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科学史上的“电流大战” 发表评论(0) 编辑词条

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科学史上的“电流大战”编辑本段回目录

电流大战

  感谢交流电,正是由于交流电技术,今天的世界才得以运行。然而,交流电的成功却是建立在一场发生在19世纪末最伟大的两位发明家之间的激烈争辩之上的。他们就是爱迪生和特斯拉。在利益面前,他们毫不犹豫地使用各种手段,甚至包括魔术表演和残忍的展示。

  “我认识两位伟人,你是其中之一;另外一个就是站在你面前的年轻人……”1884年深秋的一个清晨,就是带着这样一封推荐信,尼古拉·特斯拉跨入了位于纽约著名的第五大道上一座漂亮大厦的门槛。特斯拉是一名优秀的塞尔维亚工程师,当时28岁的他刚刚准备和世界上最著名的发明家一起工作,而这位发明家仅仅用了几年的时间就开始了他的电灯照明时代。托马斯·爱迪生在他公司总部的办公室热情接待了这位踌躇满志的年轻人。看过了特斯拉的简历以后,爱迪生马上委派给他一份工作。为特斯拉写推荐信的人是查尔斯·巴特切罗,欧洲大陆爱迪生公司的负责人,这家公司是爱迪生电灯公司在巴黎的分公司,特斯拉在来美国以前曾在那里工作。

爱迪生
爱迪生


  特斯拉欣然接受了爱迪生交给他的工作,并且耐不住性子大胆地向爱迪生提出了自己的设想,他认为有可能利用交流电流来产生电能。然而爱迪生的态度是冷淡的,他表示对这种理论毫无兴趣,而且在爱迪生看来,由他制造的直流电照明系统已经足够使用了。此后,爱迪生只是在直流电系统基础上进行改进。然而,他的新合作者特斯拉所期待的却绝不止于此。

  19世纪下半叶,几乎所有人都认为在实践中是不可能使用交流电的。因为直流电始终朝着相同的方向流动,而交流电则反复使电流的大小和方向发生变化。最早的电动机使用的都是直流电,那些试图让交流电动机运转起来的人发现,这种电动机产生的磁场并不能使电动机正常运行。事实上,当电流改变方向的时候,磁场随后也改变了强度和方向,因此,电动机自然就不可避免地停止转动。

  事情发生转机是在1882年,特斯拉在经过严谨的数学分析之后,拟订了一个新的实验方案,他利用两个异相交流电换相器,以保证有充分而强大的电流使发动机运转。根据这位塞尔维亚科学家设计的方案,在电动机固定部分中的线圈里,对流动电流的一个适当联结(定子)能够产生一个强度不变的磁场,这个磁场在转动的同时,会使电动机的活动部件也跟着它一起转动(转子)。实际上,磁场会在转子的线圈里产生一个流动的感应电流,而感应电流能够引发一个加快线圈自身转动的力,而且这都不需要任何电线去连接运动中的各个部分。1883年,特斯拉已经制造出了第一个小型交流电电动机,但是他很需要有财政上的支持来进一步试验和推进自己的发明。   

无法超越1公里的范围   

  和特斯拉第一次见面时,爱迪生正在投入大量的资金去研发直流电设备。1879年,爱迪生发明了白炽灯,这种灯在现实生活中的迅速普及使爱迪生本人也成为了一名成功的大企业家和世界知名的发明家,但是他当时所面临的问题也不少。首先,一个住宅区里的照明灯如果和发电站的距离超过1公里,就无法得到足够的电流发出强光,这是因为直流电无法在远距离的情况下传输能量。爱迪生为了使他设计的照明系统能够正常运行,只好在每隔1公里的地方建造1座发电站,要不然就要增加发电机的功效,或者将若干个发电机连接在一起,以便产生更多的电流。

