特斯拉是如何改变人类利用能源的方式的?

作者：William Harris

翻译：Alex Yuan

审校：山寺小沙弥

当你打开一盏灯的开关，光线瞬间充满了整个房间——这是一件再平常不过的事情，你不会去思考这背后究竟蕴含着怎样的科学原理，也不会去想有多少科学家曾经为之付出过巨大的心力。如果非要你说出一个科学家的名字的话，或许你会想到爱迪生，因为他是众所周知的白炽灯泡的发明人。然而，另一个影响似乎更大的人物往往被忽略了，他就是传说中的尼古拉·特斯拉。

尼古拉·特斯拉

在他28岁那年，也就是1884年，尼古拉·特斯拉来到了美国。三年后的1887年，他便完成了改变人类能源利用的方式的创举——交流发电，并申请了交流发电所必需的所有技术专利。交流发电这项伟大的技术至今仍深刻地影响着我们的生活。然而，要理解这项发明的重大意义，我们就必须了解19世纪末那场发生在特斯拉和爱迪生之间的“电流战争”。

1885年电力系统的发展状况

1880年1月，爱迪生向公众展示了他发明的白炽灯泡。此后不久，由他设计的电力系统被安装在纽约的第一区。1881年，当系统建成，爱迪生拨动开关，电灯亮起，人们对这一全新技术的需求也开始日趋高涨。尽管早期爱迪生设计的线路都是埋在地下的，但是由于需求太过于旺盛，部分城区是通过悬挂在木质横梁上的裸露的电线来传输电力的。这也带来了一定的安全隐患，以至于到1885年，防范电气事故的发生已经成为日常生活的一部分。更有甚者，布鲁克林区把他们的棒球队命名为“道奇”（Dodgers），因为当地的居民经常需要躲避（dodge）电车的冲撞。

爱迪生和他的白炽灯

爱迪生的发电系统使用的是直流电。直流电的流动方向是固定的，并且由直流发电机产生。爱迪生是直流电的坚定支持者，然而直流电有一定的局限性。它最大的问题在于不能够经济且高效地远距离传输。爱迪生知道交流电并没有这个限制，但他还是认为直流电是商业电力系统的可行解决方案。

不过，汤姆森-休斯顿公司负责人之一的伊莱修·汤姆森却不这么认为。作为爱迪生的竞争者，他觉得交流电才是最佳的解决方案。1885年，汤姆森设计出了一个基本的交流输电系统，它依靠高压传输线将电力从发电机组输送到很远的地方。但他的设计需要一项能在使用端把电压降低的技术，也就是我们现在熟知的变压器。这项技术在1886年由西屋电气公司实现了。

尽管随着技术的进步，变压器和交流电传输系统得到了发展，然而还有一个重要的缺失环节，那便是交流发电机。这，正是特斯拉大展拳脚的地方。

特斯拉的天才火花

当爱迪生还在致力于将他的电灯商业化时，特斯拉解决了一个他在奥地利格拉茨读书时就好奇的问题。当特斯拉还是学生的时候，有一次他看到了格拉姆发电机的演示。格拉姆发电机用换向器（一个安装在机器的轴上的触头）来产生直流电而不是交流电。特斯拉向老师提议可以把换向器给去掉，然而，这样的想法被认为是非常可怕的，毕竟没有人这样尝试过，因此也引来了老师的嘲笑，但这恰恰激发了特斯拉的想象力。

在1881年，特斯拉突然有了一个灵感：如果是改变发电机定子的磁场，而不是改变转子的磁极呢？这是一个革命性的想法。在传统的发电机中，固定的定子提供恒定的磁场，而转子在磁场的作用下转动。特斯拉意识到，如果这种设定被反转过来，换向器就可以拿掉了。

当然，把这个想法变成现实需要多年的时间。特斯拉于1882年开始，在巴黎的爱迪生公司的工作。白天，他负责安装基于爱迪生直流电源系统的白炽照明系统。而在闲暇时间，他会尝试交流电机的设计。这一过程一直持续了两年，直到特斯拉被调到爱迪生在纽约市的机器厂。有消息显示，特斯拉曾向爱迪生介绍过他对交流电的想法，但是爱迪生没有兴趣。相反，爱迪生还让特斯拉对现有的直流发电厂进行改进。特斯拉按照要求去做了，但爱迪生没有支付给他相应的报酬，这使得特斯拉很失望。最终，特斯拉离开了爱迪生的公司，走向了另一条道路。

