交直流之争
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发布时间：2022-09-20 18:00
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时间：2023-11-06 12:51
从富兰克林（Franklin）发现电现象，到法拉第（Faraday）发现电磁感应定律，科学家们都迫切地希望能够破解这个神奇物理现象的密码。而我们故事的开端始于1802年（如果展开整篇电学发展画卷时间会更早），当时实验室的科学家们已经有能力通过电化学反应产生稳定的电流。一个在当时享有盛誉的英国化学家亨弗莱·戴维爵士（Sir Humphry Davy，于1812年受封），利用电流加热不同金属条，发现铂丝能够在不氧化的情况下在一段时间内保持白炽状态，这是人类第一次将电能转化为光能。
当时人们对电的认知仅限于火花的产生代表电存在。1809年，戴维将两根炭棒互不接触地接在大功率电池的两端，炭棒间持续出现呈拱形（arch）的火花，因此将其称之为“电弧”（arc），这就是弧光灯发光的基本原理。戴维的上述两项发现分别为白炽灯和弧光灯的发明奠定了基础。
有关亨弗莱·戴维爵士值得一提的还有两件事，一是他的个人成就，他发现并制得了包括钙(Calcium)、镁(Magnesium)、钠(Sodium)、钾(Potassium)、锶(Strontium)、钡(Barium)等多种元素，是公认发现元素最多的科学家，也被誉为“无机化学之父”；二是，戴维发现了法拉第的才能，引领他迈进科学界的大门，尽管师徒二人经历了一些不愉快，但是戴维在临终前仍自豪地认为法拉第是他最伟大的发现。
于是在未来的70多年内，各路科学家与学者陆续发明了多种形式的白炽灯与弧光灯，以下仅举出具有代表性的发明例子：
1840年，威廉·罗伯特·格罗夫爵士（Sir William Robert Grove）发明了下图所示的这种实验用灯，他将两段铜线分别接在铂丝两端并涂漆以绝缘，然后将作为灯丝的铂丝置于倒扣在水里的玻璃杯中，通过封闭的空间避免空气流对白炽状态灯丝的散热作用，同时减小氧气对铂丝的氧化作用。格罗夫爵士发明的这种白炽灯仅能发出较微弱的光，并且耗电量很大无法实现商业化。
1841年，另一个英国人弗雷德里克·德·莫林（Frederick De Moleyns）获得了世界上第一个白炽灯的专利。这种球形的白炽灯上部的管中装有炭粉，下端开口为两段铂丝不断提供炭粉，但随着炭粉在高温下蒸发，球形玻璃会迅速变黑，仍不能实用化。
在接下来的20多年里，有多种形状各异的白炽灯问世，但均由于造价高、照明时间短、外壳变黑等诸多问题没有投入大规模的使用。
1860年，英国人约瑟夫·斯旺制成了碳丝电灯，但受到技术条件*，当时他未能创造可以使灯丝持续工作的良好真空环境。直到1878年，英国的真空技术发展到满足需要的程度，他才发明了真空下用碳丝通电的灯泡，并且获得了英国专利。1879年，斯旺在各地的演讲中，已经能够给观众公开演示自己发明的白炽灯。同年，他成立了斯旺电灯泡有限公司以实现白炽灯的私用及商业生产。斯旺在盖茨黑德的住宅是世界上第一所拥有电力的私人住宅。
在俄罗斯，1872年时科学家罗迪金（Lodyguine），发明了一种以V形石墨作为燃料并充氮气的白炽灯，由于这种白炽灯运行费用高且寿命较短（12小时），这个项目也以失败而告终了。
1874年，加拿大的两名电气师发明了一种技术，在玻璃泡中充入了氮气，以通电的碳杆发光。但由于他们缺少了后续经费，1875年这项技术被卖给了我们所熟知的爱迪生。 没有查询到这两位电气师的名字。
