爱迪生|特斯拉和爱迪生,到底谁赢了?

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 。

爱迪生|特斯拉和爱迪生,到底谁赢了?
△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?
【爱迪生|特斯拉和爱迪生,到底谁赢了?】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 。
为什么爱迪生选择了直流电
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 。

爱迪生|特斯拉和爱迪生,到底谁赢了?
△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 。
交流电是如何崛起的
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 。 这种变压器的铁心构成了完整的磁路 , 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 。

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△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 。

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△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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