AC-DC争端
从富兰克林发现电现象到法拉第发现电磁感应定律，科学家们都渴望破解这一神奇物理现象的密码。我们故事的开始是从1802开始的(如果电气发展的全貌已经展开的话会更早)。当时，实验室的科学家已经能够通过电化学反应产生稳定的电流。当时著名的英国化学家汉弗莱·戴维爵士(封于1812)用电流加热不同的金属棒，发现铂丝可以保持一段时间的白炽而不被氧化，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产生火花，代表电的存在。1809年，大卫将两根碳棒连接在一个大功率电池的两端，互不接触，碳棒之间有一个拱形火花，所以称之为“电弧”，这是弧光灯的基本原理。大卫的两个发现分别为白炽灯和弧光灯的发明奠定了基础。
关于汉弗莱·大卫爵士，还有两件事值得一提。一个是他个人的成就。他发现并制造了许多元素，包括钙、镁、钠、钾、锶和钡。他是公认的发现元素最多的科学家，也被称为“无机化学”。第二，大卫发现了法拉第的才华，并把他引向了科学界的大门。虽然师徒二人经历了一些不愉快，但大卫仍然骄傲地认为法拉第是他生前最伟大的发现。
于是在接下来的70年里，各行各业的科学家和学者发明了各种形式的白炽灯和弧光灯。以下仅是发明的代表性例子:
1840年，威廉·罗伯特·格罗夫爵士发明了下图所示的实验灯。他在铂丝两端接上两根铜线，涂上绝缘。然后他将铂丝作为灯丝放入倒置在水中的玻璃中，以避免白炽灯丝被气流散热，减少铂丝被氧气氧化。格罗夫爵士发明的白炽灯只能发出微弱的光，而且耗电量太大，无法商业化。
1841年，另一位英国人弗雷德里克·德·莫莱因斯获得了世界上第一盏白炽灯的专利。这种球形白炽灯上部的灯管内装有碳粉，下端的开口为两根铂丝提供碳粉。但是由于碳粉在高温下挥发，球形玻璃会很快变黑，还是不实用。
在接下来的20年里，各种形状各异的白炽灯相继问世，但由于成本高、发光时间短、外壳黑等诸多问题，并没有大规模投入使用。
1860年，英国人约瑟夫·斯旺制作了碳丝电灯，但受到技术条件的限制。当时，他未能创造出灯丝持续工作的良好真空环境。直到1878年，英国的真空技术才发展起来满足需要，他发明了真空下用碳丝供电的灯泡，并获得了英国专利。1879年，斯万在各地的演讲中能够公开向观众演示他的白炽灯。同年，他成立了天鹅电灯泡有限公司，实现了白炽灯的私人化和商业化生产。盖茨黑德的天鹅之家是世界上第一座有电的私人住宅。
在俄罗斯，1872年，科学家Lodyguine发明了一种以V型石墨为燃料，充入氮气的白炽灯。因为运营成本高，使用寿命短(12小时)，这个项目也以失败告终。
1874年，加拿大的两位电工发明了一项技术，在一个玻璃灯泡中充入氮气，使其与通电的碳棒一起发光。但由于他们缺乏后续资金，这项技术在1875卖给了我们熟悉的爱迪生。这两个电工的名字没有找到。
爱迪生买下白炽灯的专利后，在1878年夏天开始准备发明白炽灯。他不仅会发明白炽灯，还会发明一套完整的电力系统，可以像煤气一样给用户提供电力。
爱迪生在19的70年代末和19的80年代初创造了很多奇迹，包括白炽灯——门罗公园实验室，世界上设备最齐全的私人工业研发室。在这里，爱迪生和他的实验者改进了电话，发明了留声机，开发了商用电灯和电力系统。在门洛帕克，爱迪生总结了构成他余生创新之路的三个要素:以团队为基础的研究，企业对研发的支持，以及他自己作为一个可靠和实用的发明家的品牌形象，以鼓励投资者资助实验室和发明。
白炽灯的改进和电力系统的发明过程，因为有了可靠的团队和修复过的实验室，有了很好的基础。
1877年9月，爱迪生白炽灯碳化纸带。由于当时没有性能优异的真空泵，无法构建有效的真空环境，碳化纸带在氧化实验中很快失效。
爱迪生进一步了解了电弧照明系统和新发明的发电机后，提出了两个新的想法:在灯丝过热前切断电路以确保灯丝不熔断，通过并联灯泡使每盏灯独立工作。1878年9月3日，爱迪生为他现有的想法申请了专利，并在《纽约太阳报》上说，电灯照明会比煤气照明便宜。但实际上，现阶段爱迪生还没有改进或发明出可以长时间工作的白炽灯。
