小蛛佩奇!電影《電力之戰》上演天才對決,改變世界

好萊塢傳記電影《電力之戰》於8月28日在中國院線上映，該片由阿方索·戈麥斯-雷洪執導，本尼迪克特·康伯巴奇、麥可·珊農、尼古拉斯·霍爾特、湯姆·赫蘭德（曾飾演漫威角色蜘蛛俠）等聯合主演。故事主線以第二次工業革命為背景，講述了西屋電氣和愛迪生電力（通用電氣前身）兩大電力巨頭進行交流電與直流電競爭的歷史。

電影《電力之戰》海報

愛迪生（本尼迪克特·康伯巴奇飾）是直流電的發明者，並首先將直流電推廣到商業領域，隨後發明家尼古拉·特斯拉（尼古拉斯·霍爾特飾）發現了交流電，並製造出一臺交流電發電機，為了與愛迪生競爭，企業家喬治·威斯汀豪斯（麥可·珊農飾）邀請特斯拉為其工作。愛迪生執意發展直流電供電，而威斯汀豪斯則不遺餘力地研發了交流供電系統，並且得到了後起之秀尼古拉·特斯拉的大力支持。之後，威斯汀豪斯創辦的西屋電氣則率先將高壓交流電引入美國的輸電系統，打破了直流電一統天下的局面。

電影《電力之戰》劇照

電力小知識：直流電和交流電

很多電器的電源接口上標的DC、AC，分別指直流電和交流電。直流電指單向移動的電荷流，電流只沿一個方向流動，但電流大小可以不固定；交流電則指隨時間進行周期性移動的電荷流，電壓和電流都呈現周期性變化。

直流電的電流是由正極，經導線、負載，回到負極，通路中，電流的方向始終不變。生活中我們常用的乾電池、鉛蓄電池採用的就是直流電。因為它的電壓太低，無法遠距離傳輸，所以要想實現全市覆蓋，就不得不每隔一段就有一個配電站。而威斯汀豪斯支持的交流電卻不同，它有足夠的電壓，適合遠距離傳輸。交流電的電流的方向、大小會隨時間改變。發電廠中發電機的線圈不斷運轉，轉動的角度會影響電流大小，而每轉180°輸出電流的方向就會變換一次，生活中使用的家用220V電源採用的就是交流電。但當時的交流電系統也有弊端，那就是無法給機器供電，只能用於照明。

交流電和直流電可以相互轉換，直流轉交流的過程稱為逆變，交流轉直流的過程稱為整流，電動車充電就是一種典型的整流方式。在特定情況下，直流電比交流電更有優勢。當輸電距離超過800千米時，高壓直流輸電的成本比交流電更低（發電功率一定，高壓直流輸電的電流很小，損耗更小），例如海底電纜。但高壓直流輸電也有缺點，就是不能沿途供電，只能點對點傳輸。

交直流之戰

十九世紀八十年代到九十年代初的十多年中，在先成熟的直流輸電和後起的交流輸電技術之間，展開了一場長時間的激烈爭論，尤其在對直流電和交流電優缺點的評價上。人們把電力技術史上這場爭論叫做「交直流之戰」。

特斯拉和愛迪生

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。而最早的電動機，也都是使用直流電的。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電動機運轉。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，特斯拉製造出了第一個小型交流電動機，但他很需要有財政上的支持。

1879年，愛迪生研製出了白熾燈，他當時面臨著不少的問題：一個住宅區裡的照明燈如果和發電站的距離超過1公裡，就無法得到足夠的電流發出強光，這是因為電流傳輸時線損過大，同線徑情況下，電阻一定，功率一定，電壓越高，電流就越低，產生的熱量就越小，線損也就越小，反之則越大，由於當時沒有直流電升壓技術，所以直流電電壓不高，就會造成線損過大。為了使照明系統能夠正常運行，只好在每隔1公裡的地方建造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，以便產生更大的功率。

電影《電力之戰》劇照

1888年，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，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，西屋公司在美國麻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，西屋公司必然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，義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"（該機器是在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。經過一系列冗長的、令人厭煩的訴訟過程，法庭最後判定：轉動磁場的原始發現人屬於義大利科學家費拉利斯。然而令人遺憾的是，費拉利斯並沒有將異步電動機的巨大潛力運用到日常生活中去。

1891年，特斯拉取得了「高頻率」（15000赫茲）交流發電機的專利。這一年之後，多相交流發電機被用來供應電流，此後的交流發電機的交流電流頻率通常設計在16赫茲至100赫茲間，搭配弧光燈、白熾燈或電動機使用。愛迪生無法隨著市場的變革改變他工程師、發明家的心態，他不願意承認或接受他的錯誤。1892年，在美國「金融巨頭」摩根的主導下，愛迪生通用電氣公司與湯姆·遜休士頓電力公司合併，去掉了「愛迪生」，成為「通用電氣公司」，愛迪生黯然出局。

