特斯拉是如何改變人類利用能源的方式的？

當你打開一盞燈的開關，光線瞬間充滿了整個房間——這是一件再平常不過的事情，你不會去思考這背後究竟蘊含著怎樣的科學原理，也不會去想有多少科學家曾經為之付出過巨大的心力。如果非要你說出一個科學家的名字的話，或許你會想到愛迪生，因為他是眾所周知的白熾燈泡的發明人。然而，另一個影響似乎更大的人物往往被忽略了，他就是傳說中的尼古拉·特斯拉。

尼古拉•特斯拉

在他28歲那年，也就是1884年，尼古拉·特斯拉來到了美國。三年後的1887年，他便完成了改變人類能源利用的方式的創舉——交流發電，並申請了交流發電所必需的所有技術專利。交流發電這項偉大的技術至今仍深刻地影響著我們的生活。然而，要理解這項發明的重大意義，我們就必須了解19世紀末那場發生在特斯拉和愛迪生之間的「電流戰爭」。

1880年1月，愛迪生向公眾展示了他發明的白熾燈泡。此後不久，由他設計的電力系統被安裝在紐約的第一區。1881年，當系統建成，愛迪生撥動開關，電燈亮起，人們對這一全新技術的需求也開始日趨高漲。儘管早期愛迪生設計的線路都是埋在地下的，但是由於需求太過於旺盛，部分城區是通過懸挂在木質橫樑上的裸露的電線來傳輸電力的。這也帶來了一定的安全隱患，以至於到1885年，防範電氣事故的發生已經成為日常生活的一部分。更有甚者，布魯克林區把他們的棒球隊命名為「道奇」（Dodgers），因為當地的居民經常需要躲避（dodge）電車的衝撞。

愛迪生和他的白熾燈

愛迪生的發電系統使用的是直流電。直流電的流動方向是固定的，並且由直流發電機產生。愛迪生是直流電的堅定支持者，然而直流電有一定的局限性。它最大的問題在於不能夠經濟且高效地遠距離傳輸。愛迪生知道交流電並沒有這個限制，但他還是認為直流電是商業電力系統的可行解決方案。

不過，湯姆森-休斯頓公司負責人之一的伊萊修·湯姆森卻不這麼認為。作為愛迪生的競爭者，他覺得交流電才是最佳的解決方案。1885年，湯姆森設計出了一個基本的交流輸電系統，它依靠高壓傳輸線將電力從發電機組輸送到很遠的地方。但他的設計需要一項能在使用端把電壓降低的技術，也就是我們現在熟知的變壓器。這項技術在1886年由西屋電氣公司實現了。

儘管隨著技術的進步，變壓器和交流電傳輸系統得到了發展，然而還有一個重要的缺失環節，那便是交流發電機。這，正是特斯拉大展拳腳的地方。

當愛迪生還在致力於將他的電燈商業化時，特斯拉解決了一個他在奧地利格拉茨讀書時就好奇的問題。當特斯拉還是學生的時候，有一次他看到了格拉姆發電機的演示。格拉姆發電機用換向器（一個安裝在機器的軸上的觸頭）來產生直流電而不是交流電。特斯拉向老師提議可以把換向器給去掉，然而，這樣的想法被認為是非常可怕的，畢竟沒有人這樣嘗試過，因此也引來了老師的嘲笑，但這恰恰激發了特斯拉的想象力。

在1881年，特斯拉突然有了一個靈感：如果是改變發電機定子的磁場，而不是改變轉子的磁極呢？這是一個革命性的想法。在傳統的發電機中，固定的定子提供恆定的磁場，而轉子在磁場的作用下轉動。特斯拉意識到，如果這種設定被反轉過來，換向器就可以拿掉了。