9月底，爱迪生的律师开始与一些感兴趣的投资者讨论。最后，10年6月16日，爱迪生电灯公司成立，总资本30万美元。爱迪生授予该公司对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，以及另外65，438+000，000美元。在保证最低年薪15000美元的前提下，他获得了公司每卖出一盏灯5美分的版税。
以上是爱迪生为建立他的电灯和电力系统所做的准备，也是伟大的科学实验之前必须完成的一步——筹集资金。
1878年秋天，门罗公园的实验者们开始设计白炽灯的整个系统，包括开关、电表和配电系统。因为爱迪生对华莱士的发电机不满意，实验人员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并放置在真空中的铂丝灯。
6月1879 65438+10月21，实验室开始对炭纱进行检测，炭化棉纱的检测效果最好。65438+2月21日，《纽约先驱报》第一版发表长文《伟大发明家在电气照明方面的辉煌成就》。65438+2月的最后一周，数百名游客来到门罗公园实验室，参观爱迪生在实验室的首次电灯展，爱迪生的电灯一时名声大噪。
爱迪生的专利由爱迪生电灯公司控制，其董事会不愿意投资生产经营。他们更倾向于出售新技术的许可权。为了控制成本，继续改进电灯照明技术和生产方法，爱迪生只能在自己的车间里制造系统。
1880年，爱迪生买下了门洛帕克附近的一个废弃工厂生产白炽灯，工人生产真空泵，实验人员继续改进灯泡。经过几个月的调查，最终确定日本竹丝为灯丝。同年，爱迪生成立了爱迪生电灯公司来管理工厂和纽约爱迪生照明公司。1881年2月，首个陆基照明系统在纽约一家打印机公司落地。3月4日，爱迪生成立了电气管道公司；同月，与巴特勒成立爱迪生机械厂，生产照明系统中的发电机等大型设备；4月，伯格曼公司成立，生产灯具，创造独立照明，管理独立发电厂的业务。8月，爱迪生买下了珍珠街255号到257号的几个仓库，开始建造美国第一座发电厂。DC供电系统原传输范围约为1.6 km，但根据实际情况，以珍珠街电厂为中心，传输范围缩小至1 km。仓库改造后，一楼安装了四台大型燃煤锅炉，提供加压蒸汽驱动发电机。发电机安装在二层，重21吨，可发电100kW，足以为1，200盏灯提供电力。爱迪生把它命名为“巨无霸”。165438+10月，爱迪生成立了独立的照明公司。
1882年，摩根决定在爱迪生位于麦迪逊大道的高档豪宅展示他的照明系统。6月7日晚，摩根的豪宅灯火通明。在摩根此举的推动下，1882年秋，直流电通过地下电缆输送到59个客户的预签约大楼，纽约成为第一个被白炽灯点亮的城市。为了保证所有用户都能安全稳定地使用电灯，防止灯丝因为电压高而烧坏，亮度因为电压低而不稳定，爱迪生选择了110kV的DC电压作为传输电压。
到1883年春天，爱迪生* * *已经售出330套独立系统，为64000多盏灯提供电力。
随着DC系统的建设如火如荼，其传输距离短的缺点也越来越突出。电能只能有效地输送到距离中心电厂不到2公里的区域，超过这个范围电压会大大降低。爱迪生的DC系统必须建立几十个发电厂来服务整个纽约市，这对于纽约这样高地价的城市来说是不现实的。
如果你想提高输电电压，你只能通过串联DC发电机来实现。如前所述，DC发生器体积庞大，需要考虑灯丝烧毁的问题，传输距离受到严重限制，DC助推不易实现。为了降低线损，需要使用较粗的铜线。铜是电力工业不可缺少的原材料，但铜价在187年突然从每磅10美分涨到每磅16美分，对DC供电系统产生了相当大的影响。
上次爱迪生的DC供电系统遇到了供电距离的问题。虽然爱迪生和他的公司也想办法解决，但是这个问题解决不了，至少解决不好。解决供电距离问题的最好办法是采用交流输电，这是DC最强的竞争对手。
1882年，法国科学家高拉德和英国人吉布斯一起申请了交流配电系统专利。变压器交流电源可以方便地用来升压，高压电源可以传输到更远的距离，然后为用户降压。通信的出现有效地解决了供电距离的问题。说到通信，就不得不提两个人:西屋和特斯拉。
尼古拉·特斯拉于1884年6月初乘坐里士满城号船抵达纽约。当特斯拉踏上曼哈顿的土地时，自由女神像还在建设中，爱迪生的第一家使用电力的工厂在珍珠街只有两年历史。
