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愛迪生與特斯拉的電流大戰
2007/07/19 19:02
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愛迪生與特斯拉的電流大戰
□法比奧·托斯卡



  感謝交流電,正是由於交流電技術,今天的世界才得以運行。然而,交流電的成功卻是建立在一場發生在19世紀末最偉大的兩位發明家之間的激烈爭辯之上的。他們就是愛迪生和特斯拉。在利益面前,他們毫不猶豫地使用各種手段,甚至包括魔術表演和殘忍的展示.

  「我認識兩位偉人,你是其中之一;另外一個就是站在你面前的年輕人……」1884年深秋的一個清晨,就是帶著這樣一封推薦信,尼古拉·特斯拉跨入了位於紐約著名的第五大道上一座漂亮大廈的門檻。特斯拉是一名優秀的塞爾維亞工程師,當時28歲的他剛剛準備和世界上最著名的發明家一起工作,而這位發明家僅僅用了幾年的時間就開始了他的電燈照明時代。托馬斯·愛迪生在他公司總部的辦公室熱情接待了這位躊躇滿志的年輕人。看過了特斯拉的簡歷以後,愛迪生馬上委派給他一份工作。為特斯拉寫推薦信的人是查爾斯·巴特切羅,歐洲大陸愛迪生公司的負責人,這家公司是愛迪生電燈公司在巴黎的分公司,特斯拉在來美國以前曾在那裡工作。
  特斯拉欣然接受了愛迪生交給他的工作,並且耐不住性子大膽地向愛迪生提出了自己的設想,他認為有可能利用交流電流來產生電能。然而愛迪生的態度是冷淡的,他表示對這種理論毫無興趣,而且在愛迪生看來,由他製造的直流電照明系統已經足夠使用了。此後,愛迪生只是在直流電系統基礎上進行改進。然而,他的新合作者特斯拉所期待的卻絕不止於此。
  19世紀下半葉,幾乎所有人都認為在實踐中是不可能使用交流電的。因為直流電始終朝著相同的方向流動,而交流電則反覆使電流的大小和方向發生變化。最早的電動機使用的都是直流電,那些試圖讓交流電動機運轉起來的人發現,這種電動機產生的磁場並不能使電動機正常運行。事實上,當電流改變方向的時候,磁場隨後也改變了強度和方向,因此,電動機自然就不可避免地停止轉動。
  事情發生轉機是在1882年,特斯拉在經過嚴謹的數學分析之後,擬訂了一個新的實驗方案,他利用兩個異相交流電換相器,以保證有充分而強大的電流使發動機運轉。根據這位塞爾維亞科學家設計的方案,在電動機固定部分中的線圈裡,對流動電流的一個適當聯結(定子)能夠產生一個強度不變的磁場,這個磁場在轉動的同時,會使電動機的活動部件也跟著它一起轉動(轉子)。實際上,磁場會在轉子的線圈裡產生一個流動的感應電流,而感應電流能夠引發一個加快線圈自身轉動的力,而且這都不需要任何電線去連接運動中的各個部分。1883年,特斯拉已經製造出了第一個小型交流電電動機,但是他很需要有財政上的支持來進一步試驗和推進自己的發明。
  
  無法超越1公里的範圍
  
  和特斯拉第一次見面時,愛迪生正在投入大量的資金去研發直流電設備。1879年,愛迪生發明了白熾燈,這種燈在現實生活中的迅速普及使愛迪生本人也成為了一名成功的大企業家和世界知名的發明家,但是他當時所面臨的問題也不少。首先,一個住宅區裡的照明燈如果和發電站的距離超過1公里,就無法得到足夠的電流發出強光,這是因為直流電無法在遠距離的情況下傳輸能量。愛迪生為了使他設計的照明系統能夠正常運行,只好在每隔1公里的地方建造1座發電站,要不然就要增加發電機的功效,或者將若干個發電機連接在一起,以便產生更多的電流。
  愛迪生交給特斯拉的工作任務就是完善這些直流電系統的性能。不過特斯拉始終堅信能夠說服愛迪生去接受在許多方面明顯佔優勢的交流電。愛迪生很清楚特斯拉在技術方面的能力,他還拿出5萬美元作為基金,讓特斯拉去改進發電站中的發電機。特斯拉研究制訂出了20多個新直流電發電機的計劃,這些發電機具有調節簡單並能產出強大電流的特點。愛迪生對這些新型發電機進行了多次實驗,取得了很好的效果,並為這些發電機申請註冊了專利權,用它們代替了那些老式機器。然而當特斯拉向愛迪生索取自己應得的那部分報酬時,愛迪生卻拒絕了他。他說:「特斯拉,您並不懂得美國式的幽默。」這件事對於這位塞爾維亞年輕人的打擊很大,他的美夢被再次打破了。
  特斯拉感到極度的失望和厭倦,於是他辭職了。長時間以來,特斯拉給愛迪生帶來了很多利益,然而愛迪生始終對他的交流電持一種質疑和敵視的態度。不過,除了暴露出愛迪生對科學缺乏遠見以外,特斯拉還清楚地看到,愛迪生已經將太多的金錢投入到他的直流電上而不能自拔了。
  