通用電氣公司

在贏得了「電流之戰」及在1894年成功進行短波無線通信試驗之後，特斯拉被認為是當時美國最偉大的電氣工程師之一。他的許多發現被認為是具有開創性、是電機工程學的先驅。1891年，特斯拉在成功把電力以無線能量傳輸的形式送到了目標用電器之後，致力於商業化的洲際電力無線輸送，並且以此為設想建造了沃登克裡弗塔。

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。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：將一塊白鐵皮板和一臺可達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電氣公司的交流電的致命效果了（電椅就是在這樣的「啟發」下發明的）。同時，作為對愛迪生宣傳攻勢的反擊，特斯拉也在舞臺上進行了很多真正的"電魔術"表演。除了使人們為之驚嘆，特斯拉的另一個目的就是向世人傳播的交流電理念：當不被用在故意犯罪的目的時，交流電是非常安全的。

電影《電力之戰》劇照

當這場「電流之戰」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5月1日，博覽會開幕了，特斯拉的交流電點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。

不久後，在尼亞加拉大瀑布將要建造美國第一座水力發電站，交流電系統由於其經濟實惠和便於製造而被選中了。GE（通用電氣）和西屋都提交的各自的方案，GE提交的是三相方案、西屋提交的是兩相方案，這時候出現了一個有趣的事情，甲方的顧問George Forbes教授設計了神奇的一個傘式外轉子轉場式發電機，電壓要求2萬伏，油冷電樞。對於工業上廣泛使用旋轉變流機來說，頻率越低效果當然越好，不過頻率太低發電機和變壓器的體積和成本太高；頻率高了發電機和變壓器的體積和成本能降低，但是旋轉變流機工作起來問題很多很麻煩。頻率低一點，電機變壓器鐵損方面好一些，線路上也安全一點。不過成本當然又是一個大問題。最後以白熾燈的閃光能接受的情況下，把頻率定在25HZ。在10月份西屋和甲方在紐約的晚餐上，亞當斯老闆對西屋首席工程師表示，如果西屋能做，這項目基本可以敲定。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。

西屋電氣公司

10月份，GE和西屋都給甲方一個反饋，要求更改George Forbes教授的設計，在19世紀，人類科技製造2萬伏電樞，這是不現實的。10月26日，最終合同敲定。西屋公司設計的5000馬力，2.2KV，兩相四線制25HZ發電機中標。每臺的功率為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公裡外的布法羅市。

交流電主要優點體現在發電及配電方面，採用電磁感應原理的交流發電機，可比較經濟的將化學能、機械能及其它形式的能轉為電能。在輸電線路中，直流輸電沒有電容電流產生，而交流輸電線路存在電容電流，容易引起損耗。所以現在與未來超遠距離高壓輸電使用直流電。在變電站會有一個裝置將直流電轉化為交流電，再進行低電壓小距離傳輸。交流電之所以得到普及，是因為它的電壓可以隨意改變。

電力系統歷史

1706年出生的班傑明·富蘭克林因為發現了電而聞名於世。在18世紀50年代早期,他開始學習電學。他通過包括風箏實驗的觀察,明確了電的特性。他知道閃電十分強大也非常危險。1752年著名的風箏實驗,是在風箏頂部放置一個尖的金屬杆，並在風箏線尾部放置一個金屬鑰匙，風箏線穿過鑰匙繫到一個萊頓瓶上(萊頓瓶包含兩端導體，被中間的絕緣體分隔開)。富蘭克林用一個乾絲巾抓住風箏線,絲巾將雷電與人隔離開。他在雷電中放飛風箏。他注意到風箏的麻繩上有一些鬆散的線頭全都直立了起來，彼此獨立。(大麻纖維是一種多年生的美國植物，印第安人用它來製作麻繩。)他繼續用手拉著鑰匙，結果感覺到了微弱的電擊。在1750至1850年間，伏特、庫倫、高斯、亨利、法拉第等其他科學家發現了電和磁的多項重大原理。人們發現電流動可以產生磁場,運動的磁場在電線上又可以產生電流。這些原理催生了很多新的發明，例如電池(1800年)、發電機(183年)、電機(1831年)、電報(1837年)、電話(1876年)等及其他有趣的發明。

班傑明·富蘭克林

1878年，託馬斯·愛迪生開始研究電燈，並明確闡述了用中心電站給周圍地區提供分布式照明服務的概念。1879年10月，他完成了電燈研究，而1882年9月4日紐約珍珠街車站歷史性的電燈打開，標誌著電力工業的開端。在珍珠街，直流發電機，後來稱為發電機，它由蒸汽機驅動產生30kW的初始負荷給一平方英裡面積內的59個用戶提供了110 伏特的白熾燈照明。

愛迪生在通用公司（中間者）

從1882年開始到1972年，電力工業飛速發展壯大——基於不斷降低的電能價格，價格降低主要由於技術成果和創新技術。斯普拉格電氣的實用直流電動機的出現，以及白熾燈照明的發展，促進了愛迪生直流系統的擴大。三線制220伏直流系統的發展允許負荷有所增加，但是隨著傳輸距離和負荷不斷增加，產生了電壓問題。1885年威廉·史坦利開發出商業上實用的變壓器，克服了最大距離和負荷的限制。史坦利在麻薩諸塞州大巴林頓安裝的交流配電系統，能夠給150盞燈供電。有了變壓器，能夠以高電壓更低的電流傳輸電能，更低的線路電壓降使交流電傳輸比直流電傳輸更具有吸引力。在美國，第一條單相交流線路於1889 年在俄勒岡州運營，以4kV的高電壓在俄勒岡市和波特蘭市之間傳輸21公裡。

