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特斯拉和爱迪生,到底谁赢了?

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  出品:科普中国

  制作:蓝巾(科学有段子)

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  曾经,爱迪生作为课本中那个最伟大的发明家,一直是广大中小学生作文中的常客。而特斯拉则总是面目模糊,到了高中,才会在物理课上接触到以他名字命名的单位。

  但随着网络的传播,爱迪生却日益市侩化,而特斯拉则成为了不少人心目中与爱因斯坦比肩的神秘科学家。他们的恩怨也成为了街头巷尾的谈资。

  今天我们就从二人间爆发的电流大战说起,不谈商业,也不谈人心,只从技术原理上聊聊这些普通而又有趣的事实。


  △特斯拉(左)与爱迪生(右)

  图片来源:scienceabc

  众所周知,特斯拉和爱迪生的电流大战中,爱迪生在个人上压了特斯拉一头,却在技术上最终失败,交流电成为了电力系统的绝对霸主。现在小朋友都知道家里用的是交流电,那为什么爱迪生却偏要选择直流电呢?以特斯拉为代表的交流供电系统又是如何击败直流电的呢?

  在谈这些问题之前,首先我们要明确一点,特斯拉不是交流电的发明者。交流电的产生方法,法拉第在1831年研究电磁感应现象时就知道了,那时候特斯拉还没出生呢。特斯拉十几岁的时候,大型交流发电机就已经存在了。

  实际上,特斯拉所做的工作和瓦特十分接近,就是对交流发电机进行了改进,使其更适用于大规模交流电力系统。这也是促成电流大战中交流电系统胜出的因素之一。与之相同,爱迪生也不是直流电和直流发电机的发明人,但他同样在直流电的推广中发挥了重要作用。

  因此,与其说这是特斯拉和爱迪生之间的战争,不如说这是两种供电系统及其背后的商业集团的战争。

  PS:查资料过程中看到有人说法拉第发明了世界上第一台交流发电机——圆盘发电机。其实这个说法是错的,从原理图上可以看出,圆盘发电机是一种直流发电机。

  电力系统可以简单分为三部分:发电(发电机)——输(配)电(变压器、线路、开关等)——用电(各种用电设备)。

  在爱迪生那个时代(十九世纪八十年代),直流电力系统,发电有成熟的直流发电机,输电不需要变压器,只要架起导线就行了。

  至于负荷方面,当时大家主要用电做两个工作,照明和驱动电机。对于照明所用的白炽灯来说,只要电压稳定,并不在乎直流还是交流。而对于电机,由于技术原因,交流电动机还没有商业应用,大家都在用直流电动机。这种环境下,直流电力系统可谓是左右逢源。

  而且,直流电有个交流电不能比拟的好处,方便存储,只要有蓄电池就可以储存起来。如果供电系统发生故障,可以快速切换到蓄电池供电,以备不时之需。我们常用的UPS系统,其实就是直流蓄电池,不过在输出端通过电力电子技术转换成了交流电。甚至发电厂、变电站都要配备直流蓄电池,保证关键设备的电力供应。


  △UPS原理图

  图片来源:原创

  那么,当时的交流电是什么样子呢?可以说一个能打的都没有。成熟的交流发电机——不存在;输电用的变压器——效率非常低(采用直线型铁心结构造成的磁阻和漏磁通过大);至于用户,直流电动机如果通上交流电,做摆锤还差不多,只能算个摆设。

  最重要的是用户体验——供电稳定性非常差。交流电不仅不能像直流电一样存储,而且当时交流电系统采用串联负载,线路上有一个负载的加入和切除,都会引起整个线路电压的变化。谁也不希望隔壁开关灯的时候,自家灯泡忽明忽暗吧。

  技术是发展的,很快,1884年,匈牙利人发明了高效的闭式铁心变压器。这种变压器的铁构成了完整的磁路,可以极大地提高变压器的效率,避免能量损耗,与我们今天用的变压器结构基本相同。随着串联供电系统被并联供电系统取代,稳定性问题也被解决了。

  有了这些契机,特斯拉终于登场了,他发明了实用的交流发电机,并能够与这种新型变压器配套使用。事实上,在特斯拉同时期,关于交流发电机的发明专利有几十项,但特斯拉的更具优势,且被西屋公司看重并大规模推广。

  至于用电方面的需求嘛,没有需求,那就创造需求。之前的交流电力系统都是单相交流电,而特斯拉发明了实用的多相交流异步电机,让交流电有了大展身手的机会。

  多相交流电的好处有很多,例如输电线路和电气设备结构简单、成本更低,其中最特别的一项是,就是在电机驱动上。多相交流电由相位互差一定角度的正弦交流电组成,大家都知道,变化的电流可以产生变化的磁场,而通过将多个相位不同的交流电按照圆周排布,磁场的角度也会随着电流的变化而改变。排布合理的话,磁场就会以一定的频率旋转。如果用在电动机里,就可以带动转子旋转,这就是多相交流电机。

  特斯拉在此原理上发明的电机,甚至都不需要专门为转子提供磁场,大大简化了电动机的结构和成本。有趣的是,马斯克的“特斯拉”电动车,也是采用交流异步电机,而不像我国电动车主要用同步电机。


  △交流异步电机

  图片来源:SlideShare

  到了这里,我们发现,交流电已经在发电、输电和用电方面和直流电平起平坐了,那又是如何一飞冲天,占据整个电力市场的呢?

  关键就在成本,二者输送过程中的损耗的差异,彻底拉开了直流和交流输电的差距

  学过基本的电学知识,就会知道,在长距离输电中,较低的电压会导致较大的损耗,这个损耗来自于线路电阻的发热,会平白增加电厂的成本。

  爱迪生的直流发电机输出电压是110V,这样低的电压,需要在每个用户附近都设置发电站。在用电量大,用户密集的地区,供电范围甚至只有几公里。例如1882年爱迪生在建成的第一个直流供电系统,只能为电厂周围1.5km的用户供电。

  且不说如此多的电厂的基建成本,就是电厂的动力来源也是大问题。当时为了节约成本,电厂最好是建在河流附近,这样可以直接用水力发电。但为了给远离水力资源的地区供电,就得靠火力发电,烧煤使成本也一下提高了不少。

  另一个问题,也是长距离输电造成的,线路越长,电阻越大,线路压降就越多,最远端的用户电压可能低到无法使用。解决的办法只有提高发电厂输出的电压,但又会造成近处用户电压过高,烧坏了设备怎么办?

  交流电却不存在这样的问题,只要用变压器进行升压,几十公里的输电都不在话下。北美第一个交流供电系统,便可以用4000V电压为21km外的用户供电。后来,采用西屋公司交流电力系统,甚至可以让尼亚加拉瀑布为30公里外的法布罗供电。


  △尼加拉瀑布的水电站

  图片来源:https://www.wakingtimes.com/monopoly-of-hydro-electricity/

  遗憾的是,直流电没法用这种方式升压。因为交流电升压所采用的原理是电磁感应,简单地说,就是变压器一侧变化的电流产生变化的磁场,变化的磁场又在另一侧产生变化的感应电压(电动势)。变压器要工作,关键在于电流要变化,而这恰恰是直流电所不具备的。

  在具备了这一系列技术条件后,交流供电系统便以其低廉的成本一骑绝尘,将直流电彻底击败,爱迪生的直流电公司,很快被改制成另一家著名的电气公司——美国通用电气。


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