到美国的第二天，28岁的特斯拉去拜访37岁的爱迪生。这时，爱迪生的总部位于纽约第五大道65号。他不屑特斯拉对数学的依赖，炫耀自己不在乎科学理论。尽管他们的第一次会面并不完美，爱迪生还是在那天下午雇佣了特斯拉来修理俄勒冈号船上的照明系统。
在开始工作后的6个月内，特斯拉设计了20多种机器来取代爱迪生公司效率低下的旧机器，节省了大量资金。但无论特斯拉如何推荐通信技术，爱迪生都不感兴趣。他们最终的分手源于一个没有兑现的承诺。特斯拉认为他可以大大提高爱迪生发电机的效率。爱迪生承诺，如果有人能成功提高发电机的效率，他将获得5万美元的奖励。半年后(大约1884 65438+2月初)，特斯拉真的把玛丽安发电机的功率提高了两倍，但爱迪生拒绝支付5万美元，说他不懂美国人的幽默。尽管爱迪生仍然提出加薪55%，但这并没有阻止特斯拉的离职。
在离开爱迪生公司后，新泽西州劳威镇的议员本杰明·维尔(Benjamin Vail)向特斯拉伸出了橄榄枝，他们共同成立了特斯拉电光制造公司，旨在为劳威镇建立一个完善的电弧照明系统。特斯拉花了一年时间改进发电机和电灯(弧光灯)，并把专利给了公司，以换取股份。1886年，薇拉镇拥有“完善的自动和自调节电弧照明系统”，但韦尔只想运营和维护现有的电力系统，将特斯拉挤出了公司。
失业后，特斯拉一度以挖电缆沟为生。在最困难的时刻，他完成了热磁电机的专利申请，得到了挖沟人的赏识，并把他介绍给了纽约西联电报公司的总经理阿尔弗雷德·布朗(Alfred Brown)，随后特斯拉被介绍给了联合电报公司的专利律师兼职员查尔斯·佩克(Charles Peck)。
1887年4月，特斯拉、布朗和佩克共同成立了特斯拉电力公司，规定发明者可以拿到公司三分之一的利润，特斯拉暂时不用担心钱和生活，终于有了自己的实验室。随后他又研制出可以减少电机产生火花的换向器和可以提高DC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。这一次，他的伙伴没有嫌弃他，而是鼓励他先去做其他方向的研究，等待机会。在这样友好和谐的氛围中，特斯拉一年四季都在积极创造他的发明，准备申请专利。此时，特斯拉希望通过交流发电机的发明和推广，统一电力行业的标准。
1888年5月，涵盖交流电机等多项技术发明的7项专利获批。1888春夏期间，特斯拉研发了20多种不同型号的多相电机，适用于不同场景，如重载启动、异速运行、恒速运行等。这些电机后来被应用到重型机械、冰箱、风扇等领域。
一些人对DC系统感兴趣，另一些人则押注于空调系统。乔治·威斯汀豪斯购买了许多专利，包括感应电机和变压器。在了解到特斯拉关于交流电机的诸多发明后，他派出了自己的法律顾问和技术专家进行调查。两位专家都认为特斯拉汽车是他们见过的最好的，因此佩克提出的20万美元专利购买费和每马力2.5美元专利税的要求也被西屋公司接受。
1888年7月中旬，特斯拉向西屋公司出售了20多项专利，获得了150股股份和每马力2.5美元的专利费，并被邀请到匹兹堡进行进一步的发明研究。1888年7月下旬，特斯拉应邀前往匹兹堡。
西屋也是一个伟大的发明家。他拥有400多项专利，其中大部分都与铁路制动有关。合作之初，他期望特斯拉的电机与公司的单相电路集成，电流为133 Hz(当时没有Hz的概念)。故障发生后，西屋员工改变了中央电站的频率，以适应特斯拉电机的频率。这个频率需要足够高，不仅要让灯停止闪烁，还要驱动电机有效运转，最后定为60 Hz。不到十年，60 Hz已经成为电力生产的标准。1889特斯拉产生了15项专利，是他申请专利最多的一年。西屋* * *生产了近1000台特斯拉电机。
1889年的盛夏，特斯拉结束欧洲之旅回到纽约，发明了特斯拉线圈，一种类似星球大战中光剑的“发光管”，这也是他在以后的演讲活动中一定会展示的成果。交流电机和高频线圈的发明使他一举成名。
与特斯拉签约后，西屋发展太快，大举借债扩张产业。当经济崩溃时，债权人要求撤回资金，于是公司想收回特斯拉的高额专利费。西屋与特斯拉重新谈判，特斯拉撕毁合同，放弃专利费。
DC输电系统和交流输电系统从发明之初就存在竞争关系，直到1880后期，胜负仍不明朗。爱迪生和他背后的金融家掌握了大部分项目和资金，而特斯拉和西屋拥有他们认为更高效、更强大的电力系统。但这两种电力模式都必须与天然气公司竞争。这场斗争的风险和潜在利润一样大。
