电流之战

更新时间:2023-12-10 21:30

“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:爱迪生具有惊人的创造性和工业策划能力,但是却缺乏数学知识和复杂的理论洞察力。相反,威斯汀豪斯和其同时代的人相比是一个前卫式的人物,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。

电力实验

正处于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。而最早的电动机,也都是使用直流电的。那些试图用交流电让直流电动机运转起来的人发现,这种发电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。

转机

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电动机运转。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,特斯拉制造出了第一个小型交流电动机,但他很需要有财政上的支持。

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,爱迪生研制出了白炽灯,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,但是他当时也面临着不少的问题: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,这是因为电流传输时线损过大,同线径情况下,电阻一定,功率一定,电压越高,电流就越低,产生的热量就越小,线损也就越小,反之则越大,由于当时没有直流电升压技术,所以直流电电压不高,就会造成线损过大。为了使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,以便产生更大的功率。

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,西屋公司必然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。

过程

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。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: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电气公司的交流电的致命效果了(电椅

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5月1日,博览会开幕了,特斯拉的交流电点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。

不久后,在尼亚加拉大瀑布将要建造美国第一座水力发电站,交流电系统由于其经济实惠和便于制造而被选中了。GE和西屋都提交的各自的方案,GE提交的是三相方案、西屋提交的是两相方案,这时候一个有趣的事情,甲方的顾问George Forbes教授设计了神奇的一个伞式外转子转场式发电机,电压要求2万伏,油冷电枢。

对于工业上广泛使用旋转变流机来说频率越低效果当然越好,不过频率太低发电机和变压器的体积和成本太高;频率高了发电机和变压器的体积和成本能降低,但是旋转变流机工作起来问题很多很麻烦。频率低一点,电机变压器铁损方面好一些,线路上也安全一点。不过成本当然又是一个大问题。最后以白炽灯的闪光能接受的情况下,把频率定在25HZ。在10月份西屋和甲方在纽约的晚餐上,亚当斯老板对西屋首席工程师表示,如果西屋能做,这项目基本可以敲定。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。

结果

10月份,GE和西屋都给甲方一个反馈,要求更改George Forbes教授的设计,在19世纪,人类科技制造2万伏电枢,这是不现实的。10月26日,最终合同敲定。西屋公司设计的5000马力,2.2KV,两相四线制25HZ发电机中标。

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。

后记

虽然在生活上大多使用直流电,但在远距离中高压电输电上全部使用交流电,因为交流电升压容易。但是由于交流电会在电线上产生电容电流现象,和电感电抗,使大多数电能转化为热能,增加电能损失,所以现在与未来超远距离高压输电使用直流电。在变电站会有一个装置将直流电转化为交流电,再进行低电压小距离传输。交流电之所以得到普及,是因为它的电压可以随意改变(详情参见变压器)。可见,二位伟人都有其独到的见解。(来源:高中物理教科书)

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