01?交流電壓

一、背景

為什么現(xiàn)在有大約三分之一的國(guó)家，包括美國(guó)在內(nèi)使用110V或者120V的交流電壓？?另外三分之二的國(guó)家則使用220,230,240V的交流電壓？?關(guān)于這方面的原因，下面來(lái)聽(tīng)Kathy老師給出的答解答，?其中包括愛(ài)迪生最初如何設(shè)計(jì)的電氣系統(tǒng)，愛(ài)迪生的三線(xiàn)制系統(tǒng)，?發(fā)明金屬鎢白熾燈的時(shí)間，?以及一個(gè)美國(guó)城市-芝加哥。

二、愛(ài)迪生的燈泡

故事從1878年9月8日講起。?那一年愛(ài)迪生31歲。?他的一個(gè)朋友建議他看一下發(fā)明家威廉·華萊士的發(fā)明的直流發(fā)電機(jī)，?據(jù)說(shuō)可以輸出能夠點(diǎn)亮八盞電弧燈的電力。?據(jù)當(dāng)時(shí)的新聞報(bào)紙記載，愛(ài)迪生對(duì)此非常著迷。只是覺(jué)得當(dāng)時(shí)的電弧的光芒太刺眼了。

▲ 圖1.2.1 哈萊士與法爾莫直流發(fā)電機(jī)

當(dāng)他返回自己的“發(fā)明工廠(chǎng)”之后，聲稱(chēng)自己可以只用一個(gè)發(fā)電機(jī)就能點(diǎn)亮一千盞燈，?這樣只要使用15至20臺(tái)他朋友所喜歡的威廉·華萊士的發(fā)電機(jī)，就可以將整個(gè)紐約城市的下半?yún)^(qū)城市都點(diǎn)亮。?他很快就知道華萊士的發(fā)電機(jī)效率不高，無(wú)法實(shí)際使用。?于是他將自己能夠買(mǎi)到的發(fā)電機(jī)都買(mǎi)了一個(gè)，?將它們進(jìn)行組合形成一個(gè)最好的發(fā)電機(jī)，?比所有購(gòu)買(mǎi)到的發(fā)電機(jī)都好。?由于哈萊士發(fā)電機(jī)產(chǎn)生110V電壓，愛(ài)迪生新的發(fā)電機(jī)也輸出110V電壓。?這臺(tái)發(fā)電機(jī)被稱(chēng)為長(zhǎng)腿瑪麗·安妮，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)有兩個(gè)很長(zhǎng)的電磁鐵。

▲ 圖1.1.2 直流發(fā)電機(jī)

即使這個(gè)發(fā)電機(jī)的效率很高，但也花費(fèi)了愛(ài)迪生數(shù)年的時(shí)間才完成城市大規(guī)模電燈點(diǎn)亮。?實(shí)際上從愛(ài)迪生給新聞報(bào)紙吹牛說(shuō)他 已經(jīng)有了解決方案開(kāi)始到大批量產(chǎn)生白熾燈以及建成了中心電站過(guò)去了整整四年。

三、愛(ài)迪生的供電系統(tǒng)

當(dāng)愛(ài)迪生啟動(dòng)第一個(gè)發(fā)電站輸出功率的時(shí)候，?發(fā)現(xiàn)更多的顧客使用流行供電電路，?因此在這條電路上出現(xiàn)了更多的電燈，相當(dāng)于并聯(lián)更多的電阻，?所以相比于不流行供電線(xiàn)來(lái)說(shuō)，這些流行電線(xiàn)上的電燈就比較暗的。

他的解決方案就是使用兩個(gè)直流發(fā)電機(jī)串聯(lián)，?中間有一個(gè)中心線(xiàn)。?這樣一個(gè)發(fā)電機(jī)輸出的電流從正極流出，從負(fù)極流入。?另外一個(gè)發(fā)電機(jī)的電流流向也相同。如果兩路電線(xiàn)供電是平衡的，那么中間電纜上就沒(méi)有電流流過(guò)。?此時(shí)仍然可以利用中間電纜來(lái)產(chǎn)生110V的電壓。

