电力的重要性与历史

作者: 苏超

来源: 博物

发布日期: 2019-06-26

本文讲述了电力的重要性及其历史发展,包括电力的发现、发电机的发明、电力传输技术的进步,以及电力在现代社会中的广泛应用。文章还详细介绍了电力发展史上的一些重要人物和事件,如爱迪生和特斯拉之间的竞争,以及电力如何改变了工业和日常生活。

上周,阿根廷发生了持续数小时的全国大面积停电,并导致其多个邻国也发生供电中断。据新闻报道,初步估计仅阿根廷就有近5000万人受到影响。平时大家也会时不常遇到停电,比如自己忘了交电费,或者是用电高峰整栋楼掉闸。停电时,我们用不了电灯,看不了电视,上不了网。

而这次阿根廷等地的停电持续将近6小时,电力互联系统全面瘫痪,首都布宜诺斯艾利斯的交通信号灯也停止了运作,地铁、城际铁路、公交车等公共交通更是全部停运,连供水系统都无法正常运行。随便看看我们家里有多少充电线,你就知道你有多离不开电了。你想象过电在我们生活中的重要性吗?虽然每年都会有“关灯一小时”的活动来号召大家体验一下,但也许只有在突然停电的那一刻大家才能意识到,原来生活中这么多地方都需要电!

电的使用是19世纪的事情,但电的发现很早。几千年前的古埃及人就已经发现有些鱼会放电,阿拉伯人后来认为电鳐跟闪电是有关联的。人们也发现了用皮毛摩擦琥珀能让琥珀吸引羽毛,当时人们不知道静电,以为这是琥珀有了某种磁性。富兰克林在雷雨天用金属丝挂着串钥匙放风筝,用招雷劈的方式证明闪电跟地上的电是一种东西。接下来和电有关的人和一些事基本上都出现在过我们的课本里,大家不妨一起来复习一遍。

直到18世纪,后来成为美国国父之一的富兰克林,认为电是物体中的无形流体,并提出了正电荷、负电荷和电流的概念。1752年,他在雷雨天用金属丝挂着串钥匙放风筝,用招雷劈的方式证明闪电跟地上的电是一种东西。避雷针根据现在的规定应该叫做接闪杆,它的作用是“引雷上身”,然后通过其引下线和接地装置,将雷电流引入地下,从而起到保护建筑物的作用。1831年,英国科学家法拉第发现磁能转化为电。

由于磁石在自然界有的是,根据电和磁可以相互转换的电磁感应原理,法拉第发明了发电机,并且发现发电机也可以通上电当电动机用。1866年,德国人西门子制造了第一台工业用发电机。在工业时代初期,人类最先进的动力是靠烧水产生蒸汽推动蒸汽机运转,任何地方需要动力,都需要配备笨重的锅炉产生蒸汽,到处都烟熏火燎的。而有了电以后,一切都发生了巨变。

在游戏《纪元1800》中,玩家就可以体会到在接通电以后所有工厂的生产速度都大幅增加,这是在有电力之前靠增加人力也很难达到的。有了电,那怎么将它应用到生产和生活呢?发电机和电动机的使用,可以把蒸汽机的动力转化成电,再把电送到远处去驱动电动机。电动机接上电就能转,而且体积可以被制成很小。现在我们手机中的振动模式的那个振动就是一个小电动机产生的,这个电动机比一粒花生米还小。

除了提供动力,电还可以用来照明、通讯,包括后来的电子计算机,都离不开电的运用,这些我们现代人就都熟悉了。可见电力比蒸汽动力更方便的地方,就在于电是可以远距离传输,发电站可以跟用电的地方分开,只要一根电线连起来就可以传送使用了。除了发电机和电动机,我们在路边走不远就能看到电线杆也是电力传输中的重要元素。那么只要把电线杆一插就可以有电了吗?可没有这么简单。

在游戏《纪元1800》中,玩家就会遇到电力覆盖范围规划的问题。游戏里发电厂的选址除了和原油采集,铁路运输,罐装存储,道路宽度这些有关,更要考虑靠近那些需要电力的工厂,这样才能通过电力来增加生产率。而现实中的发电厂选址可要比游戏里的复杂多了。你居住的小区旁边应该没有发电站吧?现实的发电厂一般都会离人们的聚居区比较远,一是因为传统火力发电污染严重,二来是发电所需的能源所在地往往远离市区。

也就是说,发电站离用电的居民区越远越好,只要把电送过来就行。发电站建得远了,就需要远程输电。真正的远程输电技术要在19世纪末才真正推广使用,不过在游戏《纪元1800》中只要玩家城市建设搞得好,不用等到世纪末也可以早点通上电。我们如果去郊区,就会发现很多高大的高压电电塔,上面的电缆里的电是高压电。发电站把电发出来以后,先要升压成高压电,送到城市后需要通过变压器降压,才能用于家用电器上。

这个就是远程输电技术在我们日常的体现。我没有在游戏里看到变压器,可以推测游戏里使用的也许是早期的直流电输电技术。在讲为电“打架”的事之前,我们还是需要回顾一些知识点:为什么要升压成高压电才能远程输送呢?因为电在传输中会遇到阻碍消耗,在发电机发出的电功率一定时,电压越高这种消耗就越小,电就不至于在传输中就被消耗殆尽。然而,并不是所有的电都可以升压降压,直流电就不能直接变化电压,但交流电却可以。

直流电和交流电的区别在于电流的方向,我们常用的电池供的电就是直流电,它的电流方向只有一个;而我们家里插座的电就是交流电,它的电流方向会有周期性的变化。最早使用的发电机都是直流发电机,直流发电机发出的直流电难以变换电压,因此也就不能远程输电。在《纪元1800》中表现的很可能就是这种直流发电站,它输电不会用变压器,最多只能供一个小城市用电,再远就不行了。