爱迪生购买到白炽灯的专利后，于1878年夏天开始为发明白炽灯做准备。他不仅要发明白炽灯，还要发明一套完整的电力系统，像煤气一样，能够向用户提供电力。
爱迪生创造包括白炽灯在内诸多奇迹的地方，是在19世纪70年代末和19世纪80年代初世界上装备最精良的私人工业研发室——门罗帕克实验室。在这里，爱迪生和他的实验员们改良了电话，发明了留声机，研发了商业电灯和电力系统。在门罗帕克，爱迪生总结了构成他余生创新方式的三个要素：以团队为基础的研究，企业对研究和开发的支持以及他本人作为一个可信赖的、实用性的发明家的品牌形象，以鼓励投资者资助实验室和发明。
白炽灯的改良与电力系统的发明过程因为有了可信赖的团队与修葺完成的实验室而拥有了良好的基础。
1877年9月，爱迪生将碳化纸条白炽化，因为当时没有性能优秀的真空泵，无法构建有效的真空环境，碳化纸条很快被氧化实验失败。
在爱迪生对弧光照明系统与新发明的发电机进一步了解之后，他提出了在灯丝发生过热前将电路切断以保证灯丝不被熔断，并通过灯泡并联使各个电灯可以独立工作的两个新想法。1878年9月13日，爱迪生将他现有的想法写入专利，并在《纽约太阳报》中表示，电灯照明将比煤气灯照明更加便宜。但实际上在这个阶段，爱迪生还没有改进或者发明出能够长时间工作的白炽灯。
9月底，爱迪生的律师开始与一些有意投资人士进行商谈，最终在10月16日，谈判决定成立爱迪生电灯公司，总资本为300,000美元，爱迪生授予该公司美国北部和南部电灯专利的独家控制权。作为回报，他获得了250,000美元的公司股票，30,000美元的实验费用，以及额外的100,000美元，在保证最低15,000美元年薪的前提下，收取该公司出售的每盏灯5美分的版税。
以上是爱迪生为自己的电灯以及电力系统建立所做的筹备，也是在伟大科学实验之前所必须完成的一步——筹集资金。
1878年秋天，门罗帕克的实验员们开始设计白炽灯的整套系统，包括开关、电表和配电系统，由于爱迪生对华莱士的发电机并不满意，实验员们不得不开始设计新的发电机。直到1879年3月，爱迪生的团队设计出了一种可以演示的、置于真空中的铂丝灯。
1879年10月21日，实验室开始试验碳丝，碳化棉线的试验取得了最好的效果。12月21日，《纽约先驱报》第一版刊载了长篇文章《伟大发明家在电气照明方面的辉煌成就》，12月的最后一周，数百名游客来到门罗帕克实验室参观爱迪生在实验室搭建的第一个电灯展览，爱迪生的电灯名噪一时。
爱迪生的专利被爱迪生电灯公司控制，其董事会不愿意在生产运营上投资，他们更倾向于出售新技术的许可权，为了控制成本，也为了能继续改进电气照明技术和生产方法，爱迪生只能在自己的车间制造系统。
1880年，爱迪生在门罗帕克附近购买了一个废弃的工厂用来生产白炽灯，工人生产真空泵，实验员们则在继续改进灯泡，经过数月调研后最终确定日本竹丝作为灯丝。同年，爱迪生成立了爱迪生电灯公司管理工厂与纽约爱迪生照明公司。1881年2月，第一个陆基照明系统在纽约的印刷商公司落地。3月4日，爱迪生成立电气管道公司；同月，与巴特勒成立爱迪生机械厂，生产发电机以及照明系统中的其他大型设备；4月，成立伯格曼公司生产灯具，创建管理独立电厂业务的独立照明。8月，爱迪生买下珍珠街255 号到257号的几间仓库，开始兴建全美第一座发电厂。该直流供电系统原定的输电范围约是1.6公里，后来根据实际情况，范围缩小到以珍珠街发电厂为中心的1公里区域。仓库经过改造后，一楼装设4座大型的煤炭锅炉，提供驱动发电机的加压蒸汽。发电机安装在二楼，重达21吨，可以产生100kW的电，足够为1200个电灯提供电力，爱迪生将其取名为“巨无霸”；11月，爱迪生成立独立照明公司。
