特斯拉和愛迪生 到底誰贏了?

曾經,愛迪生作為課本中那個最偉大的發明家,一直是廣大中小學生作文中的常客。而特斯拉則總是面目模糊,到了高中,才會在物理課上接觸到以他名字命名的單位。但隨着網絡的傳播,愛迪生卻日益市儈化,而特斯拉則成為了不少人心目中與愛因斯坦比肩的神秘科學家。他們的恩怨也成為了街頭巷尾的談資。

今天我們就從二人間爆發的電流大戰說起,不談商業,也不談人心,只從技術原理上聊聊這些普通而又有趣的事實。

特斯拉和愛迪生 到底誰贏了?

特斯拉(左)與愛迪生(右) 圖片來源:scienceabc

眾所周知,特斯拉和愛迪生的電流大戰中,愛迪生在個人上壓了特斯拉一頭,卻在技術上最終失敗,交流電成為了電力系統的絕對霸主。

現在小朋友都知道家里用的是交流電,那為什麼愛迪生卻偏要選擇直流電呢?以特斯拉為代表的交流供電系統又是如何擊敗直流電的呢?

在談這些問題之前,首先我們要明確一點,特斯拉不是交流電的發明者。交流電的產生方法,法拉第在1831年研究電磁感應現象時就知道了,那時候特斯拉還沒出生呢。

特斯拉十幾歲的時候,大型交流發電機就已經存在了。

實際上,特斯拉所做的工作和瓦特十分接近,就是對交流發電機進行了改進,使其更適用於大規模交流電力系統。這也是促成電流大戰中交流電系統勝出的因素之一。

與之相同,愛迪生也不是直流電和直流發電機的發明人,但他同樣在直流電的推廣中發揮了重要作用。

因此,與其說這是特斯拉和愛迪生之間的戰爭,不如說這是兩種供電系統及其背後的商業集團的戰爭。

PS:查資料過程中看到有人說法拉第發明了世界上第一台交流發電機——圓盤發電機。其實這個說法是錯的,從原理圖上可以看出,圓盤發電機是一種直流發電機。

為什麼愛迪生選擇了直流電

電力系統可以簡單分為三部分:發電(發電機)——輸(配)電(變壓器、線路、開關等)——用電(各種用電設備)。

在愛迪生那個時代(十九世紀八十年代),直流電力系統,發電有成熟的直流發電機,輸電不需要變壓器,只要架起導線就行了。

至於負荷方面,當時大家主要用電做兩個工作,照明和驅動電機。對於照明所用的白熾燈來說,只要電壓穩定,並不在乎直流還是交流。而對於電機,由於技術原因,交流電動機還沒有商業應用,大家都在用直流電動機。這種環境下,直流電力系統可謂是左右逢源。

而且,直流電有個交流電不能比擬的好處,方便存儲,只要有蓄電池就可以儲存起來。如果供電系統發生故障,可以快速切換到蓄電池供電,以備不時之需。我們常用的UPS系統,其實就是直流蓄電池,不過在輸出端通過電力電子技術轉換成了交流電。甚至發電廠、變電站都要配備直流蓄電池,保證關鍵設備的電力供應。

特斯拉和愛迪生 到底誰贏了?
UPS原理圖 圖片來源:原創

那麼,當時的交流電是什麼樣子呢?可以說一個能打的都沒有。成熟的交流發電機——不存在;輸電用的變壓器——效率非常低(採用直線型鐵心結構造成的磁阻和漏磁通過大);至於用戶,直流電動機如果通上交流電,做擺錘還差不多,只能算個擺設。

最重要的是用戶體驗——供電穩定性非常差。交流電不僅不能像直流電一樣存儲,而且當時交流電系統採用串聯負載,線路上有一個負載的加入和切除,都會引起整個線路電壓的變化。誰也不希望隔壁開關燈的時候,自家燈泡忽明忽暗吧。