當然，把這個想法變成現實需要多年的時間。特斯拉於1882年開始，在巴黎的愛迪生公司的工作。白天，他負責安裝基於愛迪生直流電源系統的白熾照明系統。而在閑暇時間，他會嘗試交流電機的設計。這一過程一直持續了兩年，直到特斯拉被調到愛迪生在紐約市的機器廠。有消息顯示，特斯拉曾向愛迪生介紹過他對交流電的想法，但是愛迪生沒有興趣。相反，愛迪生還讓特斯拉對現有的直流發電廠進行改進。特斯拉按照要求去做了，但愛迪生沒有支付給他相應的報酬，這使得特斯拉很失望。最終，特斯拉離開了愛迪生的公司，走向了另一條道路。

愛迪生和特斯拉

後來，特斯拉獲得了律師查爾斯·佩克的和西聯匯款總監阿爾弗雷德·布朗的資助，在距離愛迪生在曼哈頓的實驗室幾個街區遠的地方建立了一個實驗室，並鼓勵年輕工程師完善他的交流發電機。在那個實驗室里，特斯拉完成了多相感應電機的研製。

1887年，特斯拉提交了七項專利，描述了基於感應電機的完整交流系統，包括發電機、變壓器、輸電線路和照明設備等等。幾個月後，特斯拉向美國電氣工程師協會講授了他的革命性新系統。儘管愛迪生髮起了抵制交流電的活動，但是這場演講仍然引起了巨大的轟動，它令許多專家相信交流電力系統不僅僅是可行的，而且遠遠優於直流電力系統。

把好主意推向市場，需要影響力。而交流電的推廣，影響力來自於一個靠鐵路行業發財的發明家。

紐約的沃登克里弗塔

喬治·西屋的電力公司正在努力攻破交流電力系統的技術難關，他聽了特斯拉1888年的演講之後，對此十分感興趣。當佩克和布朗兩人與西屋接觸討論關於商業化特斯拉的發明時，這位負責鐵路空氣制動的企業家作出了慷慨的決定。他同意支付25,000美元的現金、50,000美元的支票買下特斯拉的設備，同時每馬力電還有額外的專利許可費（關於這次交易的細節，各個資料來源說法不一）。

西屋的公司將特斯拉的發明運送回賓夕法尼亞州匹茲堡，希望利用這項技術為城市的有軌電車提供動力。隨後，特斯拉以西屋電氣公司員工的身份就實施情況進行了磋商。項目的進展並沒有那麼順利，特斯拉經常與西屋的工程師進行爭論。最終，大家共同努力找出了最完美的解決方案：基於三相、60Hz電流的交流供電系統。直到今天，美國和加拿大的電力公司基本上都提供了60Hz的交流電流。

特斯拉交流電機原理說明圖

到了19世紀90年代初，愛迪生和直流電的支持者感到真正的威脅。他們繼續聲稱交流電是危險的，並拿出了1890年災難性的電擊作為證據。但是，他們在1893年遭受了嚴重的打擊，西屋電力公司贏得了芝加哥世博會照明系統的競標。當時，西屋公司的競爭對手是通用電氣（GE），該公司由愛迪生與湯姆森·休斯敦合併組建，通用電氣是直流電源的行業領導者。當格羅弗·克利夫蘭總統打開開關，點亮了在整個展館內10萬隻白熾燈時，幾乎沒有人再懷疑交流電的優勢。1895年，西屋電力公司在在尼亞加拉大瀑布設計建造了一座水力發電廠，它集合了當時最先進的交流發電技術。起初，工廠只向紐約布法羅供電。但是，不久之後，電力被傳送到紐約市。

特斯拉的交流電機用來遠程輸送電力

然而此時，特斯拉已經從電廠的日常工作細節和交流電力系統的實施細節中撤出了。他搬回了紐約市，並開了一個新的實驗室。在那裡，他可以探索其它新奇的想法，搗鼓機器和設備。儘管其中許多的發明與電力無關，但他對電氣工程領域的影響是巨大的。事實上，特斯拉的交流電機和多相交流電系統已經成為現代發電和配電的基礎，改變了我們人類利用能源的方式。然而，直流電並沒有完全消失，它在特定領域發揮著不可替代的作用。

參考文獻：

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編輯：Lixy

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