1882年，摩根决定在自己麦迪逊大街的高档豪宅中展示爱迪生的照明系统，6月7日晚，摩根豪宅灯被电灯点亮。在摩根这一举动的推动下，1882年秋天，直流电经地下电缆输送到预先签约的59位客户楼房中，纽约成为了第一个由白炽灯点亮的城市。为保持各个用户能够安全稳定的使用电灯，防止灯丝因电压过高而烧断，因电压过低而亮度不稳，爱迪生选择了110kV的直流电压作为传输电压。
截止1883年春，爱迪生共售出330个独立系统，为64000多盏灯供电。
随着直流系统如火如荼地建设，其输电距离近的缺点也越来越凸显出来， 电能只能有效地传输到离*电厂不到2公里的区域，超过这个范围电压便会大幅度降低。爱迪生的直流系统要服务于整个纽约市，就必须建造数十座电厂，对纽约这种地价高昂的城市来说不现实。
若要升高传输电压，仅能通过串联直流发电机实现，而正如上文提到的直流发电机体积巨大，且需要考虑灯丝烧断的问题，因此输电距离严重地受到*，直流升压不易实现。为了降低线路损耗，就要采用较粗的铜线。铜，是电力工业不可缺少的原料，但是1887年铜价突然提高，从每磅10美分提高到每磅16美分，这对直流供电系统产生了相当大的影响。
上次讲到爱迪生的直流供电系统遇到了供电距离问题，虽然爱迪生及其公司也试图解决，但是由于当时整流逆变技术的种种*，这个问题解决不了，至少说得不到很好的解决，而解决供电距离问题最好的方式就是采用交流传输，也就是直流最强劲的竞争对手。
1882年，法国科学家戈拉尔和英国人吉布斯一起申请了交流配电系统专利，利用变压器交流电可以很方便的完成升压，高压电可以传输到更远的距离，而后降压供用户使用。交流的出现有效地解决了供电距离问题，而说到交流，就不得不提到两个人:威斯汀豪斯和特斯拉。
尼古拉·特斯拉于1884年6月初乘坐“里士满城”号轮船抵达纽约，当特斯拉踏上曼哈顿土地时，自由女神像还在建设中，此时爱迪生第一家使用电力的工厂在珍珠街开张也仅有两年。
达到美国的第二天，28岁的特斯拉就去拜见了37岁的爱迪生。此时爱迪生的总部位于纽约第五大道65号，他不屑于特斯拉对数学的依赖，还炫耀自己并不在意科学理论。尽管二人初次见面的情形并不完美，但是当天下午爱迪生还是聘用了特斯拉，让其维修“俄勒冈”号轮船上的照明系统。
在开始工作后的6个月之内，特斯拉共设计了20多种机器，用以替代爱迪生旗下各家公司原来效率不高的旧机器，节省了大量金钱。但无论特斯拉如何推荐交流技术，爱迪生都不感兴趣。两人最终的分道扬镳源于一个未兑现的承诺，特斯拉认为他可以大力提升爱迪生发电机的功效，爱迪生承诺如果有人能成功提升发电机效率，则给予其5万美元的奖励，半年后（大约在1884年12月初），特斯拉真的将玛丽安型发电机功率提升了3倍，但爱迪生拒绝支付5万美元，并称其不懂美国人的幽默。尽管爱迪生仍提出了55%的涨薪，但这也没能挽留特斯拉离开的脚步。
离开爱迪生公司后，本杰明·维尔（Benjamin Vail，新泽西州拉威镇议员）向特斯拉抛出了橄榄枝，他们合作建立了特斯拉电光制造公司，旨在为拉威镇建立一套完善的弧光照明系统。特斯拉花费一年的时间改进发电机与电灯（弧光灯），并将专利给了公司以换取股份。1886年，拉威镇通电拥有了“完美的自动化和自调节的弧光照明系统”，而维尔只想运维已有的电力系统，将失去了利用价值的特斯拉排挤出了公司。
失去工作后的特斯拉一度靠挖电缆沟渠谋生。在最艰难的时刻，他完成了一项关于热磁电动机的专利申请，这受到了挖沟渠领班的赞赏，并将他引荐给了阿尔弗雷德·布朗（Alfred Brown），西部联盟电报公司的纽约区总负责人，接着特斯拉又被引荐给查尔斯·佩克（Charles Peck），专利律师与联合电报公司的*员。
