【鐵路電氣化領域先驅——維爾納·馮·西門子】
（維爾納·馮·西門子）
歷史上公認的首次電力機車載客試驗是由德國發明家和企業家維爾納·馮·西門子完成的，時間是1879年，地點是在德國柏林的工業展覽會上面，並取得了很大成功。實際上，早在1870年，西門子就開始研究製造實用型的電力機車了，經過長達9年的努力，終於可以在實用中大顯身手了。在柏林工業展覽會上，西門子公司鋪設了一條長約300米的環形鐵路，在兩根鋼軌之間另外鋪設第三條供電軌，供電電壓採用直流150V，上面運行一臺2.2KW的小型四輪電力機車，後面牽引3輛拖車，每輛拖車可以乘坐6人，機車最多能夠運載30名乘客，運行速度約13公里/小時。
（1879年西門子發明的電力機車）
西門子電力機車的這次試水是非常成功的，機車在長達4個月的運行期間一直狀態良好。西門子大受鼓舞，他在給自己的兄弟卡爾·西門子的信中寫道：“在博覽會上，我們修建的那條電氣化試驗鐵路備受矚目，電力機車工作狀態之好超出了我的預期，每天機車可以運行幾個小時，一天就有多達1000名乘客嚐鮮，每個人只需要支付20芬尼就可以乘坐一次，這些錢都捐給了慈善機構。這臺電力機車一次可以拉20~25人，運行速度與有軌馬車相當，我們可以在這個領域繼續大顯身手了！”
由於在柏林展覽會上的電力機車試驗結果很令人振奮，西門子就準備再接再厲，真正將這項技術用在城市軌道交通之中。所以，一年之後的1880年，西門子就打算在柏林建造一條高架電力城軌鐵路，然而卻遭到了當地居民的堅決反對，理由是修建高架鐵路會讓當地的房地產貶值，西門子只好放棄了這個計劃，他繼續投入技術研發，等待更合適的推廣時機。
【一個被遺忘的俄國電氣工程師——費奧多·皮諾託斯基】
（費奧多·皮諾託斯基）
查閱相關史料就會發現，整個1880年代是歐美等國家大力推廣電力應用並高速發展的十年，很多在鐵路電氣化領域名留史冊的人物，都集中出現在這個時期，他們的很多影響巨大的發明，也是在這十年集中出現的。德國的電氣化先驅西門子，美國電氣化先驅史伯格，還有被後世忽略的美國發明家兼電氣工程師利奧·達夫特，都曾經對在鐵路領域推廣電力牽引技術做出了重要貢獻。
然而，還有一個人，生活在19世紀的俄羅斯——當時處於技術落後、封建農奴制度盛行的沙俄時代。這個人卻能夠以一人之力，完成了全套鐵路電氣化系統技術的研發，卻僅僅因為找不到充足的資金，而讓全世界第一條真正能夠商業運營的電氣化城軌鐵路半途而廢，讓俄羅斯首條有軌電車線路晚修了11年，這個人就是軍人出身的俄羅斯電氣工程師費奧多·皮諾託斯基。作為全世界電氣化技術的真正開拓者，費奧多已經被世人遺忘很久了。
1845年，費奧多·皮諾託斯基出生於俄羅斯波爾塔瓦古勃尼亞（今屬烏克蘭）的一個軍醫家庭，早期在聖彼得堡接受教育，後來進入康斯坦丁學生軍訓隊和米哈伊爾炮兵學院繼續深造，1866年畢業之後在基輔炮兵要塞服役。在那裡他結識了俄羅斯著名的電氣工程師帕維爾·亞布羅契柯夫，從他那裡學到了很多電氣方面的知識，並激發了他研究該領域的興趣。1871年，費奧多回到了聖彼得堡，開始了技術研發之路，他涉獵領域比較廣，從改進鍊鋼的鼓風爐，到鐵路電氣化設備的研發，再到鋪設城市地下電纜，他都做出了重大貢獻，可以好不誇張地說，費奧多的發明深刻影響了19世紀末期的俄羅斯社會。