  爱迪生交给特斯拉的工作任务就是完善这些直流电系统的性能。不过特斯拉始终坚信能够说服爱迪生去接受在许多方面明显占优势的交流电。爱迪生很清楚特斯拉在技术方面的能力,他还拿出5万美元作为基金,让特斯拉去改进发电站中的发电机。特斯拉研究制订出了20多个新直流电发电机的计划,这些发电机具有调节简单并能产出强大电流的特点。爱迪生对这些新型发电机进行了多次实验,取得了很好的效果,并为这些发电机申请注册了专利权,用它们代替了那些老式机器。然而当特斯拉向爱迪生索取自己应得的那部分报酬时,爱迪生却拒绝了他。他说:“特斯拉,您并不懂得美国式的幽默。”这件事对于这位塞尔维亚年轻人的打击很大,他的美梦被再次打破了。

  特斯拉感到极度的失望和厌倦,于是他辞职了。 长时间以来,特斯拉给爱迪生带来了很多利益,然而爱迪生始终对他的交流电持一种质疑和敌视的态度。不过,除了暴露出爱迪生对科学缺乏远见以外,特斯拉还清楚地看到,爱迪生已经将太多的金钱投入到他的直流电上而不能自拔了。
  

相信特斯拉的西屋公司   

  1888年,一位希望能向爱迪生发起挑战的美国发明家和企业家乔治·威斯汀豪斯将赌注押在了交流电上,他邀请特斯拉到他的公司去工作。

乔治·威斯汀豪斯
乔治·威斯汀豪斯


  其实,早在1883年的时候,威斯汀豪斯就对交流电产生了极大的兴趣。当时,法国人吕西安·戈拉尔和英国人约翰·吉布斯在伦敦的一个博览会上向人们展示了一款能够进行远距离传输的交流电设备。这个设备运用了“二次发电机”:一种他们已经注册了专利权的特殊变压器。就是利用戈拉尔—吉布斯的变压器和由恩斯特·沃纳·冯·西门子校准的发电机,1886年3月,西屋公司在美国马萨诸塞州的大巴灵顿小镇中首次使用了交流电照明设备。

  然而,为了能够真正和爱迪生进行较量,西屋公司必须要考虑给工业企业提供交流电动机。当时工业用电动机用的都是直流电,这种电动机存在着明显的不足,例如功率不足等等。于是,特斯拉开始为西屋公司设计生产大型的、高功率和高频率的交流电电动机,弥补了老式发电机功率不足的缺陷。

  1888年3月,意大利物理学家伽利略·费拉利斯向都灵科学院展示了他的交流电“异步电动机”(这个机器实际是在1885年设计完成的)。它的原理是建立在一个转动的磁场上,和特斯拉5年前的设计理念很相似,只是技术更加完善,功率更大。与此同时,围绕着交流电动机的“斗争”也日趋激烈:特斯拉要求拥有其发现转动磁场的优先权,并且针对费拉利斯制造的交流电动机,在同年5月对自己发明的一款与其非常相似的电动机申请了专利。经过一系列冗长的、令人厌烦的诉讼过程,德国和美国法庭最后判定:转动磁场的原始发现人属于意大利科学家伽利略·费拉利斯。然而令人遗憾的是,费拉利斯并没能把握住这个契机,他没有像特斯拉那样将异步电动机的巨大潜力运用到日常生活中去。

科学怪人天才
科学怪人天才 尼古拉·特斯拉

  特斯拉始终坚持着自己的研究工作。1890年,他发现了共振现象,即在特定的环境下,一个机械系统振动的振幅,不论是声学的还是电力的,都会有一个相当高的振幅。最值得一提的是,这位塞尔维亚科学家利用共振原理制造出了一个变压器,也就是今天的“特斯拉线圈”,它能够承受极高的电压,从几百到几千伏不等。到19世纪末期,经过数月的实验之后,威斯汀豪斯和特斯拉获得了极大的成功,他们终于可以将已经成熟的产品推向市场,惟一令他们烦恼的就是上市以前那些过于繁琐而官僚的手续。
  

