出品：科普中國(guó)
制作：藍(lán)巾（科學(xué)有段子）
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曾經(jīng)，愛(ài)迪生作為課本中那個(gè)最偉大的發(fā)明家，一直是廣大中小學(xué)生作文中的常客。而特斯拉則總是面目模糊，到了高中，才會(huì)在物理課上接觸到以他名字命名的單位。
但隨著網(wǎng)絡(luò)的傳播，愛(ài)迪生卻日益市儈化，而特斯拉則成為了不少人心目中與愛(ài)因斯坦比肩的神秘科學(xué)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(fā)的電流大戰(zhàn)說(shuō)起，不談商業(yè)，也不談人心，只從技術(shù)原理上聊聊這些普通而又有趣的事實(shí)。
△特斯拉（左）與愛(ài)迪生（右）
圖片來(lái)源：scienceabc
眾所周知，特斯拉和愛(ài)迪生的電流大戰(zhàn)中，愛(ài)迪生在個(gè)人上壓了特斯拉一頭，卻在技術(shù)上最終失敗，交流電成為了電力系統(tǒng)的絕對(duì)霸主。現(xiàn)在小朋友都知道家里用的是交流電，那為什么愛(ài)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(tǒng)又是如何擊敗直流電的呢？
在談這些問(wèn)題之前，首先我們要明確一點(diǎn)，特斯拉不是交流電的發(fā)明者。交流電的產(chǎn)生方法，法拉第在1831年研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)就知道了，那時(shí)候特斯拉還沒(méi)出生呢。特斯拉十幾歲的時(shí)候，大型交流發(fā)電機(jī)就已經(jīng)存在了。
實(shí)際上，特斯拉所做的工作和瓦特十分接近，就是對(duì)交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，使其更適用于大規(guī)模交流電力系統(tǒng)。這也是促成電流大戰(zhàn)中交流電系統(tǒng)勝出的因素之一。與之相同，愛(ài)迪生也不是直流電和直流發(fā)電機(jī)的發(fā)明人，但他同樣在直流電的推廣中發(fā)揮了重要作用。
因此，與其說(shuō)這是特斯拉和愛(ài)迪生之間的戰(zhàn)爭(zhēng)，不如說(shuō)這是兩種供電系統(tǒng)及其背后的商業(yè)集團(tuán)的戰(zhàn)爭(zhēng)。
PS：查資料過(guò)程中看到有人說(shuō)法拉第發(fā)明了世界上第一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)——圓盤發(fā)電機(jī)。其實(shí)這個(gè)說(shuō)法是錯(cuò)的，從原理圖上可以看出，圓盤發(fā)電機(jī)是一種直流發(fā)電機(jī)。
電力系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單分為三部分：發(fā)電（發(fā)電機(jī)）——輸（配）電（變壓器、線路、開(kāi)關(guān)等）——用電（各種用電設(shè)備）。
在愛(ài)迪生那個(gè)時(shí)代（十九世紀(jì)八十年代），直流電力系統(tǒng)，發(fā)電有成熟的直流發(fā)電機(jī)，輸電不需要變壓器，只要架起導(dǎo)線就行了。
至于負(fù)荷方面，當(dāng)時(shí)大家主要用電做兩個(gè)工作，照明和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。對(duì)于照明所用的白熾燈來(lái)說(shuō)，只要電壓穩(wěn)定，并不在乎直流還是交流。而對(duì)于電機(jī)，由于技術(shù)原因，交流電動(dòng)機(jī)還沒(méi)有商業(yè)應(yīng)用，大家都在用直流電動(dòng)機(jī)。這種環(huán)境下，直流電力系統(tǒng)可謂是左右逢源。
而且，直流電有個(gè)交流電不能比擬的好處，方便存儲(chǔ)，只要有蓄電池就可以儲(chǔ)存起來(lái)。如果供電系統(tǒng)發(fā)生故障，可以快速切換到蓄電池供電，以備不時(shí)之需。我們常用的UPS系統(tǒng)，其實(shí)就是直流蓄電池，不過(guò)在輸出端通過(guò)電力電子技術(shù)轉(zhuǎn)換成了交流電。甚至發(fā)電廠、變電站都要配備直流蓄電池，保證關(guān)鍵設(shè)備的電力供應(yīng)。
△UPS原理圖
圖片來(lái)源：原創(chuàng)
那么，當(dāng)時(shí)的交流電是什么樣子呢？可以說(shuō)一個(gè)能打的都沒(méi)有。成熟的交流發(fā)電機(jī)——不存在；輸電用的變壓器——效率非常低（采用直線型鐵心結(jié)構(gòu)造成的磁阻和漏磁通過(guò)大）；至于用戶，直流電動(dòng)機(jī)如果通上交流電，做擺錘還差不多，只能算個(gè)擺設(shè)。
最重要的是用戶體驗(yàn)——供電穩(wěn)定性非常差。交流電不僅不能像直流電一樣存儲(chǔ)，而且當(dāng)時(shí)交流電系統(tǒng)采用串聯(lián)負(fù)載，線路上有一個(gè)負(fù)載的加入和切除，都會(huì)引起整個(gè)線路電壓的變化。誰(shuí)也不希望隔壁開(kāi)關(guān)燈的時(shí)候，自家燈泡忽明忽暗吧。