爱迪生和特斯拉

后来，特斯拉获得了律师查尔斯·佩克的和西联汇款总监阿尔弗雷德·布朗的资助，在距离爱迪生在曼哈顿的实验室几个街区远的地方建立了一个实验室，并鼓励年轻工程师完善他的交流发电机。在那个实验室里，特斯拉完成了多相感应电机的研制。

1887年，特斯拉提交了七项专利，描述了基于感应电机的完整交流系统，包括发电机、变压器、输电线路和照明设备等等。几个月后，特斯拉向美国电气工程师协会讲授了他的革命性新系统。尽管爱迪生发起了抵制交流电的活动，但是这场演讲仍然引起了巨大的轰动，它令许多专家相信交流电力系统不仅仅是可行的，而且远远优于直流电力系统。

把好主意推向市场，需要影响力。而交流电的推广，影响力来自于一个靠铁路行业发财的发明家。

纽约的沃登克里弗塔

交流还是直流？

乔治·西屋的电力公司正在努力攻破交流电力系统的技术难关，他听了特斯拉1888年的演讲之后，对此十分感兴趣。当佩克和布朗两人与西屋接触讨论关于商业化特斯拉的发明时，这位负责铁路空气制动的企业家作出了慷慨的决定。他同意支付25,000美元的现金、50,000美元的支票买下特斯拉的设备，同时每马力电还有额外的专利许可费（关于这次交易的细节，各个资料来源说法不一）。

西屋的公司将特斯拉的发明运送回宾夕法尼亚州匹兹堡，希望利用这项技术为城市的有轨电车提供动力。随后，特斯拉以西屋电气公司员工的身份就实施情况进行了磋商。项目的进展并没有那么顺利，特斯拉经常与西屋的工程师进行争论。最终，大家共同努力找出了最完美的解决方案：基于三相、60Hz电流的交流供电系统。直到今天，美国和加拿大的电力公司基本上都提供了60Hz的交流电流。

特斯拉交流电机原理说明图

到了19世纪90年代初，爱迪生和直流电的支持者感到真正的威胁。他们继续声称交流电是危险的，并拿出了1890年灾难性的电击作为证据。但是，他们在1893年遭受了严重的打击，西屋电力公司赢得了芝加哥世博会照明系统的竞标。当时，西屋公司的竞争对手是通用电气（GE），该公司由爱迪生与汤姆森·休斯敦合并组建，通用电气是直流电源的行业领导者。当格罗弗·克利夫兰总统打开开关，点亮了在整个展馆内10万只白炽灯时，几乎没有人再怀疑交流电的优势。1895年，西屋电力公司在在尼亚加拉大瀑布设计建造了一座水力发电厂，它集合了当时最先进的交流发电技术。起初，工厂只向纽约布法罗供电。但是，不久之后，电力被传送到纽约市。

特斯拉的交流电机用来远程输送电力

然而此时，特斯拉已经从电厂的日常工作细节和交流电力系统的实施细节中撤出了。他搬回了纽约市，并开了一个新的实验室。在那里，他可以探索其它新奇的想法，捣鼓机器和设备。尽管其中许多的发明与电力无关，但他对电气工程领域的影响是巨大的。事实上，特斯拉的交流电机和多相交流电系统已经成为现代发电和配电的基础，改变了我们人类利用能源的方式。然而，直流电并没有完全消失，它在特定领域发挥着不可替代的作用。

参考文献：

Carlson, W. Bernard. 'Inventor of Dreams.' Scientific American. March 2005.

Cheney, Margaret. 'Tesla: Man Out of Time.' Simon & Schuster. New York. 1981.

Encyclopedia Britannica 2005. 'Tesla, Nikola.' CD-ROM, 2005.

General Electric. 'Thomas Edison & GE.' http://www.ge.com/company/history/edison.html

Klein, Maury. 'The Power Makers: Steam, Electricity, and  the Men Who Invented Modern America.' Bloomsbury Press. New York.  2008.

PBS. 'Tesla: Master of Lightning'  http://www.pbs.org/tesla/

World Book 2005. 'electric current.'

World Book 2005. 'Tesla, Nikola.'

原文链接：

http://science.howstuffworks.com/nikola-tesla.htm

编辑：Lixy

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