科學科普視頻集合 什麼是電？它是如何工作的？尼古拉·特斯拉的交流電vs直流電

想象一下這樣一個世界,我們只需將一個設備放入口袋通過電視和電話,我們就能看見並聽見彼此,彷彿面對面交談,在那裏,電影可以無限傳輸,在那裏,汽車能夠執行需要判斷力的操作,並且,電力由中央統一生產,在傳輸至遙遠的地區爲家庭和工廠供電,這就是我們如今生活的世界,也許我們已經習以爲常, 但早在一百多年前,就有一個人想象出了這些當時看來不可能的技術,他與托馬斯艾迪生一起,可以說對今天我們享有的現代高科技生活方式產生了比其他任何科學家無論是過去的還是現在的都要深遠的印象,那個人當然就是尼古拉特斯拉,然而,這位想象力和創新力都極爲出衆的巨人去世時幾乎一文不明,也幾乎被人遺忘,但是,毫無疑問,歷史在他死後給予了他應得的讚譽和認可, 也許特斯拉對世界最大的貢獻是他在交流電技術方面的創新,這項技術使得電力可以遠距離傳輸,而他發明的交流電動機則讓工廠和企業能夠利用這種交流電,這項技術的採用是一場艱難的鬥爭,因爲托馬斯艾迪生的直流電系統早期一直是標準配置,艾迪生竭力說服世界採用直流電,甚至用交流電公開處決了一名罪犯,以向公衆展示交流電技術有多危險, 但交流電最終勝出,因爲任何技術的優越性背後的真相都取決於科學,而科學具有難以被壓制的客觀真理,科學對艾迪生的直流電與特斯拉的交流電技術有何評價,爲了解釋這一點,我也會用一個更簡單的類比來解釋電流的一般工作原理,這個類比可能會讓你覺得更有共鳴,那就是水通過花園水管,接下來就是這個類比,特斯拉出生在今天的克羅地亞, 他的父親希望他成爲一名牧師,但尼古拉少年時對數學和物理着迷,反而成爲了一名工程師,29歲時他身材四美分移民美國,但他有一封推薦信讓他得以在紐約市愛迪生的一家工廠重新設計直流發電機,特斯拉在這份工作上只幹了大約一年,部分原因是他關於交流電技術的想法與愛迪生的直流電理念相沖突,那麼交流電AC和直流電DC到底是什麼, 爲什麼一個比另一個更優越,要理解這一點,你必須瞭解電流的一些基礎知識,那麼電流是什麼呢,所有物質都是由原子構成的,原子有一個帶正電的原子核和圍繞原子核的帶負電的電子,這些電子由於與帶相反電荷的原子核之間的電磁吸引力而束縛在原子核上,但是原子最外層的電子,即甲電子,有時會因爲外部力而自由移動,這些從甲電子層逃逸出來的電子被稱爲自由電子, 它們可以從一個原子移動到另一個原子,這就是電荷移動的原因,而電荷的這種流動就是電流的全部內容,允許許多電子自由移動的材料被稱爲導體,而不允許電子自由移動太多的材料被稱爲絕緣體,例如,如果你觀察銅,你會發現它的最外層或甲電子層有一個電子,這個電子很容易成爲自由電子,這就是爲什麼銅是很好的導體,如果我們迫使這個電子移動,就會產生電流, 電流是自由電子從一個原子移動到另一個原子的流動,如果你想理解電流,有三個概念你必須理解,即電流,電壓和電阻,這三者是相互關聯的,如果你改變其中一個,其他兩個也會改變,這三個屬性之間的關係,由德國物理學家喬治·歐姆命名的歐姆定律描述,電壓等於電流乘以電阻,這些概念很難直觀理解,因爲你看不見它們,因此,我們將使用電流與水的類比, 想象一個水箱,底部連接着一根水管,電流以安培爲單位測量,是電荷流動的速率,它類似於水管末端的水流速度,電壓以伏特爲單位測量,是使電流流動所需的力,它類似於水管中的水壓,電阻是材料抵抗電荷流動的傾向,可以把電阻想象成水管的直徑,水管越小,電阻越大,因此,如果你有兩個水量相同的水箱,但一個的水管比另一個小, 其電阻更高,那麼在相同壓力下,它的水流速度會更低,同樣,在恆定電壓下,電阻更高的電路電流會更低,但是,如果水箱的水流是恆定的,但直徑更小,那麼壓力就會增加,同樣,如果電路中的電流是恆定的,那麼更高的電阻會導致更高的電壓,這種水流比喻與直流電和交流電有什麼關係呢? 直流電類似於我們在這裏看到的通過水管正常流動的水,水流是單向的,在這種情況下,電流隨時間以恆定速率流動,這在著名的電流之戰中得到了托馬斯·愛迪生的支持,他與主張交流電的尼古拉特斯拉針鋒相對,交流電則像水管內每秒來回流動50次或60次的水,這被稱爲頻率,並被指定爲50赫茲,50赫茲或60赫茲,60赫茲,這取決於國家的電力系統, 這就是水流比喻不太恰當的地方,因爲水不會在水管內來回流動,但交流電會,交流電很容易由工業發電機產生,並且現在是世界電力傳輸的標準,儘管19世紀最著名,最有權勢的人物之一托馬斯·愛迪生竭盡全力貶低它,爲什麼這項技術還是戰勝了直流電呢?