1874年，費奧多在聖彼得堡的沃爾科夫地區開始鐵路電氣化實驗，一年之後，他研製的鐵路電車就在米勒鐵路上面開始行車試驗。這臺鐵路電車的電源來自1公里之外的格拉姆發電機，通過鋼軌為電車供電。這兩根鋼軌平行鋪設在地面之上，互相隔離，一個鋼軌作為輸電線，另一根鋼軌作為迴流線，構成一個完整的直流電力循環系統。
（費奧多·皮諾託斯基發明的全世界第一臺有軌電車）
從1880年開始，費奧多在聖彼得堡選擇了一條雙層有軌馬車線路作為實驗對象，用電力機車替代馬匹，這次試驗被歷史學家們認為是世界上首次開通的商業運營電車線路。到了當年的8月份，該條線路就嘗試載客運營，這些嚐鮮的乘客，除了普通的市民，還有很多高聲抗議費奧多衝擊傳統運輸業的有軌馬車公司的業主們。整個試驗持續了1年時間，到了1880年底，由於資金短缺，試驗只好作罷。雖然費奧多首創的鐵路電氣化牽引技術沒能在商業應用中延續下去，但是他開創性的思路和技術成果，對全世界的電氣工程師和發明家們都是一個極好的啟發和借鑑。其中有一個叫卡爾·海因裡希·馮·西門子的人，對費奧多發明的電氣化技術非常感興趣，就詢問了大量的技術細節，費奧多毫無保留，傾囊相授。也許在他看來，與其因為缺乏資金讓技術束之高閣，還不如與志同道合之人互相分享，讓這項技術繼續發揚光大，造福萬民。毋庸諱言，費奧多在保護自己知識產權方面考慮很少，這也使得他發明雖多，卻沒有從中獲得一丁點收益，最終這位天才的發明家去世之時，竟然家徒四壁，連喪葬費都是別人勉強湊齊的。
這個向費奧多打聽電氣化技術的人不是別人，就是維爾納·馮·西門子的親哥哥——卡爾·西門子，他在免費獲得這些寶貴技術資料之後，就分享給了弟弟維爾納·西門子。有了費奧多奠定的基礎，西門子公司的後續研發柳暗花明，取得了重大技術突破，並於1881年在柏林建設並開通了世界上第二條能夠載客運營的電車線路——柏林至希特費爾德電車線路。線路全長2.4公里，採用100V直流電，電機安裝在機車底部兩個車輪之間的架子上面，提供的動能驅動機車的轉動軸，進而牽引機車前進。這臺機車能夠載客26人，運行速度48公里/小時，在近代鐵路歷史上留下了濃重的一筆。而全套電氣化技術的開創者費奧多·皮諾託斯基，則沉寂了百餘年之久，如今應該為其正名，並給予其應有的歷史地位。
【改良受電弓的發明家——查爾斯·範·德博萊】
（查爾斯·範·德博萊）
電車技術歐美爭霸賽首個出場的人物就是僅次於史伯格的天才發明家和電氣工程師查爾斯·範·德博萊。談起這個人的成就和生平，我們可以用“過早燃盡的火炬”來形容，因為他只活了46歲，卻在1879年至1887年這短短的8年時間裡做出了91項發明，所有發明均是基於電能的開發利用，涵蓋了電力照明、電動機、發電機、電動工具、變流器、電流控制設備等方方面面。
查爾斯·範·德博萊1846年出生於比利時西弗蘭德斯的利赫特菲爾德，是一名傢俱商的兒子。在他求學期間，他的父親就堅決讓他繼續做傢俱製造及銷售生意，德博萊服從父命，很快就掌握了傢俱製造技術，並利用業餘時間鑽研電氣化知識。1869年德博萊移民美國底特律，先是繼續做老本行的傢俱生意，後來全身心投入到了電氣技術研發之中。1874年，他開始涉獵有軌電車技術領域，經過多年研發便有了新突破，1883年在芝加哥建成了一條有軌電車線路。到了1887年的年底，北美已經開通運營了13條有軌電車線路，而其中的9條就是德博萊的傑作。德博萊在有軌電車領域最主要的貢獻，就是在1885年發明了“懸空電線輪滑式受電系統”，解決了之前有軌電車在運行過程中接受電流不穩定的難題。