  相信特斯拉的西屋公司
  
  1888年,一位希望能向愛迪生發起挑戰的美國發明家和企業家喬治·威斯汀豪斯將賭注押在了交流電上,他邀請特斯拉到他的公司去工作。
  其實,早在1883年的時候,威斯汀豪斯就對交流電產生了極大的興趣。當時,法國人呂西安·戈拉爾和英國人約翰·吉布斯在倫敦的一個博覽會上向人們展示了一款能夠進行遠距離傳輸的交流電設備。這個設備運用了「二次發電機」:一種他們已經註冊了專利權的特殊變壓器。就是利用戈拉爾—吉布斯的變壓器和由恩斯特·沃納·馮·西門子校準的發電機,1886年3月,西屋公司在美國馬薩諸塞州的大巴靈頓小鎮中首次使用了交流電照明設備。
  然而,為了能夠真正和愛迪生進行較量,西屋公司必須要考慮給工業企業提供交流電動機。當時工業用電動機用的都是直流電,這種電動機存在著明顯的不足,例如功率不足等等。於是,特斯拉開始為西屋公司設計生產大型的、高功率和高頻率的交流電電動機,彌補了老式發電機功率不足的缺陷。
  1888年3月,意大利物理學家伽利略·費拉利斯向都靈科學院展示了他的交流電「異步電動機」(這個機器實際是在1885年設計完成的)。它的原理是建立在一個轉動的磁場上,和特斯拉5年前的設計理念很相似,只是技術更加完善,功率更大。與此同時,圍繞著交流電動機的「鬥爭」也日趨激烈:特斯拉要求擁有其發現轉動磁場的優先權,並且針對費拉利斯製造的交流電動機,在同年5月對自己發明的一款與其非常相似的電動機申請了專利。經過一系列冗長的、令人厭煩的訴訟過程,德國和美國法庭最後判定:轉動磁場的原始發現人屬於意大利科學家伽利略·費拉利斯。然而令人遺憾的是,費拉利斯並沒能把握住這個契機,他沒有像特斯拉那樣將異步電動機的巨大潛力運用到日常生活中去。
  特斯拉始終堅持著自己的研究工作。1890年,他發現了共振現象,即在特定的環境下,一個機械系統振動的振幅,不論是聲學的還是電力的,都會有一個相當高的振幅。最值得一提的是,這位塞爾維亞科學家利用共振原理製造出了一個變壓器,也就是今天的「特斯拉線圈」,它能夠承受極高的電壓,從幾百到幾千伏不等。到19世紀末期,經過數月的實驗之後,威斯汀豪斯和特斯拉獲得了極大的成功,他們終於可以將已經成熟的產品推向市場,惟一令他們煩惱的就是上市以前那些過於繁瑣而官僚的手續。
  
