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出品：科普中國

制作：藍巾（科學有段子）

監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心

曾經(jīng)，愛迪生作為課本中那個最偉大的發(fā)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。

但隨著網(wǎng)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(fā)的電流大戰(zhàn)說起，不談商業(yè)，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（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(zhàn)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(tǒng)的絕對霸主。現(xiàn)在小朋友都知道家里用的是交流電，那為什么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(tǒng)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(fā)明者。交流電的產(chǎn)生方法，法拉第在1831年研究電磁感應現(xiàn)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(fā)電機就已經(jīng)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(fā)電機進行了改進，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，愛迪生也不是直流電和直流發(fā)電機的發(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，與其說這是特斯拉和愛迪生之間的戰(zhàn)爭，不如說這是兩種供電系統(tǒng)及其背后的商業(yè)集團的戰(zhàn)爭。

PS：查資料過程中看到有人說法拉第發(fā)明了世界上第一臺交流發(fā)電機——圓盤發(fā)電機。其實這個說法是錯的，從原理圖上可以看出，圓盤發(fā)電機是一種直流發(fā)電機。

電力系統(tǒng)可以簡單分為三部分：發(fā)電（發(fā)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(tǒng)，發(fā)電有成熟的直流發(fā)電機，輸電不需要變壓器，只要架起導線就行了。

至于負荷方面，當時大家主要用電做兩個工作，照明和驅(qū)動電機。對于照明所用的白熾燈來說，只要電壓穩(wěn)定，并不在乎直流還是交流。而對于電機，由于技術原因，交流電動機還沒有商業(yè)應用，大家都在用直流電動機。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(tǒng)發(fā)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(tǒng)，其實就是直流蓄電池，不過在輸出端通過電力電子技術轉(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，保證關鍵設備的電力供應。

△UPS原理圖

圖片來源：原創(chuàng)

那么，當時的交流電是什么樣子呢？可以說一個能打的都沒有。成熟的交流發(fā)電機——不存在；輸電用的變壓器——效率非常低（采用直線型鐵心結(jié)構造成的磁阻和漏磁通過大）；至于用戶，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(wěn)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(tǒng)采用串聯(lián)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。

技術是發(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)定性問題也被解決了。

有了這些契機，特斯拉終于登場了，他發(fā)明了實用的交流發(fā)電機，并能夠與這種新型變壓器配套使用。事實上，在特斯拉同時期，關于交流發(fā)電機的發(fā)明專利有幾十項，但特斯拉的則更具優(yōu)勢，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(jié)構簡單、成本更低，其中最特別的一項是，就是在電機驅(qū)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(chǎn)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，磁場的角度也會隨著電流的變化而改變。排布合理的話，磁場就會以一定的頻率旋轉(zhuǎn)。如果用在電動機里，就可以帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這就是多相交流電機。

特斯拉在此原理上發(fā)明的電機，甚至都不需要專門為轉(zhuǎn)子提供磁場，大大簡化了電動機的結(jié)構和成本。有趣的是，馬斯克的“特斯拉”電動車，也是采用交流異步電機，而不像我國電動車主要用同步電機。

△交流異步電機

圖片來源：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，這個損耗來自于線路電阻的發(fā)熱，會平白增加電廠的成本。

愛迪生的直流發(fā)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(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年愛迪生在建成的第一個直流供電系統(tǒng)，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(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(fā)電廠輸出的電壓，但又會造成近處用戶電壓過高，燒壞了設備怎么辦？

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(tǒng)，便可以用4000V電壓為21km外的用戶供電。后來，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

圖片來源：https://www.wakingtimes.com/monopoly-of-hydro-electricity/

遺憾的是，直流電沒法用這種方式升壓。因為交流電升壓所采用的原理是電磁感應，簡單地說，就是變壓器一側(cè)變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場又在另一側(cè)產(chǎn)生變化的感應電壓（電動勢）。變壓器要工作，關鍵在于電流要變化，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——美國通用電氣。