《跟著網紅老師玩科學》:特斯拉和愛迪生的交流電與直流電之爭

《跟著網紅老師玩科學》:特斯拉和愛迪生的交流電與直流電之爭
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我們想讓你知道的是

特斯拉發明了特斯拉線圈,促進交流電的應用,發明了交流電動機,還有其他數百項專利。他雖然是一個卓越的科學家和工程師,卻不是一個成功商人,他沒有從自己發明的交流電中獲得太多收益。

文:李永樂

最初法拉第發明的發電機是產生直流電的直流發電機,但我們現在很常使用的都是交流電。交流電焊直流電相比有什麼優勢呢?我們夠過講述歷史上一段耐人尋味的「電流大戰」來了解一下吧!

一、發明大王愛迪生和直流發電機

在法拉第發現電磁感應定律——磁場可以產生電流之後,各種用電器就如雨後春筍般出現,這裡面最重要的一項發明就是電燈泡。有一個人靠改進電燈泡積累了巨額財富,他就是美國發明大王湯瑪斯.愛迪生。

1878年到1880年,愛迪生與助手一起研製電燈泡,最終找到了可以點亮一千多小時的燈絲材料。1881年,愛迪生在巴黎世博會上展出一台重二十七噸、可供一千二百台電燈照明的發電設備,從此名揚世界。1882年,愛迪生在紐約金融街創辦了自己的直流電力公司,負責向用戶提供燈泡等用電設備和電力供應,迅速積累巨額財富。

但是直流電有一個巨大的缺陷:直流電不能變壓。

當發電廠產生電能之後,需要透過導線傳輸給使用者。使用者用電時,導線上也會損耗一部分能量。用戶的功率P等於發電廠發出來的功率減去導線上損耗的功率P

發電廠發出來的電功率P等於電壓U與電流I的乘積:P=UI,電壓愈大,電流愈大,傳輸的功率也愈大。導線上損耗的功率等於電流平方與電阻R的乘積P=I2R,電流愈大,導線電阻愈大,損耗的功率就愈大。用戶獲得的功率是二者之差P=UI-I2R。

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如何才能降低導線上的功率損耗呢?首先人們想到了減小電阻R。一般而言,銅的電阻較小,所以導線通常使用銅製作,同時,減小導線長度、增加導線截面積也可以降低導線電阻。但是即便是這樣,當用戶多、電流大的時候,導線上的損耗依然很大。這麼大的熱功率不僅浪費電能,更重要的是會使導線變熱,引起火災。

要進一步降低導線上的能量損耗,就需要減小電流I。但在功率P一定的情況下,減小電流就必須提高電壓U。例如輸電功率同樣是100W,如果電壓是100V,電路中的電流就是1A;如果電路中電壓是1000V,電流就是0.1A。電流減小了十倍,損耗功率就會變為原來的百分之一。

不過發電廠發出的電壓也不能特別高,因為這樣的話,用戶一端的燈泡全都會因為承受不了高壓而爆掉。

那怎麼辦?愛迪生的回答是:「那好吧!我們就每隔一英里建一個發電廠,這樣導線的電阻就小了。」

二、變壓器和高壓輸電

這種方式顯然會使得用電的成本大大提高,有沒有辦法在輸電時使用高壓,到達用戶階段,再使用低壓呢?例如現代的電網基本原理就是下面這樣:

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首先,發電廠發出的電壓透過升壓變壓器變為高壓,透過高壓電線輸電, 到達用戶一端時,透過降壓變壓器降壓,再輸送給用戶。
為了理解這個過程,我們需要對變壓器有所了解。

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變壓器也是靠電磁感應而工作。有一個「回」字形的鐵心,左端纏繞著一個導線線圈,稱為「原線圈」,右端也纏繞著一個線圈,稱為「副線圈」。當一個變化電流(交流電)通過原線圈時,由於原線圈電流發生變化,造成原線圈的磁場也發生變化,這個磁場會通過副線圈,造成副線圈的磁場也發生變化,就好像法拉第實驗中的磁鐵插入或拔出線圈一樣,副線圈中就會產生電流。而且根據法拉第電磁感應定律,如果原線圈有N1匝,副線圈有N2匝,原線圈電壓U1,副線圈電壓U2,那麼兩個電壓之間的關係為:

U1:U2 = N1:N2

透過調整兩個線圈的匝數關係,就可以實現升壓和降壓。

但是變壓器要工作,必須使用交流電。因為恆定電流通過原線圈時,由於電流不變,磁場也不變,副線圈中就不會產生電磁感應現象。於是一些科學家就想到:是否應該使用交流電來代替直流電。

三、交流電之父:尼古拉.特斯拉

說到交流電就不得不提到尼古拉.特斯拉。

特斯拉是塞爾維亞的科學家,年輕時就一直思考著交流電和交流發電機的構想,但是一直沒有實現。他覺得世界上有一個人可以幫助他實現夢想,這個人就是愛迪生,於是他在1884年來到紐約,並加入了愛迪生的公司。

特斯拉向愛迪生闡述了自己的想法,但是並沒有獲得愛迪生的支持,不過愛迪生還是僱用了特斯拉,並請他改進公司的直流發電機。愛迪生許諾: 直流發電機改好後,特斯拉將獲得五萬美元的獎金。當時的五萬美元不是個小數字,可以在紐約買一所房子。

年輕的特斯拉夜以繼日地工作,每天從早上十點工作到隔天淩晨五點。但是當他工作完成後向愛迪生要報酬的時,愛迪生只是大笑,並對他說:「特斯拉先生,看來你是不懂美式幽默。」