1888年，尼古拉·特斯拉在美國電氣工程師學會的一次會議上發表了一篇描述兩相電磁感應和同步電機的論文，明確了多相電系統比單相電系統更具優勢，這進一步促進了交流電系統的發展。第一條三相線路於1891 年在德國開始運營，以12kV的高電壓傳輸電能179 公裡。

尼古拉·特斯拉

在美國加州，第一條三相線路於1893年開始運營，以2.3kV 的高電壓傳輸電能12公裡。由特斯拉構想出的三相感應電動機，後來成為了工業上的重負荷設備。同年，愛迪生的蒸汽驅動發電機投入使用，水力驅動發電機在威斯康星州的阿普爾頓安裝使用。其後，大多數電能通過蒸汽動力和水力動力(稱為水力)透平裝置產生。今天，美國電能的85%以上通過汽輪機產生，水輪機產生的電能約佔7%，而燃氣輪機在某些情況下用來滿足高峰負荷。蒸汽裝置主要以煤、天然氣、石油和鈾為燃料。其中，在美國，煤是使用得最為廣泛的燃料，因為其儲量豐富。儘管在20世紀70年代許多以煤為燃料的發電廠改用石油作燃料，但是這一趨勢由於1973年和1974年的石油禁運而又逆轉回用煤作燃料，當時石油禁運造成了石油短缺，並且形成了一種減少對國外石油依賴的全國性期望。1957年，安裝了以鈾為燃料的90兆瓦汽輪機容量的核電機組，今天,1312兆瓦汽輪機容量的核電機組已投入使用。

早期的交流電系統運行頻率各種各樣，包括25、50、60和133Hz。1891 年，在美國，有人提議以60Hz作為標準頻率。1893 年，在同步變流器中引入了25Hz 供電系統。然而，由於這些系統具有引起白熾燈閃爍的缺陷，主要用於鐵路電氣化(其中許多已經停用了)。在加州，洛杉磯電力與水力資源部使用50 Hz的電能，但是隨著1937年胡佛大壩電力系統的投運已經轉換成了60Hz。1949年，南加州愛迪生電力公司也從50Hz轉換至60Hz。今天，世界上發電、輸電和電力分配的兩個標準頻率是60Hz(美國、加拿大、日本、巴西)和50Hz (歐洲，前蘇聯加盟共和國、南美洲(巴西除外)、印度、日本)。60Hz電力系統的優勢是使用這些系統的發電機、電動機以及變壓器通常比具有同樣等級的50 Hz用電設備更小。50Hz與60Hz的電力系統相比的優勢是輸電線路和變壓器的電抗更小。

1896年尼亞加拉大瀑布的水力發電站開啟了發電站遠離負載消費地區的時代。尼亞加拉發電站向20英裡以外的布法羅和紐約提供電力。有了尼亞加拉發電站,威斯汀豪斯更加明確了交流電流遠距離傳輸電力的優越性。尼亞加拉也建立了第一個單一傳輸線向多個大規模消費終端傳輸電能的大型電力系統。直到20世紀初，交流電流電力系統遍布整個美國。這些電力系統互相連接，形成了今天我們熟悉的美國和加拿大的三個主要電力網絡。

採用西屋發電設備的尼亞加拉大瀑布水電站沿用至今

題外話

在影片的最後，在芝加哥世博會上出現了中國人的身影。清政府當時正處於內憂外患之時，並沒有派代表團以官方的名義參加此次盛會，出現在這次世博會上的則是一個民間組織，他們帶來的是充滿中國特色的儒教文化和道教文化的展示。

目前中國的高壓直流技術處於世界第一。19世紀末的「電力之戰」將交流電推上歷史舞臺，讓電的傳輸從1公裡延展到了35公裡。截至2018年，中國的35千伏及以上輸電線路長度已達到189.20萬千米。

文 | eo實習記者 翁子璇

編輯 | 江偉歡

參考資料：

高達聲.「交直流之戰」——電力技術史上的一個案例分析[J].清華大學學報(哲學社會科學版),1986(02):105-110.

（美）史蒂芬·W·布魯姆著,思源學術文庫 電力系統基礎,西安交通大學出版社,2015.07,第1頁

戴吾三.科學史上的直流電與交流電之戰[J].科學（上海）,2014,66(6):44-48. DOI:10.3969/j.issn.0368-6396.2014.06.011.

https://wenku.baidu.com/view/a55be83cf111f18583d05aeb.html

http://story.kedo.gov.cn/c/2015-07-15/737359.shtml

https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E6%B5%81%E4%B9%8B%E6%88%98/16740455?fr=aladdin#reference-[2]-16755805-wrap