闪电的驯服者：电学的历史
Physics of “The Current War”: Edison, Westinghouse & Tesla (AC vs. DC)

01 电流之争

一、前言

在19实际末，有一场关于电力传输线的方式之争：即交流方式还是直流方式。这个过程后来被拍成了电影，电流战争。电影男主角，班尼迪克·坎伯巴奇。这场争斗非常传奇，有上千视频都在讲其中的故事。这是我们所知道第一个涉及到真实物理学家冲突原因的故事，包括有疯狂杀马历史。

二、威斯汀豪斯

1885年春天，一位38岁的美国人，名叫乔治·威斯汀豪斯读了一篇改变他一生的文章。文章内容是关于交流电技术。交流电技术并不是新的技术，早在54年期，1831年，英国人法拉第就发现将一个磁铁插入线圈或者从线圈中拔出会感应出交流电流，由此他创建了磁场的概念，并给出了磁感应定律，当线圈中的磁场改变，线圈会感应输出电流。

▲ 图1.1.1 乔治·威斯汀豪斯

法拉第的发现激发了一位法国人在线圈周围旋转磁铁。这个机器线圈所产生的的电流来回改变方向，被称为交流电。那个时候人们认为这种交流电没有什么用处。借助于电刷换流器可以将交流电转换成直流脉冲电流，也就是直流电。25年后，人们发现不使用电刷而直接输出的交流电也可以点亮电弧灯。

▲ 图1.2.2 交流发电机

这篇1885年的的文章有所不同并让威斯汀豪斯感兴趣的是，在交流发电机外增加了一个变压器，可以将改变输出的电压与电流。

▲ 图1.1.2 变压器

三、变压器

为了弄清变压器工作原理，我们需要对电压与电流之间的关系理清，它们两个不是相同的概念。电流反映了电线中在一段时间内流过的电荷数量。使用水龙头中水流作比喻比较形象。电压则表示驱动电流之后电动势，可以想象成水管中的水压。电池中的电压无论是在货架上还是电路中都可以保持恒定。电池输出的电流取决于所在的电路电阻。

▲ 图1.3.1 电压、电流、电池

使用交流发电机所产生的的交流电不是利用电池中的化学反应产生电流，而是通过旋转磁铁在线圈中感应输出的交流电流。这种交变的电流具有一定的功率。变压器改变交流电的电压，也同时改变了输出的交流电流。在保持输出功率一致的情况下，可以通过提高电压来减小输出电流，或者降低电压提高输出电流。

变压器实际上是一个比看起来更加简单的设备，只是在铁环或者铁棒上绕制两个相互绝缘的线圈。铁棒上的线圈通有电流之后就可以让铁棒形成电磁铁。通有交流电的电磁铁的磁极来回改变。输入线圈中的交流电可以产生交变的磁场，从而在输出线圈中感应出交流电流。输出线圈的匝数越多，输出电压就越高，电流就有少。反之，如果输出线圈匝数越少，输出交流电压就越低，输出电流就越大。

▲ 图1.3.2 斯坦利变压器

利用变压器可以将提高电力远距离传输。发电厂输出的交流电通过变压器提升电压，就可以减小传输线上传送电能的电流。小电流在传输线上造成的电能热量损失也会减小。在用户房间里，可以再利用变压器将电压降低，使其可以输出大的电流以供使用。

▲ 图1.3.3 交流高压输电

四、交流电

对于威斯汀豪斯来时，比较幸运的是爱迪生的电灯泡既可以使用直流电也可以使用交流电。但还是很多人不愿意使用交流电，为什么呢？

这其中包括了好几个原因。第一、在1885年还没有发明交流电动机；第二、高压交流电非常危险；第三、交流电无法使用当时最先进的发电机产生。

在1866年，有三个人，包括德国的西门子以及西门子公司在内，使用自激励磁的方式，即将发电机输出电的一部分反过来对励磁线圈进行驱动。但当时还没有发明大功率二极管，即单向开关，所以这种自激方式无法生产交流电压。所以大部分工程师认为使用交流电是退步，而不是进步。

