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元素太初:特斯拉和爱迪生的“电力之战”

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1891年,美国纽约哥伦比亚大学礼堂内,一个身材高大的男子走上讲台,他一手握着一个铜球,触碰了一下被后人称之为特斯拉线圈的高频高压交流电装置。刹那间,25万伏高压电进入他的身体,在观众惊异的目光中,他后退几步,电流产生的光芒消失了,他却毫发无损。

这名男子就是尼古拉·特斯拉,交流电动机的发明者。特斯拉用上面那个实验,向世人证明了交流电的安全性。

过去几年里,爱迪生电力照明公司是交流电的主要反对者,这是因为在激烈的电力市场竞争中,爱迪生的直流电系统逐渐丧失大量市场份额,他们最大的竞争对手是西屋电力公司,而特斯拉正是西屋电气创始人乔治-威斯汀豪斯的好朋友。为了反击,爱迪生的公司买下许多报纸版面,用耸人听闻的故事向公众宣传交流电何其危险。特斯拉见状,决定剑走偏锋,希望通过这场稍显哗众取宠的实验来挽救西屋的公共形象。

通常来说,当科学技术出现争议时,比如两种发明互相竞争,都希望获得更广泛的认知和接纳,正如爱迪生和特斯拉就电力生产系统产生分歧时所发生的故事。在这场“电力之战”中,两人都使尽浑身解数,甚至互相咒骂,爱迪生还试图让政府判定交流电不合法。最终,冷静的工程师头脑略胜一筹,用一场人体试验赢得了更多人的认可。

很多人认为电灯是托马斯·爱迪生发明的,据历史记载:“1879年lO月21日,美国科学家发明了电灯。”实际上,世界上第一只弧光灯是英国人汉弗里·戴维于1807年发明的,他也是受到了意大利物理学家亚历山德罗·伏塔的启发。18世纪末19世纪初,许多科学家都对电兴趣盎然。1800年,伏塔用锌和铜做了一个电池堆,这是第一个现代意义上的电池。戴维在伦敦英国皇家学院的地下室里建造了一个大型蓄电池,为了检验电池的能量,他把电极连到两只碳棒上,当两只碳棒稍稍分开时,电流发出了火花,释放出一道明亮的闪光。

从19世纪初直到19世纪60年代,科学家和发明家们不断尝试,希望能制造出由机电驱动的能够稳定发光的电灯,也就是说碳化物之间的距离要恰到好处。但是他们无法摆脱对电池的依赖,这限制了他们的操作空间。为了实现目标,需要新型发电工具。

1831年,曾经在戴维实验室做助理的迈克·法拉第发现,只要有电线通过线路,线路就会绕着一块磁铁转动。在这个基础上,法拉第发明出圆盘发电机,这也是现代发电机的鼻祖。

受到启发的科学家、发明家和工程师开始幻想在所有街道和建筑内部使用电灯照明的可能性。1876年,克利夫兰的查尔斯·布拉什设计出第一台直流电发动机,能够一次点亮4盏弧光灯。很快,布拉什的发明就被广泛应用起来。街道、工厂、商店,都被电灯照亮了。弧光灯非常适合用于街道和大型建筑内部的照明,直到今天还在发挥作用,比如电影开场时的探照灯。

但是很多时候,人们只想拥有一只小巧柔和的电灯,这个时候弧光灯帮不上什么忙。爱迪生敏锐地捕捉到这一市场需求,1878年,本来在门罗公园实验室里研究留声机的爱迪生决定放弃手头的工作,扎入这个自己一无所知的领域——电力照明。

如何才能做出一只小巧的灯泡呢?爱迪生想到了白炽一一遇热就能发光,当温度上升到一定程度时,不仅会发光,还能照明。为了更好地利用白炽状态,爱迪生先是用铂做实验,因为这种金属的熔点高。爱迪生猜测电流能够通过铂丝将热传导至白炽状态,但他没料到氧气使得铂丝很快就被烧坏了。为了解决这个问题,爱迪生把金属丝放入一个真空球状体中。尽管真空状态延长了铂丝的寿命,但铂这种金属实在是造价不菲,且电阻太低,如果用铂丝来导电就意味着日后需要购置昂贵的铜制电缆。

