特斯拉和爱迪生，到底谁赢了？
出品：科普中国
制作：蓝巾（科学有段子）
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曾经，爱迪生作为课本中那个最伟大的发明家，一直是广大中小学生作文中的常客。而特斯拉则总是面目模糊，到了高中，才会在物理课上接触到以他名字命名的单位。
但随着网络的传播，爱迪生却日益市侩化，而特斯拉则成为了不少人心目中与爱因斯坦比肩的神秘科学家。他们的恩怨也成为了街头巷尾的谈资。
今天我们就从二人间爆发的电流大战说起，不谈商业，也不谈人心，只从技术原理上聊聊这些普通而又有趣的事实。
△特斯拉（左）与爱迪生（右）
图片来源：scienceabc
众所周知，特斯拉和爱迪生的电流大战中，爱迪生在个人上压了特斯拉一头，却在技术上最终失败，交流电成为了电力系统的绝对霸主。现在小朋友都知道家里用的是交流电，那为什么爱迪生却偏要选择直流电呢？以特斯拉为代表的交流供电系统又是如何击败直流电的呢？
在谈这些问题之前，首先我们要明确一点，特斯拉不是交流电的发明者。交流电的产生方法，法拉第在1831年研究电磁感应现象时就知道了，那时候特斯拉还没出生呢。特斯拉十几岁的时候，大型交流发电机就已经存在了。
实际上，特斯拉所做的工作和瓦特十分接近，就是对交流发电机进行了改进，使其更适用于大规模交流电力系统。这也是促成电流大战中交流电系统胜出的因素之一。与之相同，爱迪生也不是直流电和直流发电机的发明人，但他同样在直流电的推广中发挥了重要作用。
因此，与其说这是特斯拉和爱迪生之间的战争，不如说这是两种供电系统及其背后的商业集团的战争。
PS：查资料过程中看到有人说法拉第发明了世界上第一台交流发电机——圆盘发电机。其实这个说法是错的，从原理图上可以看出，圆盘发电机是一种直流发电机。
为什么爱迪生选择了直流电
电力系统可以简单分为三部分：发电（发电机）——输（配）电（变压器、线路、开关等）——用电（各种用电设备）。
在爱迪生那个时代（十九世纪八十年代），直流电力系统，发电有成熟的直流发电机，输电不需要变压器，只要架起导线就行了。
至于负荷方面，当时大家主要用电做两个工作，照明和驱动电机。对于照明所用的白炽灯来说，只要电压稳定，并不在乎直流还是交流。而对于电机，由于技术原因，交流电动机还没有商业应用，大家都在用直流电动机。这种环境下，直流电力系统可谓是左右逢源。
而且，直流电有个交流电不能比拟的好处，方便存储，只要有蓄电池就可以储存起来。如果供电系统发生故障，可以快速切换到蓄电池供电，以备不时之需。我们常用的UPS系统，其实就是直流蓄电池，不过在输出端通过电力电子技术转换成了交流电。甚至发电厂、变电站都要配备直流蓄电池，保证关键设备的电力供应。
△UPS原理图
图片来源：原创
那么，当时的交流电是什么样子呢？可以说一个能打的都没有。成熟的交流发电机——不存在；输电用的变压器——效率非常低（采用直线型铁心结构造成的磁阻和漏磁通过大）；至于用户，直流电动机如果通上交流电，做摆锤还差不多，只能算个摆设。
最重要的是用户体验——供电稳定性非常差。交流电不仅不能像直流电一样存储，而且当时交流电系统采用串联负载，线路上有一个负载的加入和切除，都会引起整个线路电压的变化。谁也不希望隔壁开关灯的时候，自家灯泡忽明忽暗吧。
交流电是如何崛起的
技术是发展的，很快，1884年，匈牙利人发明了高效的闭式铁心变压器。这种变压器的铁心构成了完整的磁路，可以极大地提高变压器的效率，避免能量损耗，与我们今天用的变压器结构基本相同。随着串联供电系统被并联供电系统取代，稳定性问题也被解决了。
有了这些契机，特斯拉终于登场了，他发明了实用的交流发电机，并能够与这种新型变压器配套使用。事实上，在特斯拉同时期，关于交流发电机的发明专利有几十项，但特斯拉的则更具优势，且被西屋公司看重并大规模推广。
至于用电方面的需求嘛，没有需求，那就创造需求。之前的交流电力系统都是单相交流电，而特斯拉发明了实用的多相交流异步电机，让交流电有了大展身手的机会。
多相交流电的好处有很多，例如输电线路和电气设备结构简单、成本更低，其中最特别的一项是，就是在电机驱动上。多相交流电由相位互差一定角度的正弦交流电组成，大家都知道，变化的电流可以产生变化的磁场，而通过将多个相位不同的交流电按照圆周排布，磁场的角度也会随着电流的变化而改变。排布合理的话，磁场就会以一定的频率旋转。如果用在电动机里，就可以带动转子旋转，这就是多相交流电机。
特斯拉在此原理上发明的电机，甚至都不需要专门为转子提供磁场，大大简化了电动机的结构和成本。有趣的是，马斯克的“特斯拉”电动车，也是采用交流异步电机，而不像我国电动车主要用同步电机。
△交流异步电机
图片来源：SlideShare
到了这里，我们发现，交流电已经在发电、输电和用电方面和直流电平起平坐了，那又是如何一飞冲天，占据整个电力市场的呢？
关键就在成本，二者输送过程中的损耗的差异，彻底拉开了直流和交流输电的差距。
学过基本的电学知识，就会知道，在长距离输电中，较低的电压会导致较大的损耗，这个损耗来自于线路电阻的发热，会平白增加电厂的成本。
爱迪生的直流发电机输出电压是110V，这样低的电压，需要在每个用户附近都设置发电站。在用电量大，用户密集的地区，供电范围甚至只有几公里。例如1882年爱迪生在建成的第一个直流供电系统，只能为电厂周围1.5km的用户供电。
且不说如此多的电厂的基建成本，就是电厂的动力来源也是大问题。当时为了节约成本，电厂最好是建在河流附近，这样可以直接用水力发电。但为了给远离水力资源的地区供电，就得靠火力发电，烧煤使成本也一下提高了不少。
另一个问题，也是长距离输电造成的，线路越长，电阻越大，线路压降就越多，最远端的用户电压可能低到无法使用。解决的办法只有提高发电厂输出的电压，但又会造成近处用户电压过高，烧坏了设备怎么办？
交流电却不存在这样的问题，只要用变压器进行升压，几十公里的输电都不在话下。北美第一个交流供电系统，便可以用4000V电压为21km外的用户供电。后来，采用西屋公司交流电力系统，甚至可以让尼亚加拉瀑布为30公里外的法布罗供电。
△尼加拉瀑布的水电站
图片来源：https://www.wakingtimes.com/monopoly-of-hydro-electricity/
遗憾的是，直流电没法用这种方式升压。因为交流电升压所采用的原理是电磁感应，简单地说，就是变压器一侧变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场又在另一侧产生变化的感应电压（电动势）。变压器要工作，关键在于电流要变化，而这恰恰是直流电所不具备的。
在具备了这一系列技术条件后，交流供电系统便以其低廉的成本一骑绝尘，将直流电彻底击败，爱迪生的直流电公司，很快被改制成另一家著名的电气公司——美国通用电气。