▲ 图1.4.1 自激励磁发电机的发明人

不管这些原因，威斯汀豪斯远见的认为交流电是电力发展的未来。他向一位意大利年轻工程师圭多·彭塔利奥尼发送了一个消息让他获得变压器的专利。这个圭多当时在意大利正负责他父亲的丧事。彭塔利奥尼购买了西门子的发电机，西门子本人提醒他他根本没有什么交流发电机，只是一个谎言，因为自激电磁铁需要直流电压，它发出的交流电没有什么用处。实际上所有的威斯汀豪斯的员工都认为使用交流电不是一个好主意，只是他个人希望推动交流电的应用而已。

▲ 图1.4.2 维尔纳·冯·西门子与他的交流发电机

五、交流供电

在1886年1月份，威斯汀豪斯创建了西屋电气公司，当时市值1百万美元。同时一位西屋电气的员工，名叫威廉·斯坦利也秘密在他的老家麻塞诸塞州大巴灵顿市开通交流电供电系统。三个月后正当他们准备为当地商铺电灯供电的时候，爱迪生公司的人将他们胖揍一顿，也一把火点着了商铺大厦。

▲ 图1.5.1 西屋电气公司

但他们并不气馁，一周后他们从一英里之外的大仓库供电重新给商铺电灯供电。他们将设备细节保密，甚至把变压器隐藏在建筑物的地下室内，宣传他们可以对城市中任何建筑供电。这样西屋电气就比爱迪生通用电气公司多了四到五倍的生意。

▲ 图1.5.2 西屋电气给商铺供电

这一下威斯汀豪斯高兴了，爱迪生则痛苦了。爱迪生公司的人笃定他们使用了交流电来供电，但威斯汀豪斯死活不承认。他认为交流电的危险性会将人们吓回去。爱迪生给他的朋友私下里说，我发毒誓，哪个不知好歹的威斯汀豪斯将会在半年之内使用他的交流电杀死一个他的用户。

六、交流电危险

第二年爱迪生出版了一本84页的用电警告小册子。书中说道，请大家注意一个事实，任何系统如果使用了高压电，比如在500V到2000V的电压，就会危及人的生命。他谴责西屋电气电力系统廉价但危险。应该联合起来发起一场消灭为了廉价但放弃效率和安全的战争。

▲ 图1.6.1 爱迪生关于交流电危险的小册子

这当然不是杞人忧天，高压电并不是人畜无害的玩具。当时这些建设高压电的公司不管愿意不愿都对公众安全不感兴趣。纽约城就被这些电报公司、电话公司以及照明公司的电线给笼罩了。爱迪生则坚持将他的电线在地下铺设。在1888年一场暴风雪破坏了很多的电线。由于触碰高压电引起一系列死人事故，这个消息被报纸广泛传播。

▲ 图1.6.2 触电身亡

在1888年6月5日，一位名叫哈罗德·布朗的人发表了一篇关于长期危险下的突然死亡的文章，诅咒这致人死命的交流电。随后布朗被爱迪生在实验室中安排了一个职位。专门来研究可怕的实验，比如交流电电死狗。过了一个月，布朗想科学家和记者们展示了他的第一个演示，下的很多人都离开了现场。他们感到无法忍受这样骇人听闻的展示。

▲ 图1.6.3 电死狗的实验

随后的两年内，布朗做了更多的这些交流电的实验，电死过狗、马等。这个过程中并没有使用过大象做过实验。电死大象并不是布朗所谓，也与这场电流之争无关。他最大的妙用是用在电刑上，使用交流电而不是直流电。

在1890年8月6日，一位名叫威廉·克姆勒的杀人犯是第一个被电刑处决的犯人。对于电刑爱迪生称其为威斯汀豪斯刑法，也足以说明电刑下场不好，这一招是捣乱的唯一希望，也使得哈罗德·布朗的声誉遭到诋毁，最终他消失在公众视野里。从此爱迪生也保持和布朗之间的距离，假装从来没有听说过他。