1887年4月，特斯拉与布朗，佩克三人共同建立特斯拉电力公司，公司规定了发明家可以获得公司盈利额的三分之一，特斯拉暂时可以不为金钱与生活烦恼，也终于有了自己的实验室。接着他开发出一款能减少电动机产生火花的换向器与一款可以提高直流发电机效率的短路换向器，但在热磁发电机的专利申请中受挫。这次他的合作伙伴并没有抛弃他，而是鼓励他先进行其他方向的研究，等待时机，在这样友善和谐的氛围下，1887一整年特斯拉都在积极地创造他的发明，并做专利申请的准备。 此时的特斯拉，期望通过交流发电机的发明与推广，统一电力行业的各项标准。
1888年5月，七项涵盖交流电动机和其他多项技术发明的专利获得了审批。在1888年春夏这段时间，特斯拉研制了20多种，适用于不同场景的不同型号的多相电动机，例如重荷启动、不同速度运转、恒速运行等，这些电动机后被应用在重机械，冰箱，风扇等领域。
有人对直流系统感兴趣，就也有人把宝押在交流系统上，乔治·威斯汀豪斯（George Westinghouse）就购买了很多包括感应电机、变压器在内的专利。了解到特斯拉关于交流电机的多项发明后，他先后派遣了自己的法律顾问和技术专家前去调研，两位专家都认为特斯拉电机是他们见过的最好，因此佩克提出20万美元的专利购买费用与一马力电2.5美元专利税的要求也被威斯汀豪斯接受了。
1888年7月中旬，特斯拉将20多项专利卖给了西屋公司，获得了150股股权与2.5美元每马力的专利费，并被邀请至匹兹堡进行下一步的发明研究。1888年7月下旬，特斯拉赴邀前去匹兹堡。
威斯汀豪斯也是一个伟大的发明家，他拥有400多项专利，大部分与铁路制动相关。合作初期，他期望特斯拉的电动机能够与公司133赫兹电流（那个时候还没有赫兹这个概念）工作的单相电路整合，尝试失败后，西屋公司的员工还是改变了*电站频率以适应特斯拉电机的频率。这一频率既需要高到使电灯不再闪烁，又可以带动电动机进行有效运转，最终定在60赫兹。不到十年，60赫兹成为了电力生产标准。1889年特斯拉产出了15项专利，是他申请专利最多的一年，西屋公司共生产了近1000台特斯拉电动机。
1889年仲夏，特斯拉游历欧洲后回到了纽约，发明特斯拉线圈——类似星战中光剑的“发光管”，这也是他日后演讲活动中必定展示的成果。交流电动机与高频线圈发明，使他名声大噪。
与特斯拉签约后西屋公司发展过快，为扩大产业大肆举债，时逢经济崩盘，债主纷纷要求撤回资金，因此公司想要撤回特斯拉高额的专利费，威斯汀豪斯与特斯拉重新进行了谈判，特斯拉将合同撕毁，放弃了专利费。
直流输电系统与交流输电系统从发明之初就存在竞争关系，直到1880年后期，交战结局仍不明朗。爱迪生与他背后的金主们掌握了绝大多数项目和资金，而特斯拉和威斯汀豪斯则拥有他们认为的更高效更强大的电力系统。但是两种电力方式都还要与天然气公司竞争。这场斗争的风险与潜在利润同样巨大。
威斯汀豪斯在1888年曾邀请爱迪生到匹兹堡的实验室参观，但爱迪生断然拒绝了威斯汀豪斯的邀请。1890年，爱迪生发起了一场针对交流电的大规模公关活动，包括发表一份长达84页的谩骂文章，大肆抨击威斯汀豪斯。威斯汀豪斯则用他的一本电力手册予以回应，指责爱迪生自己糟糕的安全记录，说明爱迪生公司的直流*电站失火事件频发。
至此，这场战争向着更毛骨悚然地方向发展了，爱迪生联手他的生意伙伴哈罗德·布朗在一场公开展示活动中使用交流电电死了一条狗，此后布朗又连续在50多只不同的动物身上继续这种实验，其中包括狗、猫、小牛与马等动物，旨在宣传交流电满足作为电刑介质的各个条件。在一系列残酷演示的配合下，爱迪生向纽约立法当局建议使用交流电执行电刑，他甚至亲自勾勒了具体的电刑步骤。最终他的说客们说服了纽约州*，在纽约的两座州立监狱设立了电刑椅。目击过第一场电刑的见证者被死刑犯身体着火的场面吓得不清，《纽约时报》报道说：“恶臭让人无法忍受。”这场行刑使公众*转而反对爱迪生的主张和做法，爱迪生的言论让他陷入了尴尬的境地。