特斯拉一怒之下離開了愛迪生的公司,透過體力活維持生計。一年多以後,在投資人的資助下,特斯拉終於創辦了自己的交流電力公司,並生產各種基於交流電的發電、變壓和用電設備。西屋電氣公司的老闆喬治.威斯汀豪斯在看過特斯拉的展示後,購買了特斯拉的所有專利,並以3.5美元每千瓦小時向特斯拉支付版權費。如果這個版權延續到今天,特斯拉積累的版權費會是一個天文數字, 因為現在全世界都在使用交流電。2017年,全球發電量24萬億千瓦小時,大部分都是交流電。

四、電流大戰

由於交流電對比直流電有著先天優勢,以直流電為主業的愛迪生對此十分惱火,並決定透過各種方式詆毀交流電。愛迪生向公眾強調:交流電是危險的,必須禁止。他使用交流電公開處決如大象等大型動物,並把處決過程拍攝成電影播放給公眾,甚至透過自己的關係遊說國會,將死刑犯的行刑方式從絞刑改為電椅。

1890年,世界上第一例電椅實驗在紐約的監獄展開,由於經驗不足,火苗從罪犯的脊柱躥出,但是罪犯卻還活著。

1893年芝加哥世博會是人類歷史上第一次使用電燈照明的世博會,而這場交流電和直流電的戰鬥也在此進入白熱化。當時愛迪生公司已經改名為通用電氣公司,首要任務就是要攬到這項工作。他們對政府開價大約一百萬美元,但是特斯拉的公司開價只有他們的一半,顯然,愛迪生沒有拿到這項工程,而特斯拉得到了一個創造歷史的機會。

1893年5月1日,十萬觀眾湧入世博園區,夜幕降臨,克里夫蘭總統按下按鈕,整個世博園區的數萬盞燈泡被特斯拉的交流電點亮,人類從未見過如此的情景,對那個時代的人來說,這就是未來。

在世博會上,特斯拉為了消除公眾對交流電的恐懼,向人們展示了奇妙的實驗:他身著禮服,腳穿木鞋,雙手接通電路,用身體做為導線通過交流電,全身閃著電火花。而且在那之後,他似乎就迷戀上了閃電,經常在放著閃電的實驗室看書,這種讓人看著都害怕的東西仿佛是特斯拉的寵物一樣溫順。

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閃電是我的寵物,但大家還是要注意用電安全。

世博會讓人們留下深刻的印象,特斯拉也一度成為當時的風雲人物,他小時候有一個夢想——將尼加拉瀑布奔騰的水流變為電能,現在就是他實現夢想的時候了。

1896年,特斯拉主持建造了尼加拉水電廠,強大的水流推動巨大的發電機,提供了4000KW的電能,透過變壓器升壓到22000V,再透過高壓電線輸送到360英里之外的紐約,透過降壓變壓器降壓後,供電給交流電動機、電燈泡和電車等用電設備。在特斯拉的帶領下,電能真正走進了千家萬戶。

五、普羅米修士式的科學家

特斯拉發明了特斯拉線圈,促進交流電的應用,發明了交流電動機,還有其他數百項專利,有一種說法是:科學界有兩個被嚴重低估的天才,一個是李奧納多.達文西,另一個就是尼古拉.特斯拉。

他雖然是一個卓越的科學家和工程師,但卻不是一個成功的商人,他沒有從自己發明的交流電中獲得太多收益,而且由於太沉迷於無線輸電技術——一種不用導線就可以輸電的新技術研究,而被資本家們所拋棄。

世界沒有認識到這位天才的價值,晚年的特斯拉孤獨地住在紐約的小旅館裡, 被計程車撞了卻無錢醫治,還是以前的東家——西屋電氣公司幫他支付了醫藥費。

在第二次世界大戰時,特斯拉曾經向美國政府提出兩個建議:天氣風暴和死光武器。1943年1月8日,總統安排特斯拉在白宮會面,但是前一天夜裡,他在住的小旅館裡去世了,紐約市長在電台中發布訃告:

昨晚,一位八十七歲的老人去世了,他去世時一貧如洗,卻是對這個世界貢獻最多的人。如果把他的發明從生活中抽走,那麼工廠車間將停止運轉,電車將停止運動,我們的城市將陷入黑暗。特斯拉並沒有死,他的生命已經融入了我們的時代。

特斯拉兩次和諾貝爾獎失之交臂,第一次是無線電的發明。他最早進行了無線電通信的演示並獲得專利,但是美國專利局卻撤銷了他的專利,轉而授予馬可尼,並使馬可尼獲得了1909年的諾貝爾獎。1915年,《紐約時報》頭版刊文:瑞典政府已經決定將本年度的諾貝爾物理學獎頒發給湯瑪斯.愛迪生和尼古拉.特斯拉,特斯拉也登上了《時代週刊》的封面。但一周之後,諾貝爾獎卻授予給了牛津大學的布拉格。傳說這是因為特斯拉拒絕與愛迪生分享諾貝爾獎,而這個謎團至今也沒有得到解釋。

為了獎勵特斯拉的貢獻,美國電氣工程師協會(現合併為電氣電子工程師協會IEEE)決定授予協會的最高獎章——愛迪生獎章。

顯而易見,特斯拉沒有去領獎。

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本文摘錄自《跟著網紅老師玩科學:十分鐘搞懂數學、物理及生活科學》,時報出版
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作者:李永樂

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核稿編輯:翁世航