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19世纪的电流之战,真正的“电气时代之父”是谁?

发表于 2020-10-3 02:05:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
  特斯拉和爱迪生谁厉害?“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。

  科学界有一个普遍共识,人类历史上曾经存在过两个公认的旷世天才:达·芬奇和尼古拉·特斯拉。他的成就几乎是爱因斯坦、爱迪生的总和。他是“科技狂人”伊隆·马斯克的精神偶像,现在风靡全球的特斯拉电动车就是以他的名字命名的!
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  特斯拉是谁?

  科学界有两大公认的旷世奇才,一个是达·芬奇,另一个就是尼古拉·特斯拉。
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  尼古拉·特斯拉

  一个单靠想象,完全不需要任何模型、图纸和实验,就可以在脑海中把所有细节完美地描绘出来,和实际做出的物件没有丝毫差别的发明天才。

  他是爱迪生最强大的对手,也是一个一生独立开发并取得专利700种,合作开发达1000种以上的科学狂人。

  没错,特斯拉除了是一个高端电动汽车品牌,除了是一个物理学单位:1特斯拉(TESLA)=10000高斯(GAUSS),还是一个值得被所有人记住的人的名字。

  电气时代的开创者

  当你开着灯,吹着空调、躺在沙发上看着电视,可曾想过,支撑这些生活电器的电是怎么来的吗?

  100多年前,在大部分人都还在使用蜡烛照明的时代,一种叫做交流电的电力系统被发明了出来,并且沿用至今。

  而它的发明者,就是尼古拉·特斯拉。他的交流电,将人类带入了第二次工业革命。

  如果你问,“电气时代之父”不是爱迪生吗?

  那么下面这个故事,会给你一番新的认知。

  1884年,一个年轻人带着前雇主的介绍信,匆匆登上了开往美国淘金圣地的轮船。他要去找他的偶像——托马斯·爱迪生,希望他能帮助自己完成交流电系统的发明。
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  托马斯·爱迪生

  信上写着:

  “亲爱的爱迪生:我认识两个伟人,一个是你,另外一个就是这位年轻人。”

  当时,爱迪生正在向全世界推销自己的直流电系统,根本不看好交流电。但凭借这封信,特斯拉还是如愿进入了爱迪生的团队。爱迪生承诺,如果他解决了“直流发电机与电动机问题”,就付给他相当于今天的一百万美元的奖金。

  但当特斯拉把爱迪生的机器修好,并问“说好的一百万呢?”

  爱迪生竟笑了,他说:“特斯拉,你不懂我们的美国式幽默。”

  心中偶像人设崩塌,被戏弄的特斯拉愤而出走,独立门户,从此,专心致志地做他的交流电系统。
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  特斯拉与交流电机

  当时,爱迪生的直流电系统要求每一平方英里内就要有一个发电站,并且因为传输过程中的损耗过大,传输距离也十分受限,而特斯拉的交流电系统用的导线更细,电压更高,传输损耗小,传输距离远。很明显,交流电更有优势。

  那处于劣势的爱迪生做了什么?

  为了“黑”交流电,爱迪生脑洞大开。贿 赂政府官员,把死刑由绞刑改为交流电电刑。

  甚至雇用小学生,用交流电将流浪猫狗电死,以此宣传交流电“是十分危险”的。

  好在特斯拉笃定“你黑不黑,交流电就在那里”的信念,通过哥伦比亚博览会的照明工程,展示了交流电的可靠性和安全性,最终赢得了“电流之战”,也还了自己清白。
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  哥伦比亚世界博览会鸟瞰图

  从此,交流电被认可,取代了直流电,成了供电主流。

  要知道,那个时候,人们每使用一匹电力,特斯拉能获得2.5美元的专利使用费。有人统计过,这至少可以给特斯拉带来3000亿美元的收入!特斯拉早就可以富可敌国了。

  但万万没想到,他撕毁了专利合同,把这项发明免费供全世界使用。(如果他没这么做,我们现在还要给他交钱)

  所以,称特斯拉为“电气时代之父”,当之无愧。

  一个会让你质疑诺贝尔奖的人

  问:X射线是谁发现的?