特斯拉由撰文介绍自己的发明开始进入了这场辩论。1891年2月，特斯拉在《电力工程师》上详述了交流电安全长距离传输的全过程，随后爱迪生与他在一系列行业杂志的读者来信栏目中展开激辩，从冬天一直持续到第二年春天。
为了使公众更清晰地认识交流电，同年5月，特斯拉在纽约哥伦比亚大学，为美国电机工程学会做了演讲。特斯拉的演讲与现场演示令与会的实验者、记者和金融家为之倾倒。为了揭穿爱迪生关于交流电危险的说法，特斯拉将几千伏的交流电通过他的身体，使他的指尖释放出细小的火花，而发明家自己却安然无恙。
于是这位腼腆的发明家名气越来越响，而他又不得不面对那些合法竞争者的冒犯。1892年特斯拉决定到欧洲游历以捍卫自己的专利权益，同时向欧洲的制造商推销自己的发明。1893年2月，西屋公司售出的交流电系统所供电的照明设备总量已是爱迪生的13倍。
在特斯拉进行各类演讲时，爱迪生的各家公司被整合成“爱迪生通用电气公司”，一直与特斯拉竞争交流电机专利的汤姆森-休斯敦公司，也在1892年被通用电气收购。爱迪生在新公司董事会中保留了一席之地，但新公司“通用电气公司”的名称中不再有他的名字出现，这一巨大的变化令他备受打击。
在这一阶段，特斯拉在交直流之战中似乎在公共关系方面更胜一筹，但没有了爱迪生的通用电气则赚了个盆满钵满。双方最终的决战将于1893年纪念哥伦布登陆美洲*400周年的芝加哥世界博览会上演。
由于通用电气公司的报价高得离谱，芝加哥世博会所有电灯及电动机的供货与运维被西屋公司以通用公司报价的一半中标，并且没有使用爱迪生的白炽灯专利，而是应用了一种由特斯拉与西屋工程师们共同开发出的二段式电灯。
电灯并不是西屋面对的唯一挑战，芝加哥方面要求的东西规模庞大，西屋电气-特斯拉团队将电动机和变压器升级换代，同时扩大了十多台发电机的功率。升级完成后，一名工程师可以操纵这个那个世博园区的40条不同电路。
无论是旅游者还是科学家在离开世博园的时候都深信，能源的未来属于电，而电的未来则非交流电莫属。世博会结束之后，80%在美国国内订购的电器都属于特斯拉的设计，交流电逐渐锁定电力之战的胜局。
凭借这一胜利，威斯汀豪斯和特斯拉转而寻求在尼亚加拉瀑布建设水电设施电巨大商机。1893年10月，西屋公司以一项大胆的计划赢得了尼亚加拉瀑布的关键合同。
1896年11月16日，西屋推上尼亚加拉水电站电闸开关，终结了电力之战！
参考文献：
[1] Henry Schrœder. History of Electric Light. Washington , D.C.: Smithsonian Institution, 1923.
[2] 知乎.电灯是爱迪生发明电吗？链接：https://www.hu.com/question/36060925/answer/343479253
[3] Sciencehistory. https://www.sciencehistory.org/historical-profile/humphry-davy
[4] Famousinventors. https://www.famousinventors.org/joseph-swan
[5] W.伯纳德·卡尔森, 特斯拉——电气时代的开创者[M]. 人民邮电出版社, 2016
[6] 理查德·芒森, 特斯拉传——现代的发明者[M], 中信出版社, 2019
[7] 拉皮罗夫-斯克勃洛, 爱迪生传[M], 商务印书馆, 2013
[8] 里昂纳多·迪格拉夫, 爱迪生：创新之源与商业成就的秘密[M], 湖南科学技术出版社，2019