交流電是如何崛起的

技術是發展的,很快,1884年,匈牙利人發明了高效的閉式鐵心變壓器。這種變壓器的鐵心構成了完整的磁路,可以極大地提高變壓器的效率,避免能量損耗,與我們今天用的變壓器結構基本相同。隨着串聯供電系統被並聯供電系統取代,穩定性問題也被解決了。

有了這些契機,特斯拉終於登場了,他發明了實用的交流發電機,並能夠與這種新型變壓器配套使用。事實上,在特斯拉同時期,關於交流發電機的發明專利有幾十項,但特斯拉的更具優勢,且被西屋公司看重並大規模推廣。

至於用電方面的需求嘛,沒有需求,那就創造需求。之前的交流電力系統都是單相交流電,而特斯拉發明了實用的多相交流異步電機,讓交流電有了大展身手的機會。

多相交流電的好處有很多,例如輸電線路和電氣設備結構簡單、成本更低,其中最特別的一項是,就是在電機驅動上。多相交流電由相位互差一定角度的正弦交流電組成,大家都知道,變化的電流可以產生變化的磁場,而通過將多個相位不同的交流電按照圓周排布,磁場的角度也會隨着電流的變化而改變。排布合理的話,磁場就會以一定的頻率旋轉。如果用在電動機里,就可以帶動轉子旋轉,這就是多相交流電機。

特斯拉在此原理上發明的電機,甚至都不需要專門為轉子提供磁場,大大簡化了電動機的結構和成本。有趣的是,馬斯克的「特斯拉」電動車,也是採用交流異步電機,而不像我國電動車主要用同步電機。

特斯拉和愛迪生 到底誰贏了?
交流異步電機 圖片來源:SlideShare

到了這里,我們發現,交流電已經在發電、輸電和用電方面和直流電平起平坐了,那又是如何一飛沖天,占據整個電力市場的呢?

關鍵就在成本,二者輸送過程中的損耗的差異,徹底拉開了直流和交流輸電的差距。

學過基本的電學知識,就會知道,在長距離輸電中,較低的電壓會導致較大的損耗,這個損耗來自於線路電阻的發熱,會平白增加電廠的成本。

愛迪生的直流發電機輸出電壓是110V,這樣低的電壓,需要在每個用戶附近都設置發電站。在用電量大,用戶密集的地區,供電范圍甚至只有幾公里。例如1882年愛迪生在建成的第一個直流供電系統,只能為電廠周圍1.5km的用戶供電。

且不說如此多的電廠的基建成本,就是電廠的動力來源也是大問題。當時為了節約成本,電廠最好是建在河流附近,這樣可以直接用水力發電。但為了給遠離水力資源的地區供電,就得靠火力發電,燒煤使成本也一下提高了不少。

另一個問題,也是長距離輸電造成的,線路越長,電阻越大,線路壓降就越多,最遠端的用戶電壓可能低到無法使用。解決的辦法只有提高發電廠輸出的電壓,但又會造成近處用戶電壓過高,燒壞了設備怎麼辦?

交流電卻不存在這樣的問題,只要用變壓器進行升壓,幾十公里的輸電都不在話下。北美第一個交流供電系統,便可以用4000V電壓為21km外的用戶供電。後來,採用西屋公司交流電力系統,甚至可以讓尼亞加拉瀑布為30公里外的法布羅供電。

特斯拉和愛迪生 到底誰贏了?
尼加拉瀑布的水電站

遺憾的是,直流電沒法用這種方式升壓。因為交流電升壓所採用的原理是電磁感應,簡單地說,就是變壓器一側變化的電流產生變化的磁場,變化的磁場又在另一側產生變化的感應電壓(電動勢)。變壓器要工作,關鍵在於電流要變化,而這恰恰是直流電所不具備的。

在具備了這一系列技術條件後,交流供電系統便以其低廉的成本一騎絕塵,將直流電徹底擊敗,愛迪生的直流電公司,很快被改製成另一家著名的電氣公司——美國通用電氣。

來源:cnBeta