无休止地相互中伤   

  获悉特斯拉取得的成功以后,爱迪生意识到了自己将要面对的竞争对手是何等强大,他开始了一场针对交流电的中伤诋毁运动。为了向人们展示这种新型系统假定的危险性,爱迪生在众多记者面前用高压交流电做了一系列可怕的实验。他先是将一块白铁皮板和一台可达1000伏电压的交流电发电机相联,然后再把一只小猫或是小狗放在铁板上,小猫或小狗会瞬间死亡。这样,人们就可以亲眼目睹特斯拉和西屋公司的交流电的致命效果了。电椅就是在 这样一系列“展示”的“启发”下发明出来的。同时,作为对爱迪生宣传攻势的反击,特斯拉也在舞台上进行了很多真正的“电魔术”表演。除了使人们为之惊叹,特斯拉的另一个目的就是向世人传播他的交流电理念:当不被用在故意犯罪的目的时,交流电是非常安全的。

  当这场“电流大战”愈演愈烈之时,芝加哥正在筹备一个世界博览会,主办者希望寻找到一套可以照亮整个会场的照明设备。于是,威斯汀豪斯开出了一份极具诱惑力的合同,他试图以超低价格来从爱迪生手中抢到这笔生意。1893年1月,博览会开幕了,9万多盏由特斯拉的交流电点燃的电灯照亮了整个会场。这是一次伟大的成功,同时也是大获全胜之前的一个前奏。  

尼亚加拉大瀑布的交流发电站
  

  不久以后,在尼亚加拉大瀑布将要建造世界上第一座水力发电站,交流电系统由于其经济实惠和便于制造而被选中了。威斯汀豪斯将设计制造任务交给了苏格兰工程师乔治·福布斯。后者制造出的一套设备使用了3个特斯拉的交流发电机,每台的功率为110千瓦。


  1895年,发电站建成了,它可以将电流传输到距发电站35公里外的布法罗市。这一事件宣告交流电彻底战胜了直流电,而爱迪生的直流电则瞬间就成了一种过时的技术。爱迪生本人不得不接受这个残酷的现实。从那时起,交流电便成为了工业、商业和民用电的惟一选择。


  “电流大战”是在两位19世纪和20世纪的天才而多产的发明家之间展开的,两人也是截然不同的科学家。爱迪生具有惊人的创造性和工业策划能力,是一位非常聪明的试验者,但是却缺乏数学知识和复杂的理论洞察力。相反地,特斯拉和其同时代的人相比是一个前卫式的人物,通过对现象精确地数学解析,他完成了很多伟大的创造性工作。他不像爱迪生那样,仅仅因为个人愿望而去做很多事情,而是在设计任何设备之前都从理论的角度去分析问题,直到得出绝对有把握的结果,才会付诸实践。


  1915年,爱迪生获得诺贝尔奖的提名,特斯拉则在1937 年获得诺贝尔奖的提名,但他们俩都没能获得这一奖项。一 些人认为,正是因为那场持续了数年的“电流大战”,爱迪 生和特斯拉都暴露出了他们人性中的弱点,这与人们长期赋 予他们的“天才”和“科学家”的称号是极不相称的。
  

附录:

  交流电最终能够普及,是因为相对于竞争对手,它具有多面性和更经济的特点。
  今天,我们所生活的社会 每天都需要大量的电,这些电 通过电线被传输到距离发电站 很遥远的各个地区,有的地方 甚至远在成百上千公里以外。 这样,能量的一部分在传送的 过程中就不可避免地损失掉, 转化成热能。电流越大,距离 越远,浪费也就越大。
  为了减少这种能量的损 失,就需要把电线做得非常粗,这样一来,就造成了对原材料的极大浪费,成本也会相应提高。
  解决这个问题的方法就是 提高电压,举个例子,这就好 比一个瀑布,电流就相当于瀑 布从高处到达地面的水量,而 电压则是水从出发的高度下降 时的势能。增加电线中的电压,就可以减少电线内的电流,从而保持被传输的功率总量不变:这样做能够降低损失,用较细的电线就行了。
  变压器可以将发电站产生 的电压提高到几万伏。另一些 被安装在使用地点的变压器则 可以根据使用需要来适当降低 电压,比如说平常我们在家里 所用的220伏电器。
  正是因为对变压器的需要,使我们必须使用交流电。事实上,这些变压器的原理就是利用了交变磁场,这种交变磁场是由交流电产生的,而非被爱迪生死死捍卫的直流电。

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