爱迪生和他的直流发电站这场电力商战主角之一,励志鸡汤文学的常客美国人爱迪生就经营这种直流发电站,这也是游戏中发电站的原型。当时爱迪生解决直流发电站供电范围有限的办法很直接——每隔一段距离建一个发电站。这样的发电成本高价格贵,显然比不上我们今天的远程供电方式。而商战的另一位成员,就是发明我们现在使用的远程输电技术的塞尔维亚裔美国科学家尼古拉·特斯拉。

现在马斯克的电动汽车品牌特斯拉,就是为了纪念这位现代电力奠基人而命名的。讲到这里是不是以为我接了特斯拉的广告?我倒也希望呢。特斯拉很早就意识到了交流电的优越性,但他自己没钱实现这个想法。在当时电力技术革命时代,最成功的用电赚到钱的人是爱迪生。他最有名的事情是发明了电灯,不过这只是一种以讹传讹的说法,事实上爱迪生出生以前电灯就已经发明出来了,爱迪生只是改进了电灯并进行工业化生产推广。

爱迪生没有发明电灯,但他的公司不仅最早批量生产电灯,还发明了留声机和电影摄像机。于是特斯拉离开欧洲老家,慕名到美国找爱迪生。初到美国的特斯拉就被偷了,身无分文。他向爱迪生提出想用交流电发电机取代直流电发电机,希望爱迪生能出资帮他实现这个梦想。第一轮对决:爱迪生对特斯拉的提议不以为然,况且他已经在直流电发电上投入了很多,不想放弃。

于是爱迪生让特斯拉先去帮他改进直流电发电机,并承诺事成之后会给特斯拉5万美元,这在当时绝对是笔巨款。事情进行到这一步看上去还没有问题,但当特斯拉把直流电发电机改进成功后,我们的爱迪生却翻脸不认账,说之前的承诺只是个美国式幽默。可怜的特斯拉因此负气出走,一度沦落到出卖体力挖沟为生,挖着挖着却又发现挖的沟也是给爱迪生的通用电气公司埋电缆用的沟,这还怎么挖?!

1888年,美国西屋电气公司相中了特斯拉的交流电技术,以6万美元买下了交流电的专利,并承诺今后每匹马力的电给特斯拉2.5美元报酬。但后来特斯拉为了推广交流电主动放弃了每匹电2.5美元的报酬,否则他绝对是世界首富。第二轮对决:特斯拉的成功让爱迪生不太开心。为了丑化交流电的输电技术,爱迪生用交流电公开处死动物,电死的动物从猫和狗到更大的马和大象。后来爱迪生折腾的动静更大了,甚至发明了用电刑处死犯人。

1888年,爱迪生买通政府,在纽约奥本监狱首次电刑处决死囚,高压电甚至将死囚身体点燃了。这当然很吓人了,所以矛头立刻指向了交流电。但是这些伎俩没有停止特斯拉的步伐。第三轮对决:1891年,特斯拉取得高频交流电机专利。1892年,当特斯拉担任美国电力工程师协会副主席时,爱迪生通用电气公司被资本家摩根收购,与另两家公司合并成了今天依然是电业巨头的通用电气公司,爱迪生被逐渐排挤出了他创建的公司。

特斯拉经常向公众展示他在高压电火花中的安然无恙的实验,以展示高压电的神奇,这种产生电火花的装置被称为特斯拉线圈。这种惊险的实验也让特斯拉在公众眼中像个科学怪人。1893年,西屋以低于通用近一半的价格,竞标到了芝加哥举办的哥伦比亚博览会的照明工程。通用为了报复,拒绝出售灯泡给这次博览会,特斯拉赶制了会场所需的所有16万个灯泡,顺利照亮展览会。

会场上特斯拉还表演了让电流安全通过自己的身体的实验,消除了爱迪生散布的关于交流电的负面谣言。最终对决:依靠特斯拉的技术,西屋电气又夺下了尼亚加拉瀑布水利发电工程的订单。1896年,尼亚加拉水电站把交流电送到了35公里外的纽约州水牛城,证明了交流电在远距离输电上的优势。这也标志着在这场纷争中,交流电彻底胜出。

从历史在回到现实,如今特高压输电技术沿着特斯拉的脚步还在进一步前进,我国新疆阿拉山口的风力发电已经可以传送到相距5000公里的地方了。在游戏里实现电气化后的玩家会玩的特别爽,现实中也是如此。

在玩游戏的过程中,编辑和作者也在关注最近的热门新闻,决定在文章最后跑个题发散几句,主要是想说明我们打游戏不是不务正业:美国、德国、法国等在电气技术上最先实现突破和推广应用的国家,都迅速崛起成为强国,甚至最终超过了老牌的工业国英国。虽然我们已经距离19世纪几百年了,但电力在今天依然是最重要的能源行业之一,是现代文明的基础。

文中提到的这些早期的电气公司,今天都还是行业的巨头,他们之间也依然存在极端残酷的竞争。那句俗话说得好:历史总是惊人的相似。在文中提到的直流电和交流电纷争中扮演了不光彩角色的美国通用电气公司,在本世纪与法国电力交通巨头的阿尔斯通集团竞争中又一次落了下风,让阿尔斯通集团夺走了多个国家的业务。

结果是美国司法部在几年时间内通过扣押阿尔斯通的高管和开巨额罚单等手段,迫使阿尔斯通的电力部门被贱卖给了美国通用电气公司。有兴趣的朋友可以自己多去查阅下新闻,当事人还写了本书叫《美国陷阱》,你们可以顺便多学习下。

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