（德博萊發明的有軌電車架空受電裝置）
在德博萊對受電系統改良之前，像西門子在1881年修建的柏林有軌電車線路和愛迪生在1880年修建的門洛帕克試驗電車線路，採用的都是地面或者地下供電方式，其中柏林的有軌電車採用的是地面第三軌供電，愛迪生的電車採用的是地下供電方式。由於供電軌暴露在外面，對過往行人和動物造成了嚴重的威脅，為了將危險降到安全範圍之內，就必須將電壓降低，所以就限制了電能的應用。並且當時的受電設備採用電刷（或者電鞋）接觸供電軌，從而為電動機提供原動力，而電刷（電鞋）故障頻繁，尤其是很容易產生電火花，燒壞電氣設備，造成供電中斷。
基於上述原因，架空供電方式就替代了地面第三軌供電方式。這種供電技術與現在採用的接觸網供電方式基本相同，那就是將供電柱子埋設在鐵路一側，上面張拉懸掛供電線，電車的頂部安裝受電弓和集電器等設備，與供電線滑動接觸，將電流引進機車，進而帶動電動機運行，驅動機車前進。德博萊的貢獻，就是發明了架空供電方式的輪滑式受電設備，這種輪滑受電裝置通過壓緊供電線，並隨著機車前進而滾動，能夠持續不斷地接受電流，一勞永逸地解決了地面第三軌供電的弊端。
如今的第三軌供電已經成了城市地鐵最常用的方式，這種技術重新煥發青春，說明有其過人之處。即使在一百多年前，第三軌供電也沒有被完全擯棄，而是長時間應用著，只不過不再是主流供電方法而已。除了第三軌供電之外，還有一種地下供電方式也很流行，就是在鐵路一側、或者兩根鋼軌之間修建電纜槽，供電纜設置在槽中。一般來說，對於城市景觀要求很高的城市，諸如美國的華盛頓、紐約等地，就嚴禁修建架空線路，那麼採用電纜槽地下供電方式就是唯一的選擇。
這種供電方法就是在地面下鋪設橢圓形或者矩形的鑄鐵管，上面開槽，裡面安裝供電線，機車的底部或者車輪一側安裝受電器，受電器伸入電纜槽與電線滑動接觸受電。這種有軌電車線路與城市纜車線路一模一樣，甚至在有軌電車的普及之初，城市纜車和地下供電的有軌電車就共用一條鐵路線，中間埋設兩個電纜槽，一個用於纜索，另一個用於有軌電車。然而，這種供電方式雖然保證了城市景觀，但是弊端也很多，一旦遇上陰天下雨或者電纜槽裡掉進垃圾等異物，就是一個大麻煩，金屬線很容易被腐蝕，造成設備損毀。氣候乾燥地區尚可應付，多雨陰溼地區就不適合採用該方法。
【美國傳奇電氣化工程師——利奧·達夫特】
（利奧·達夫特）
在美國，另一位不容忽視的爭霸賽選手叫利奧·達夫特，他的經歷也充滿了傳奇色彩，是在史伯格之前，對美國的有軌電車發展做出突出貢獻的人物，當然他對整個有軌電車技術的進步也付出了很大心血。利奧·達夫特1843年出生於英國的伯明翰，他父親是一名土木工程師，開辦了一家公司，專門生產溫室暖棚。達夫特從小也是在濃厚的技術氛圍中長大成人的，後來他畢業於英國利物浦大學，並隨後在倫敦大學繼續深造。1866年，他家族的企業遭遇財務危機而破產，為了償還債務，23歲的達夫特隻身一人去往美國，買完船票之後身無分文。他一貧如洗，首先到了巴爾迪摩，在一個鐵路建設工地賣苦力，掙夠了錢之後，就買了一架相機，當起了旅行攝影師，後來到了紐約州的卡茨基爾山的一個農莊，這才安定了下來，與農場主的女兒結婚生子。