西屋邀请爱迪生参观1888匹兹堡的实验室，爱迪生断然拒绝了西屋的邀请。从65438年到0890年，爱迪生发起了大规模的反对交流电的公关活动，包括发表了一篇84页的辱骂文章，猛烈抨击西屋电气。西屋公司回复了他的一份电力手册，指责爱迪生的安全记录不佳，表明爱迪生的DC中央电站经常发生火灾。
至此，战争已经发展到一个更加令人毛骨悚然的地方。爱迪生和他的商业伙伴哈罗德·布朗在一次公开展览中联手电死了一只狗。此后，布朗继续在50多种不同的动物身上进行这项实验，包括狗、猫、小牛和马，以宣传交流电符合作为电击媒介的所有条件。在一系列残酷示威的配合下，爱迪生向纽约立法机关建议使用交流电执行电刑，他甚至自己勾勒出了具体的电刑步骤。最后，他的说客说服了纽约州政府在纽约的两所州立监狱里设立电刑椅。目睹第一次电刑的目击者被死刑犯身体着火的场景吓坏了。《纽约时报》报道:“恶臭令人无法忍受。”这次处决使公众舆论反对爱迪生的想法和做法，爱迪生的言论使他处于尴尬的境地。
特斯拉通过写一篇介绍他的发明的文章加入了这场辩论。1891年2月，特斯拉在《动力工程师》中详细讲述了交流电安全远距离传输的全过程，随后爱迪生和他在一系列行业杂志的读者来信中展开了激烈的争论，从冬天一直持续到第二年春天。
为了让公众更多地了解交流电，同年5月，特斯拉在纽约哥伦比亚大学向美国电气工程学会发表演讲。特斯拉的演讲和现场演示让与会的实验者、记者和金融家们着迷。为了揭穿爱迪生关于交流电危险性的说法，特斯拉让几千伏的交流电通过他的身体，使微小的火花从指尖释放出来，而发明家本人却安然无恙。
于是这位腼腆的发明家越来越出名，他不得不面对那些合法竞争者的进攻。1892年，特斯拉决定前往欧洲捍卫自己的专利权，并向欧洲制造商推广自己的发明。1893年2月，西屋公司销售的交流系统提供的照明设备总量是爱迪生公司的13倍。
在特斯拉做各种讲座的时候，爱迪生的公司被整合成了“爱迪生通用电气公司”，一直和特斯拉争夺交流电机专利的汤姆森-休斯顿公司也被通用电气以1892收购。爱迪生在新公司的董事会中保留了一席之地，但他的名字不再出现在新公司“通用电气公司”的名称中，这让他深受其害。
在这个阶段，特斯拉在AC和DC的战斗中似乎更擅长公关，但没有爱迪生，通用电气赚了很多钱。双方最后的决战将在1893芝加哥世博会上演，纪念哥伦布登陆美洲大陆400周年。
由于通用电气公司报价高得离谱，为芝加哥世博会提供和运行的所有电灯和电机都被西屋公司以通用电气公司报价的一半价格拿下，而且没有使用爱迪生的白炽灯专利，而是使用了特斯拉和西屋工程师开发的两级电灯。
电灯并不是西屋顶面临的唯一挑战。芝加哥需要的东西是巨大的。西屋电气-特斯拉团队升级了电机和变压器，并扩大了十多台发电机的功率。升级后，一名工程师可以在这个和那个世博园区操作40个不同的电路。
游客和科学家在离开世博园时都深信，能源的未来属于电，电的未来属于交流电。世博会后，美国订购的电器80%属于特斯拉的设计，交流电逐渐锁定了电力战的胜利。
凭借这一胜利，西屋电气和特斯拉转而寻求在尼亚加拉瀑布建设水电设施的巨大商机。1893年6月，西屋公司凭借一个大胆的计划赢得了尼亚加拉瀑布的关键合同。
1896 165438+10月16，西屋推了尼亚加拉水电站的开关，结束了电力大战！
参考资料:
[1]?亨利·施？der。电灯的历史。华盛顿特区:史密森学会，1923。
【2】知乎。爱迪生发明了电吗？链接:/question/36060925/answer/343479253
[3]科学史。https://www . science history . org/historical-profile/Humphry-Davy
[4]著名投资家。https://www.famousinventors.org/joseph-swan
[5]w·伯纳德·卡尔森，？特斯拉——电动时代的先锋[M]。人民邮电出版社，2016
[6]理查德·芒森，特斯拉传——现代发明家[M]，中信出版社，2019。
[7]拉皮罗夫·斯考伯，爱迪生传记[M]，？商务印书馆，2013
[8]莱昂纳多·迪格拉夫，爱迪生:创新的源泉和商业成功的秘诀[M]，？湖南科学技术出版社，2019