答案與效率和電力輸送有關,電力就像從水管中流出的水量或水的數量,發電的原因是爲了將電力輸送到家庭和工廠, 功率的數學公式等於電流乘以電壓,傳輸線中的電流和電壓越大,可輸送的功率就越大,使用公式P等於IV功率等於電流乘以電壓,你可以看到,相同的功率可以以高電流低電壓或低電流高電壓的方式傳輸,但其中一種方式優於另一種,你看,用於傳輸電力的電纜每米距離都有一定的電阻,電纜越長,電力線中的電阻就越大, 而且,每當電流通過電阻時,根據焦耳的電熱方程,就會產生熱量,其中熱量等於電流的平方乘以電阻,熱量是浪費的能量,因爲它基本上剝奪了電網中有用的電力,這些電力沒有輸送到家庭和企業,而是損失到了空氣中,因此,最大限度的減少這種熱量至關重要,否則你想要輸送的大部分電力都會被浪費掉,由於我們的功率公式中I等於P,離電流等於功率除以電壓, 如果我們將其帶回熱量方程,我們發現熱量等於功率的平方乘以電阻R,再除以電壓V的平方,現在你可以看到,爲了減少熱量,我們想要通過最大化電壓V來輸送相同的功率P, 因爲對於任何給定的功率和電阻,我們在電路中能夠產生的電壓越高,在傳輸電力時的熱量損失就越低, 在現代電力電網中,電力通常以數十萬伏特的電壓傳輸數百公里,但當它到達你家時,電壓不能這麼高,因爲這非常危險,很容易電死人,因此,在到達你家之前,電壓必須降低, 這是通過變壓器來實現的,它將電壓從數十萬伏特降低到通常的一百至兩百四十伏特之間,這是世界上大多數家庭電源插座的電壓, 與直流電相比,交流電在電壓的升壓和降壓方面表現出色,直流電不能輕易地從低電壓轉換爲高電壓,反之亦然,但這對交流電來說很容易實現, 原因如下,當交流電通過線圈時,根據麥克思維方程,它會產生不斷變化的磁通量,該方程表明變化的電場會產生磁場, 如果我們把鐵環或鐵圈穿過線圈,它可以將變化的磁通量集中在環內, 現在,如果我們在鐵環的另一側繞上另一個線圈,我們就可以在新線圈中產生電流並誘導電壓,因爲再次根據麥克思維方程,變化的磁場會產生循環電場, 恰好我們在第二個線圈中產生的電壓與我們繞在鐵環上的圈數或雜數成正比, 使用這種方法,我們可以在第二個線圈中產生比第一個線圈中原始電壓高得多的電壓,這大致就是變壓器的工作原理, 這種方法用於升壓,以便在長距離傳輸中最大限度的減少能量損失, 我們也可以使用同樣的方法來降壓,將電壓降低到更安全的水平,然後再將其輸送到你的家中,只需在降壓變壓器中繞更少的雜數即可, 但正如你所看到的,像這樣的變壓器需要十遍電壓才能工作,由於直流電是恆定的,而只有交流電是十遍的,因此像這樣的變壓器只能與交流電一起工作, 在愛迪生和特斯拉的時代,還沒有一種簡單的方法可以用直流電來變換電壓, 這就是特斯拉的交流電在早期電力傳輸時代戰勝愛迪生的直流電的主要原因, 你可能會問設備是否同樣適用於直流電或交流電,許多設備如燈泡只需要電子移動, 他們不在乎電子是在電線中流動還是僅僅來回移動,因此例如燈泡通常既可以使用交流電也可以使用直流電, 交流電爲現代工業世界的大部分地區提供動力這一事實,使特斯拉成爲了電流之戰的贏家, 但就像大多數戰爭一樣,這個故事總是有兩面性,直流電真的是一個長期失敗的概念嗎?其實也不是, 你必須記住,今天大多數有電池供電的高科技設備如你的筆記本電腦,手機和ipad都是由直流電供電的, 此外,在20世紀末,工程師們想出了一種使用高壓直流電hvdc傳輸電力的方法,事實證明對於1000公里或更長的極長距離輸電而言, 高壓直流電比高壓交流電更高效,這是因爲使用直流電可以用更小更便宜的線路傳輸相同的功率, 並且由於直流電不存在變化的磁場,因此感應損失也更小,這與交流電不同,但直流電變壓器的成本巨大,高達數千萬美元, 而交流電變壓器的成本只有數千美元,因此高壓直流電僅對於非常長的輸電線路才具有成本效益,愛迪生作爲發明家和電工的歷史地位是穩固的, 但在很多方面特斯拉走得更遠,他設想了熒光燈,無線電技術和遙控技術,但他是個古怪的人, 因爲除了這些天才的想法外,他還談論過一些瘋狂的事情,比如把地球劈成兩半,以及創造一種可以同時摧毀數千架飛機的死亡射線, 在那個時代,科學家們不知道該相信什麼,對特斯拉的讚譽也很遲緩,特斯拉直到去世後纔得到應有的讚譽, 但我認爲如今沒有人會否認他是史上最具前瞻性和活力的遠見卓詩者之一。