這種世外桃源生活沒有維持多久，1878年，他的父親去世，隨後，達夫特返回了英國處理後事，從此之後，他才徹底投身到了電氣技術發明中去了。回到美國之後，達夫特移師新澤西州的格林威爾，在那裡他開始生產製造發電機等電氣設備。1883年11月24日，達夫特在薩拉託加和麥克格雷戈山鐵路上試驗他的電力機車“Ampere”號，機車開往目的地之時很順利，返程之時機車脫軌，但是沒有人受傷。
（利奧達夫特研製的“AMPERE”電力機車）
1885年，達夫特製造了3臺電力機車並提供配套發電設備，為巴爾的摩聯合客運鐵路的一條4.8公里的支線提供服務。達夫特之所以選擇這條線路，是因為這是一條有軌馬車線路，當時採用馬力牽引，沿線地勢兇險，坡度陡峭並且彎道很多，無數匹駿馬命喪於此，被稱為“馬匹殺手”。達夫特的電力機車非常成功，整整跑了一年時間，也沒出任何問題。
在此之前，也有電力機車斷斷續續在這條線路上使用，卻都不成功，因此達夫特成了這條鐵路提供常規服務的第一人。1885年8月10日，鐵路開張納客。很快，有軌電車的開通就吸引了很多客流，當年第一位乘坐有軌電車的旅客支付的那枚伍分鎳幣，現在還收藏在美國史密森研究院裡。
1886年，達夫特研發成功一臺160馬力的電力機車“本傑明·富蘭克林”號，在紐約城第九大道的高架鐵路上試車，但是不太成功。到了1888年，電力機車重新被改造，才繼續投入使用。此後，達夫特繼續在無軌電車（公共電車）領域繼續探索，並在新澤西州的阿什伯裡公園以及奧林奇分別修建了無軌電車線路。
達夫特在有軌電車領域的成功至此告一段落，他的事蹟不僅僅展示了一百多年美國那種朝氣蓬勃的創新精神，更為難得的是，達夫特用自己的奮鬥經歷，譜寫了一首不屈不撓、改變命運的交響詩。
【美國電力牽引之父——弗蘭克·朱利安·史伯格】
（弗蘭克·朱利安·史伯格）
在達夫特之後，真正將有軌電車技術臻於完善、並開始大規模商業推廣的人物就要登場了，這個人就是“美國電力牽引之父”弗蘭克·史伯格。弗蘭克·朱利安·史伯格1857年出生於康涅狄格州的米爾福德，後來考入美國海軍學院，畢業之後在海軍服役，並擔任工程師，在大學學習並參軍那幾年，史伯格展現出了超人的數學天賦，並接受了嚴謹學術訓練，能夠接觸到當時科技的最新進展，這就為他以後能在電氣領域創造奇蹟打下了基礎。
史伯格投身有軌電車的研發，也是從改良發電機開始的，早在海軍服役期間，他就發明了一臺倒置式直流發電機。後來他參加了1881年的巴黎國際電力博覽會，1882年又參加了英國西德納姆的水晶宮展覽會，讓他深受觸動，並開始思考在電氣化領域的研究方向。離開愛迪生的實驗室之後，史伯格就成立了自己的公司，專門搞電氣設備研發製造，並在1886年取得了系列技術成果。在那年，史伯格成功發明一臺新型發電機，能夠長期穩定運行，不產生電火花，採用再生制動技術。該機器一經推出，就取得了巨大成功，連愛迪生本人都對這臺機器讚不絕口。而再生制動技術更是史伯格的首創，這種技術通過電能轉化成機械能對機器進行制動，制動過程中摩擦產生的熱量不散失，而是重新變成電能反饋回電路，屬於環保節能的制動方式，這種獨到的再生制動技術至今仍然在高速動車組和電梯中採用，而高速動車組的前身，就是起源於有軌電車。