技術(shù)是發(fā)展的，很快，1884年，匈牙利人發(fā)明了高效的閉式鐵心變壓器。這種變壓器的鐵心構(gòu)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(jié)構(gòu)基本相同。隨著串聯(lián)供電系統(tǒng)被并聯(lián)供電系統(tǒng)取代，穩(wěn)定性問(wèn)題也被解決了。
有了這些契機(jī)，特斯拉終于登場(chǎng)了，他發(fā)明了實(shí)用的交流發(fā)電機(jī)，并能夠與這種新型變壓器配套使用。事實(shí)上，在特斯拉同時(shí)期，關(guān)于交流發(fā)電機(jī)的發(fā)明專利有幾十項(xiàng)，但特斯拉的則更具優(yōu)勢(shì)，且被西屋公司看重并大規(guī)模推廣。
至于用電方面的需求嘛，沒(méi)有需求，那就創(chuàng)造需求。之前的交流電力系統(tǒng)都是單相交流電，而特斯拉發(fā)明了實(shí)用的多相交流異步電機(jī)，讓交流電有了大展身手的機(jī)會(huì)。
多相交流電的好處有很多，例如輸電線路和電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本更低，其中最特別的一項(xiàng)是，就是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而通過(guò)將多個(gè)相位不同的交流電按照?qǐng)A周排布，磁場(chǎng)的角度也會(huì)隨著電流的變化而改變。排布合理的話，磁場(chǎng)就會(huì)以一定的頻率旋轉(zhuǎn)。如果用在電動(dòng)機(jī)里，就可以帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這就是多相交流電機(jī)。
特斯拉在此原理上發(fā)明的電機(jī)，甚至都不需要專門為轉(zhuǎn)子提供磁場(chǎng)，大大簡(jiǎn)化了電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和成本。有趣的是，馬斯克的“特斯拉”電動(dòng)車，也是采用交流異步電機(jī)，而不像我國(guó)電動(dòng)車主要用同步電機(jī)。
△交流異步電機(jī)
圖片來(lái)源：SlideShare
到了這里，我們發(fā)現(xiàn)，交流電已經(jīng)在發(fā)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(jù)整個(gè)電力市場(chǎng)的呢？
關(guān)鍵就在成本，二者輸送過(guò)程中的損耗的差異，徹底拉開(kāi)了直流和交流輸電的差距。
學(xué)過(guò)基本的電學(xué)知識(shí)，就會(huì)知道，在長(zhǎng)距離輸電中，較低的電壓會(huì)導(dǎo)致較大的損耗，這個(gè)損耗來(lái)自于線路電阻的發(fā)熱，會(huì)平白增加電廠的成本。
愛(ài)迪生的直流發(fā)電機(jī)輸出電壓是110V，這樣低的電壓，需要在每個(gè)用戶附近都設(shè)置發(fā)電站。在用電量大，用戶密集的地區(qū)，供電范圍甚至只有幾公里。例如1882年愛(ài)迪生在建成的第一個(gè)直流供電系統(tǒng)，只能為電廠周圍1.5km的用戶供電。
且不說(shuō)如此多的電廠的基建成本，就是電廠的動(dòng)力來(lái)源也是大問(wèn)題。當(dāng)時(shí)為了節(jié)約成本，電廠最好是建在河流附近，這樣可以直接用水力發(fā)電。但為了給遠(yuǎn)離水力資源的地區(qū)供電，就得靠火力發(fā)電，燒煤使成本也一下提高了不少。
另一個(gè)問(wèn)題，也是長(zhǎng)距離輸電造成的，線路越長(zhǎng)，電阻越大，線路壓降就越多，最遠(yuǎn)端的用戶電壓可能低到無(wú)法使用。解決的辦法只有提高發(fā)電廠輸出的電壓，但又會(huì)造成近處用戶電壓過(guò)高，燒壞了設(shè)備怎么辦？
交流電卻不存在這樣的問(wèn)題，只要用變壓器進(jìn)行升壓，幾十公里的輸電都不在話下。北美第一個(gè)交流供電系統(tǒng)，便可以用4000V電壓為21km外的用戶供電。后來(lái)，采用西屋公司交流電力系統(tǒng)，甚至可以讓尼亞加拉瀑布為30公里外的法布羅供電。
△尼加拉瀑布的水電站
圖片來(lái)源：https://www.wakingtimes.com/monopoly-of-hydro-electricity/
遺憾的是，直流電沒(méi)法用這種方式升壓。因?yàn)榻涣麟娚龎核捎玫脑硎请姶鸥袘?yīng)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是變壓器一側(cè)變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又在另一側(cè)產(chǎn)生變化的感應(yīng)電壓（電動(dòng)勢(shì)）。變壓器要工作，關(guān)鍵在于電流要變化，而這恰恰是直流電所不具備的。
在具備了這一系列技術(shù)條件后，交流供電系統(tǒng)便以其低廉的成本一騎絕塵，將直流電徹底擊敗，愛(ài)迪生的直流電公司，很快被改制成另一家著名的電氣公司——美國(guó)通用電氣。
