济性的补充条件：用电气化铁路进行运输的费用，要比当时用蒸汽牵引进行货运的运价低。如果在试验爱迪生根据这项协定而制出的设备时，获得良好结果的话，那么维拉德就打算开始把在国家一些产粮区的最少有50英里长的铁路区段电气化的工程交由爱迪生承办。
在门罗园建筑新的电气化路线的工程，是在1881年秋开始的，而于1882年建成备用。这条路修建得比1880年的第一个试验区段更加完善。线路几乎是笔直的，没有转弯处，道碴铺得像铁路通常铺的那样厚。钢轨与枕木之间的绝缘性能是可靠的，是用沿着线路敷设的专门地下电缆来供电。预先制造了机车，这是为了能在铁路建筑中运送材料。货运电力机车能牵引六到八节平板车或车厢。与1880年最初设计的机车不同，因为那实际上只是一个能使用的模型。新的机车有一个司机室，前面有格条护板和照明探照灯，也就是说采用了蒸汽机车上的某些东西，因为电力机车和蒸汽机车的使用情况在某些方面是相同的。控制器安装在驾驶室内司机的座位下面。电动机与轮轴间是皮带传动。客运电力机车的自重五吨，货运电车机车的自重十吨。
试验进行得很顺利，但由于某些原因，维拉德放弃了供正常使用的50英里线路设备的订货。爱迪生的试验工作进行得很成功，遂于1882年6月19日，接受了在瑞士建筑电气化铁路的工程。
爱迪生研究制造铁路电力牵引系统期间，他的助手是弗兰克·贾利延·斯普拉格。该人于1881年—1882年间在欧洲参加了电工技术展览会，而爱迪生在伦敦的代表约翰逊帮助他进到门罗园工作。斯普拉格在爱迪生那里主要是研究运输电气化问题，特别是研究发电机的传动和牵引装置。斯普拉格在爱迪生那里工作了两年就成了这方面的专家，他决定离开门罗园，独立去完成把电用于传动和牵引方面的发明。他制造出了一台非常好的直流电动机，这种电动机由爱迪生公司接受进行生产。电动车辆和电车上的两台发动机并联系统，就是他发明的。根据斯普拉德的设计，在里士满制造了美国第一辆电车，并使市里的桥架铁路都使用了电力牵引。
电车和电气化铁路的巨大发展，是在19世纪80年代后五年开始的，特别是90年代开始的。许多商行，其中包括埃克梅耶尔和岳克尔谢工厂、威斯汀豪斯工厂、汤姆生—胡斯顿工厂及其他工厂，都开始生产电气牵引装置设备。在欧洲，柏林的西门子—哈尔斯克商行在这方面表现得特别积极。从1892年起，爱迪生公司就与其他许多工业行会合并，变成了现在仍享有世界声誉的“通用电器公司”康采恩。
后来电力牵引技术的发展，与爱迪生没有直接关系，主要是由各种工业行会，特别是“通用电器公司”的研究工作的大规模展开促成的。其他许多比较小型的工业组织，以及市政局，也都开始发展市内电力运输建筑工程。但是，爱迪生还是有着巨大功绩的。他由于处在运输电气化的发源地，成为把制造电力牵引的设想变为现实的第一个人。他也是十分了解电力牵引的实质、可能性和优点并指出它发展方向的人。
四
托·阿·爱迪生多年来对各种类型的蓄电池的研究工作，也属于他的运输电气化研究工作的一个重要部分。电力牵引，可以通过把别处的供电设备的电力例如把沿线上某个地方发电装置的电力接到机车上的办法来实现，但也可以用自身所装有的电源的电力，包括放在电动机车本身内或车厢内的有相应蓄电量的蓄电池组实现牵引。爱迪生认为蓄电池车（即电动车）具有重大意义。19世纪90年代，当出现汽车时就产生一个问题：是发展汽油发动机的汽车还是发展电动车，两者那一种才合算。当时，汽油发动机的发展刚刚开始，所以提出这种问题是理所当然的。无论是汽车的汽油发动机，还是有蓄电池组的电动机，都各有自己的拥护者和反对者。
在上一世纪末，蓄电技术已有半个世纪的历史，取得某些成就并在许多方面得到应用。蓄积电能的基本原理早在1801年—1803年为里特的试验所证实，但这一发明长期没有得到应用。1854年，德国军医威廉·伊奥泽夫·津斯捷坚观察到了一种与电池所常见的电极极化不同的极化现象。这种现象是：在电流通过浸入在稀硫酸中的铅电极时，正电极就覆盖上了二氧化铅（PbO 2），然而负极却没有发生任何变化。如果把这种电池进行短时间闭合，使别的电流不再经过这一电池，那么这一电池就产生出比通常那种极化电流强度更大的电流。而这一电流在二氧化物未耗尽前，总是不断地出现。津斯捷坚从这些观察中没有做出任何具体结论。5年以后，即在1859年，法国工程师加斯通·普兰捷没有受津斯捷坚的影响，观察了电流极化的这种特殊形式，制造出了一种铅蓄电池。这就为蓄电池技术奠定了基础。普兰捷蓄电池是预先多次充电和放电，以便使蓄电池中的铅板表面能有更多的细孔来改进蓄电池的作用和增加蓄电池的蓄电量。1882年，卡米尔·福尔改进了普兰捷蓄电池，专门把负极板涂上一层铅丹，这就加速了负极板的定形和铅蓄电池的性能改进。