  答:威廉·康拉德·伦琴?

  不!是哥。

  历史记载,伦琴于1895年11月8日发现了X射线,为开创医疗影像技术铺平了道路,1901年被授予首次诺贝尔物理学奖。

  但事实上,特斯拉先于伦琴发现X射线,并警告说这个东西很危险,拒绝实施医学实验。

  特斯拉用自己的身体试验X射线,这是他拍摄的脚部影像图

  问:无线电是谁发明的?

  答:伽利尔摩·马可尼?

  不!是哥。

  至今还有很多人认为无线电发明者是马可尼,他还因此获得了1909年的诺贝尔物理学奖,被称作“无线电之父”。

  但其实,特斯拉1897年就已经获得了无线电技术的专利。是在爱迪生的干预下,美国专利局才撤销了特斯拉的专利权,转而授予马可尼。
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  1943年,美国最高法院重新认定尼古拉·特斯拉的专利有效,宣布马可尼的无线电专利无效。

  在特斯拉75岁寿辰时,共收到八位诺贝尔物理学奖得主的感谢函。

  1943年,特斯拉的葬礼,同样是由三位诺贝尔物理学奖获得者代表诺贝尔团队致辞。历年来,一直都有诺贝尔物理学奖获得者对尼古拉·特斯拉表示感谢与敬意。

  据说,研究特斯拉的发明,从而直接得到启发并获得诺贝尔物理学奖的占27%,间接得到启发的更是超过65%。

  而特斯拉自己,11次被提名诺贝尔奖,9次让贤,2次拒领。

  他的每一次预言,都能让世界快进至少100年

  在“电流之战”中,特斯拉曾说过:“交流电是未来潮流”。百年后的今天,他发明的交流电仍在照亮整个世界。

  他在一次实验中,从接收器里听到一个奇怪而有节奏的声音,当时就相信,人类可以接收到来自另外一个世界的讯息。1899年,他就发现了宇宙无线电波,直到1932年才被科学家证实。而今天,特斯拉曾接收到的信号,我们通过射电望远镜也能收到了。

  被誉为“中国天眼”的FAST射电望远镜

  另外,“远程自动化”也是特斯拉发明的。我们最近才流行的极具未来感的无人驾驶,他在100多年前就能做到了。
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  特斯拉的无线遥控船只示意原图

  就连现在某些手机的“无线充电技术”,其实也是特斯拉玩剩下的。
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  特斯拉无线输电点亮灯泡

  特斯拉线圈,是特斯拉最超前,也是他一生中最受争议的发明,同时也是他对人类做出最大贡献的发明。因为这是一项能够无限量供电的免费能源科技。

  100多年后,当我们听到“免费能源”“用之不竭的电力”或是“电费皆免费”等,还会以为是天方夜谭。但100多年前,特斯拉线圈就已经可以实现这些。

  特斯拉线圈

  这样的科学巨匠,为什么我们不知道?

  特斯拉有1000多项发明专利。当今世界的科学发明体系,仍然建立在特斯拉留下的遗产之上。

  但现在我们能够认知和采用的发明,还只是他40岁以前的发明。他在40岁以后的发明,一律已被封锁。
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  据说,特斯拉去世前,仍然在做超能粒子武器的研究,还提出了“光束武器”的概念。但直到1983年3月,里根总统提出了“星球大战计划”。为了应对毁灭性的核威胁,特斯拉的光束武器概念,才终于被美国政府正眼看待了。

  特斯拉在其自己的手稿中这样描述过——自己的特制粒子发射器,可以在最后产生极大的能量,简单的来说它们(指自己的发明)可以作为优良的防控装备,可在200里之外,轻松快速的将10000架敌机迫降甚至坠毁!

  从其自己的描述中,可以轻易的知道,他的这个武器有多厉害。但是,不幸的是一直由于缺少支持者,没有一定的基础物质,有些事只能被搁置,最后直到特斯拉去世才有些许进展!