▲ 图1.6.4 电刑处决犯人

七、特斯拉交流电

同一时期，一个爱迪生公司前雇员，长相显得软弱但很聪明，名叫尼古拉·特斯拉，发明了新的交流发电机以及相应的交流电机。那么特斯拉的发明有什么特殊之处吗？实际上他是在一个系统中实现了多个交流系统。

我们知道当电磁铁在线圈周围转动，会产生来回流动的交流电。特斯拉的想法是同时使用多个线圈，这样就可以得到多个相同频率但最大值在不同时刻的交流电，这被称为多相交流电。如果将多相交流电通入特定多相电机，在线圈中就会形成恒速旋转的磁场。特斯拉确定了他的电机在60Hz频率下工作最好。

▲ 图1.7.1 特斯拉与他的多相电机

在1888年布朗电死狗的那年，西屋电器支付了特斯拉一笔70000美元现金线圈购买了他的专利，并答应西屋电器出售电机中每马力再支付2.5美元专利费。三年股市崩盘，西屋电器也深处谷底，西屋电器则请求特斯拉放弃专利费，声称特斯拉的决定决定了西屋电器的命运。特斯拉将他们的合同撕掉了。但西屋电器还无法彻底摆脱困境，它又被老对手爱迪生电气起诉侵犯专利权，要求赔偿10亿美元。请注意那是十九世纪中的的10亿美元。

▲ 图1.7.2 西屋电气购买了特斯拉的交流电机专利

八、电流战争的结束

下面让我们谈谈JP·摩根，像其他人一样，摩根也卷入了电流战争。他也看到了交流系统的胜利，只是爱迪生固执的拒绝使用和接受。他密谋了一场政变，计划将爱迪生公司与其他公司合并，将爱迪生从公司开除，并把公司名称中的爱迪生去掉。

▲ 图1.8.1 J·P·摩根

从那时起，爱迪生通用电气公司就改名为通用电气公司。爱迪生说是自行离开公司的，称自己不想再将自己的生命浪费在电气照明上，这都过时了。

但实际上他为离开公司非常痛心。他的秘书回忆道：我知道在他的心里有个事情已经死掉了。他深深倚重并为之自豪的就是自己的名字，不过这个名字不被使用了。这个由他的聪明才智，通过多年周密规划，辛勤劳作所创建的伟大公司将他的名字从公司名称中抹掉了。

从那时开始就连GE也开始使用交流电了，关于电流的战争也随之结束了。

九、后记

两年之后，在芝加哥举办了哥伦比亚博联会，会议规模空前，在600英亩方圆内有超过200座新的建筑，超过2700文的游客来观看。西屋电器使用了特斯拉的60Hz交流电点亮了会场内的照明灯光。展会上特斯拉向对其崇拜的观众进行了全新的展示，利用高压进行无线电能传输，这使得他成为超级明星，至少是在现场非常轰动。

▲ 图1.9.1 芝加哥举办的哥伦比亚博览会

为了弄清特斯拉与无线电的关系，需要目光往回看一下，弄清电与光之间的联系，以及如何导致广电电视的发明。在1845年一个大学的学生询问法拉第，看他是否可以将磁转换成光。关于法拉第梦中想到光是一种电磁波的故事，下次我们再聊把。

■ 相关文献链接:

闪电的驯服者：电学的历史
Physics of “The Current War”: Edison, Westinghouse & Tesla (AC vs. DC)

● 相关图表链接:

图1.1.1 乔治·威斯汀豪斯
图1.2.2 交流发电机
图1.1.2 变压器
图1.3.1 电压、电流、电池
图1.3.2 斯坦利变压器
图1.3.3 交流高压输电
图1.4.1 自激励磁发电机的发明人
图1.4.2 维尔纳·冯·西门子与他的交流发电机
图1.5.1 西屋电气公司
图1.5.2 西屋电气给商铺供电
图1.6.1 爱迪生关于交流电危险的小册子
图1.6.2 触电身亡
图1.6.3 电死狗的实验
图1.6.4 电刑处决犯人
图1.7.1 特斯拉与他的多相电机
图1.7.2 西屋电气购买了特斯拉的交流电机专利
图1.8.1 J·P·摩根
图1.9.1 芝加哥举办的哥伦比亚博览会

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