史伯格對有軌電車的另一個關鍵貢獻，就是改進了查爾斯·範·德博萊發明的高架供電線輪滑式受電裝置，這個裝置還有一個名稱叫“彈簧承壓觸輪杆”。史伯格改進了其齒輪結構，使之性能更加優越，可以被大範圍地裝配到有軌電車上面。從前面介紹的有軌電車技術先驅的事蹟就會知道，史伯格對有軌電車的最大貢獻，就是將前輩們發明的技術設備進行優化組合，並改進提升，使全套電車供電系統整體性能最優，並且這套系統是完全成熟可靠的，可以放心大膽地大規模推廣使用。
實話實說，搞單個發明固然重要，然而有本事將這些發明集合在一起進行商業化推廣，也是功德無量的偉業。史伯格不但發明了很多電氣設備，還能將遲遲不能形成規模效應的有軌電車走出了深閨，並將其推向了新世紀。從1887年底到1888年初，史伯格在弗吉尼亞州的里士滿市修建完成並開通了里士滿聯合客運鐵路，這是美國第一條非常成熟的商業化運營的有軌電車線路。
（1923年美國里士滿的有軌電車）
1888年2月2日，里士滿有軌電車開通運營，這條線路上一共投放了10輛電車，每輛電車安裝兩臺7.5馬力的電動機，採用高架電線供電，電壓採用直流450V。有軌電車分為大小兩種，大型的電車自重3.1噸，有40個座位，一次可運送100人；小型車輛重3噸，設置22個座位，可乘坐65人。電車一般運行速度12.1公里/小時，最高運行速度24公里/小時，可爬上30度的陡坡，也可通過半徑為58.88米的彎道。到了1888年6月，里士滿有軌電車投放量達到了40輛，線路長度延展到19公里，在商業上獲得了空前的成功。
這條有軌電車線路有多成功呢？看一組數據就會一清二楚，在這條鐵路開通僅僅1年時間，風靡一時的有軌馬車以閃電般的速度在城市街頭消失，而有軌電車線路雨後春筍般出現在美國各大城市之中。僅僅1年時間，美國就已經開通和正在修建110條有軌電車線路，用摧枯拉朽來形容史伯格有軌電車的擴散速度，一點都不誇張。
而與史伯格同時進行爭霸賽的，還有德國發明家西門子，作為世界上第二條能夠商業運營的電車線路的締造者，西門子對供電系統的改良也是煞費苦心。我們前面說過，西門子的電車線路是採用地面供電軌供電，不但電壓低，電車的速度還無法進一步提高，西門子最終也選擇採用高架供電系統。不過他研發的電車受流裝置與史伯格的發明雷同，而後者早已經申請了專利，西門子不得不修改自己的設計，將受電裝置做成個矩形金屬框架模樣，稱之為“集電器”。這種形式的受電弓在歐洲早期的電力機車上非常常見，幾乎成了標配。
在進入20世紀的前20年間，歐美等國的發明家和電氣工程師們前赴後繼，終於將電力牽引技術應用到了城市軌道交通運輸之中，讓安全環保快速的有軌電車橫空出世，並很快形成了燎原之勢，城市交通也隨之進入了電氣化的新世紀，並且在長達50年中，一直是城軌交通中的執牛耳者。從20世紀30年代開始，一直到了1960年代，這種流行幾十年的交通工具不斷遭遇寒流，全世界很多城市開始大範圍地拆除有軌電車線路，曾經必不可少的有軌電車為何受到如此冷落？原來，另一種新型交通工具經過多年的韜光養晦，最終形成了氣候，現在過來爭奪霸主寶座來了，這種交通工具就是汽車。
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