剩下的问题就是找到一种高电阻金属做导体,1879年,爱迪生及其团队尝试了数十种不同的材料,最后发现用于送话机的碳黑是最理想的材料。1879年11月,爱迪生和同事把碳丝放进真空,由于真空里没有氧气,所以碳丝遇热也不会燃烧,实验取得了成功。当年年底,爱迪生在自己位于门罗公园的实验室内向全世界宣告碳丝白炽灯研发成功了。

但是要大规模生产这种电灯,爱迪生还得设计一套完整的电力系统为其供电。他想到了大城市里已经成熟的煤气灯系统,一个城市的煤气照明系统一般包括一个中央电站和星罗棋布的地下导管,当然还有气表和灯具。1882年,爱迪生在纽约曼哈顿的珍珠街上修建了自己的第一个电站。华尔街和各大媒体的办公室都在附近,从而确保爱迪生拥有丰裕的融资渠道和便利的媒体宣传。在修建电站之前,爱迪生和同事对这一区域进行了充分研究,对现有煤气、煤油灯数量和白炽灯潜在市场了然于心。但是直流电系统存在一个无法克服的问题,那就是只适合人口稠密的大城市中心地带,中央电站方圆1英里以内的电灯照明效果最好。如果供电面积过大,就需要建造多个电站,成本太高。

愛迪生的判断没错,小型电灯确实拥有广阔的市场,随着白炽电灯的推广,爱迪生在19世纪80年代获得了丰厚的回报。其他发明家和投资者见状也涌入这个领域,爱迪生凭一己之力完全无法抵挡激烈的竞争。更要命的是,他的电力系统只能在人口密集的城镇运转。美国有无数小镇渴望拥有电力照明系统,但苦于人口分布太过分散,引入爱迪生电灯的成本太高。谁能占领这个潜力巨大的市场谁就能大发其财。

乔治·威斯汀豪斯锁定了这个商机,他为此专门发明了一套交流电系统。威斯汀豪斯的想法是,如果提高电压(比如提高到1000伏)来传输电流,就能减少电缆的用量。但是将1000伏的高压电输送到居民家中是极其危险的,于是威斯汀豪斯找欧洲的朋友借来一个装置一一变压器,从而使得电压从1000伏降到110伏。变压器只适用于交流电,这意味着威斯汀豪斯的新发明有别于当时通行的爱迪生直流电系统。在直流电系统中,电压永远是110伏,对所有人来说都很安全,工人只需按照安装电话和电报线路的方法来操作即可。但是威斯汀豪斯的交流电系统则要复杂一些,电线上的电压在正1000伏和负1000伏之间变动,安装工人存在触电的危险,工程师们必须找到更有效的绝缘材料。鉴于交流电传输系统能够以低廉的价格远距离传送电力,威斯汀豪斯认为增加安全设施和保障措施是物有所值的投资。

1887年,正当相信交流电的电气工程师们雄心勃勃准备大展拳脚时,他们突然意识到一个巨大的经济问题无法解决。理想状态下,交流电系统能够覆盖整个城市,但是发电站和电缆网络的修建和铺设成本巨大,为了保持收支平衡,发电站必须日夜开动,一刻不停。电灯晚上才派上用场,白天如何消耗这么多的能量?工程师们意识到需要一个电机,能够用在公共汽车、工厂、电梯和所有设施中的电机。

此时,尼古拉·特斯拉带着威斯汀豪斯急需的发明翩然而至。1856年,特斯拉生于今克罗地亚地区,父母都是塞尔维亚人。青年时期他在奥地利理工学院学习电气工程,后来又前往捷克布拉格大学深造。就在这个时期,特斯拉对发电机产生了兴趣,物理课上他看见直流电发电机在工作时进发的火花,便向教授建议去除转换器。教授认为他疯了,但是特斯拉坚持自己的意见。1882年的某天,住在布达佩斯的特斯拉在公园里散步时,一个念头突然击中了他——在发电器中设置一个旋转磁场。通过控制线圈的通电频率,产生强弱可变且旋转的电磁场,从而使转子绕组中产生感应电流。简单说来,就是控制交流电的频率,使发电机的转速变化。但是当时的特斯拉还不知道如何将想法付诸实践。