  無休止地相互中傷
  
  獲悉特斯拉取得的成功以後,愛迪生意識到了自己將要面對的競爭對手是何等強大,他開始了一場針對交流電的中傷詆毀運動。為了向人們展示這種新型系統假定的危險性,愛迪生在眾多記者面前用高壓交流電做了一系列可怕的實驗。他先是將一塊白鐵皮板和一台可達1000伏電壓的交流電發電機相聯,然後再把一隻小貓或是小狗放在鐵板上,小貓或小狗會瞬間死亡。這樣,人們就可以親眼目睹特斯拉和西屋公司的交流電的致命效果了。電椅就是在這樣一系列「展示」的「啟發」下發明出來的。同時,作為對愛迪生宣傳攻勢的反擊,特斯拉也在舞台上進行了很多真正的「電魔術」表演。除了使人們為之驚歎,特斯拉的另一個目的就是向世人傳播他的交流電理念:當不被用在故意犯罪的目的時,交流電是非常安全的。
  當這場「電流大戰」愈演愈烈之時,芝加哥正在籌備一個世界博覽會,主辦者希望尋找到一套可以照亮整個會場的照明設備。於是,威斯汀豪斯開出了一份極具誘惑力的合同,他試圖以超低價格來從愛迪生手中搶到這筆生意。1893年1月,博覽會開幕了,9萬多盞由特斯拉的交流電點燃的電燈照亮了整個會場。這是一次偉大的成功,同時也是大獲全勝之前的一個前奏。
  
  尼亞加拉大瀑布的交流發電站
  
  不久以後,在尼亞加拉大瀑布將要建造世界上第一座水力發電站,交流電系統由於其經濟實惠和便於製造而被選中了。威斯汀豪斯將設計製造任務交給了蘇格蘭工程師喬治·福布斯。後者製造出的一套設備使用了3個特斯拉的交流發電機,每台的功率為110千瓦。
  1895年,發電站建成了,它可以將電流傳輸到距發電站35公里外的布法羅市。這一事件宣告交流電徹底戰勝了直流電,而愛迪生的直流電則瞬間就成了一種過時的技術。愛迪生本人不得不接受這個殘酷的現實。從那時起,交流電便成為了工業、商業和民用電的惟一選擇。
  「電流大戰」是在兩位19世紀和20世紀的天才而多產的發明家之間展開的,兩人也是截然不同的科學家。愛迪生具有驚人的創造性和工業策劃能力,是一位非常聰明的試驗者,但是卻缺乏數學知識和複雜的理論洞察力。相反地,特斯拉和其同時代的人相比是一個前衛式的人物,通過對現象精確地數學解析,他完成了很多偉大的創造性工作。他不像愛迪生那樣,僅僅因為個人願望而去做很多事情,而是在設計任何設備之前都從理論的角度去分析問題,直到得出絕對有把握的結果,才會付諸實踐。
  1915年,愛迪生獲得諾貝爾獎的提名,特斯拉則在1937 年獲得諾貝爾獎的提名,但他們倆都沒能獲得這一獎項。一些人認為,正是因為那場持續了數年的「電流大戰」,愛迪生和特斯拉都暴露出了他們人性中的弱點,這與人們長期賦予他們的「天才」和「科學家」的稱號是極不相稱的。
  
  附錄:
  交流電最終能夠普及,是因為相對於競爭對手,它具有多面性和更經濟的特點。
  今天,我們所生活的社會 每天都需要大量的電,這些電通過電線被傳輸到距離發電站 很遙遠的各個地區,有的地方甚至遠在成百上千公里以外。這樣,能量的一部分在傳送的 過程中就不可避免地損失掉,轉化成熱能。電流越大,距離 越遠,浪費也就越大。
  為了減少這種能量的損失,就需要把電線做得非常粗,這樣一來,就造成了對原材料的極大浪費,成本也會相應提高。
  解決這個問題的方法就是 提高電壓,舉個例子,這就好比一個瀑布,電流就相當於瀑 布從高處到達地面的水量,而電壓則是水從出發的高度下降時的勢能。增加電線中的電壓,就可以減少電線內的電流,從而保持被傳輸的功率總量不變:這樣做能夠降低損失,用較細的電線就行了。
  變壓器可以將發電站產生 的電壓提高到幾萬伏。另一些被安裝在使用地點的變壓器則 可以根據使用需要來適當降低電壓,比如說平常我們在家裡所用的220伏電器。
  正是因為對變壓器的需要,使我們必須使用交流電。事實上,這些變壓器的原理就是利用了交變磁場,這種交變磁場是由交流電產生的,而非被愛迪生死死捍衛的直流電。

《青年文摘(綠版)》2003年第10期
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