  如若将这项技术从那时研究至今,达到高精尖的水平,您敢说核武器就是武器界的绝对霸主?

  特斯拉去世后,战争部联系了FBI,FBI将他的设计图纸与实验作品全部没收,并将其列入高级机密,美国军方对他的论文研究至今也没有停止。

  有一份文件记载:“(他)有80个分布在不同地方的手提箱,里面有他的研究手稿以及试验计划……”

  当然,特斯拉被遗忘,除了政府的“封杀”,还有别的原因:

  特斯拉是走在时代前面的人,他看得太远,他的发明太超前,在当时经常被当作科学异端、甚至被认为是火星人。
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特斯拉在超高压人工闪电下写日记
  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·威斯汀豪斯将赌注押在了交流电上,他邀请特斯拉到他的公司去工作。其实,早在1883年,威斯汀豪斯就对交流电产生了极大的兴趣。当时,法国人吕西安·戈拉尔和英国人约翰·吉布斯在伦敦的一个博览会上向人们展示了一款能够进行远距离传输的交流电设备。这个设备运用了"二次发电机"(一种已经注册了专利权的特殊变压器)。就是利用戈拉尔·吉布斯的变压器和由恩斯特·沃纳·冯·西门子校准的发电机,1886年3月,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。

  1888年3月,意大利物理学家伽利略·费拉利斯向都灵科学院展示了他的交流电"异步电动机"(该机器是在1885年设计完成的)。它的原理是建立在一个转动的磁场上,和特斯拉5年前的设计理念很相似,只是技术更加完善,功率更大。与此同时,围绕着交流电动机的"斗争"也日趋激烈:特斯拉要求拥有其发现转动磁场的优先权,并且针对费拉利斯制造的交流电动机。经过一系列冗长的、令人厌烦的诉讼过程,法庭最后判定:转动磁场的原始发现人属于意大利科学家费拉利斯。然而令人遗憾的是,费拉利斯并没有将异步电动机的巨大潜力运用到日常生活中去。

  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(电椅就是在这样的"启发"下发明的)。同时,作为对爱迪生宣传攻势的反击,特斯拉也在舞台上进行了很多真正的"电魔术"表演。除了使人们为之惊叹,特斯拉的另一个目的就是向世人传播的交流电理念:当不被用在故意犯罪的目的时,交流电是非常安全的。

  当这场"电流之战"愈演愈烈之时,芝加哥正在筹备一个世界博览会,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。

  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。

  乔治·威斯汀豪斯

  美国发明家、实业家。生于纽约州。内战期间在联军服役时即对发明产生兴趣。第一个发明是铁路“辙叉”(铁路结合装置)。1868年发明汽闸,使高速铁路运输安全,至今仍为标准设备。1869年建立威斯汀豪斯电气公司,该公司掌握400多项与铁路运输有关的专利。还率先将高压交流电引入美国的输电系统。打破了爱迪生发明的直流电一统天下的局面。

  小乔治·威斯汀豪斯(George Westinghouse,Jr.,1846年10月6日-1914年3月12日),美国实业家、发明家,西屋电气创始人。生于纽约州森特勒尔布里奇。南北战争期间曾在陆军和海军中服役。21岁时即获第一项专利,能使出轨货车复轨的装置。他早期曾在他父亲的农业机械厂工作。1868年因发明空气制动器而闻名,当威斯汀豪斯第一次对铁路巨头科尼利尔斯·范德比尔特谈到他的发明时,范德比尔特把这种用空气来停止火车的整个想法说成是一派胡言,不屑一听。但是,很快就证明了范德比尔特的说法是真正的胡说八道,威斯汀豪斯的气闸则像野火一样,遍地蔓延。1869年成立威斯汀豪斯空气制动器公司,此后,气动装置开始用于控制道岔和信号系统。他的自动空气制动器迅速推广到全美和欧洲。在推广空气制动器过程中,他注意部件生产中标准化的好处,从而成为现代工业生产中推行标准化的首批企业家之一。








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