接下来的5年中,特斯拉一直在完善自己的理论,试图造出一台完美的发电机。1882年秋天,他受聘于爱迪生电力公司欧洲分部,前往巴黎工作。1884年,他被调到位于纽约的爱迪生机械厂,具体工作是改造直流发电机系统。特斯拉的工作成果为爱迪生公司取得了丰厚的利润,但是爱迪生却拒绝兑现承诺的报酬,特斯拉愤而辞职。1887年,特斯拉发现通过使用两股不同的交流电通过定子两极的线圈就能产生旋转磁场,他终于将萦绕已久的念头变成了现实。接下来,特斯拉申请了交流发电机的专利,乔治·威斯汀豪斯以20万美元(相当于今天的500万美元)的价格买下了这项专利。

如今交流发电机在手,威斯汀豪斯跃跃欲试,要与爱迪生电气照明公司比肩。他针对的正是爱迪生直流电系统无法服务的区域——人口稀少而分散的美国小城镇。威斯汀豪斯甚至不惜以低于成本的价格参与投标,力争在小城市修建新电站的机会。西屋电气的市场策略令爱迪生大为光火,为了打击竞争对手赔本赚吆喝这样的行径在爱迪生看来实在不磊落。1888年,爱迪生相继在丹佛和明尼纳波利斯的城市电网项目的投标中落败,他的一名下属弗朗西斯·黑斯廷斯决定展开回击,拿交流电不安全来说事。

第一批交流电系统才刚刚建立,确实发生了一些事故,安装电线的工人不慎碰到高压电触电身亡。在黑斯廷斯和爱迪生电力公司的操作下,报纸对这些事故大肆宣扬和报道。黑斯廷斯还找到了一个同盟——哈罗德·布朗。布朗与威斯汀豪斯有过节,非常乐意用这个机会复仇,他在爱迪生的实验室组织新闻发布会,当着受邀记者的面,让几只流浪狗被西屋电气的交流电设备电死。

布朗甚至公开向乔治·威斯汀豪斯发出挑战,他声称自己愿意亲身承受爱迪生直流电机的电压,质问威斯汀豪斯敢不敢承受交流发电机的电压。特斯拉见状,决定在1891年的演讲中设计一个环节,让25万伏的高压电穿过自己的身体,以此证明交流电的安全可靠。由于特斯拉线圈吸收了高频率电流,所以电流穿过特斯拉身体表面的时候没有伤及他的内脏器官。

除了在公共舆论上过招,爱迪生电气公司还试图占领法律高地。爱迪生公司的代表游说了好几个州的立法机构,希望将民用电力系统的最高电压限制在300伏以内,弗吉尼亚州和俄亥俄州差一点就通过了类似的限制令。

就在爱迪生的公司忙前忙后制造舆论、影响立法时,威斯汀豪斯和特斯拉则在电气工程和商业领域占了上风。首先,西屋电气决定赞助1893年在芝加哥举办的世界博览会,免费为世博会的所有电灯供电。与会者无不被灯光营造的美妙夜景所震撼,同时也认识到交流电才是未来。其次,借着世博会的成功,特斯拉说服华尔街的投资者,让他们相信尼亚加拉瀑布的水电站应该使用交流发电机,将电力传输到纽约州的各大城市。特斯拉不厌其烦地给银行家们写信,不断强调交流电可以将电力输送到更为廣阔的区域。那边厢,威斯汀豪斯积极参与这个项目的投标,最终获得了设计和供应发电机的资格。

尼亚加拉项目之后,美国电力系统的基本模式大局已定,特斯拉的交流电赢得了这场电力大战的胜利。他逐渐淡出了西屋电气的运营和管理,在纽约开了一个新的实验室,研究兴趣转向了无线电和理论物理。20世纪以来,交流电系统广泛应用于商业和住宅设施内,包括你我在内的每一个人都在享用特斯拉的遗产。

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