▲ 圖1.1.3 兩個(gè)發(fā)電機(jī)與三條供電線(xiàn)纜

如果兩路供電不平衡，那么就會(huì)在中間電纜上測(cè)量出電流。?根據(jù)中心線(xiàn)電流的方向與大小，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)改變連接方式重新使得系統(tǒng)返回平衡狀態(tài)。?這樣所有的燈都會(huì)有相同的亮度了。?通過(guò)這種方式可以使用三條線(xiàn)來(lái)替代原本四條供電電纜。?因?yàn)橹虚g的電纜只有很少，甚至沒(méi)有電流流過(guò)，可以使用非常細(xì)的電線(xiàn)。?是用這種方式愛(ài)迪生可以對(duì)供電電纜系統(tǒng)減少大約60%的銅使用量。

另外，如果你希望使用更大功率的輸出，比如電動(dòng)機(jī)，?那么你可以將其直接連接在上下兩個(gè)供電電纜上。?這樣就可以獲得220V的電壓。這就是他們實(shí)行的輸電方案。

▲ 圖1.1.4 愛(ài)迪生的三線(xiàn)供電方式

四、燈泡電壓

當(dāng)時(shí)愛(ài)迪生能夠用于制作白熾燈燈絲的金屬是金屬鉑，?這種金屬非常昂貴，?很難大批量用于電燈泡的生產(chǎn)。?后來(lái)愛(ài)迪生使用竹子或者碳化棉來(lái)制作燈絲，這種白熾燈在220V下會(huì)燒斷。?愛(ài)迪生的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也使用相同的電燈，所以110V就變成了照明燈的電壓標(biāo)準(zhǔn)，220V則是電機(jī)的電壓標(biāo)準(zhǔn)。

在1904年發(fā)明家桑德?tīng)枴べZ斯特與弗拉尼奧·哈奈曼使用金屬鎢制作白熾燈的燈絲。?這種燈不僅壽命長(zhǎng)，而且可以忍受更高的電壓。?很快很多歐洲的公司出錢(qián)讓他們的顧客更換燈泡，使用這種新的金屬燈絲作的燈泡。?這樣他們就可以對(duì)所有的電器都是用相同的220V電壓了。

這種方式還可以節(jié)省費(fèi)用，因?yàn)閷?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/873/" target="_blank">高壓通過(guò)變壓器降低到220V比起110V可以節(jié)省更多的金屬。?同時(shí)在220V下變壓器輸出的電流也會(huì)減少，可以使用更細(xì)的電線(xiàn)在變壓器之后傳遞更遠(yuǎn)的電能。?所以大部分歐洲的照明電壓都是220V，同樣由歐洲提供的發(fā)電設(shè)備的非洲以及 亞洲國(guó)家也使用220V作為照明電壓。

由于當(dāng)時(shí)在美國(guó)，白熾燈的使用量已經(jīng)非常大了，所以無(wú)法跟上對(duì)舊燈泡替換的腳步。?比如在1909年，距離鎢絲燈泡已經(jīng)發(fā)明五年之后，在美國(guó)生產(chǎn)了1.4億只白熾燈泡來(lái)滿(mǎn)足市場(chǎng)巨大的需求。?其中已銷(xiāo)售的5300萬(wàn)只碳絲燈泡，只能工作在110V電壓下。?十年之后，鎢絲燈泡制造商的產(chǎn)量提升了15倍，足以滿(mǎn)足所有美國(guó)照明使用。?此時(shí)盡管有很多電力系統(tǒng)都是220V電壓了。?但美國(guó)的電力系統(tǒng)被卡在了110V，包括那些依賴(lài)美國(guó)電氣公司的國(guó)家也只能使用110V電壓系統(tǒng)。

五、芝加哥城市

你也許感到很奇怪，?為什么美國(guó)有那么多的燈泡呢？這個(gè)還是與一個(gè)城市，芝加哥城市，有關(guān)系。?這個(gè)城市在十九世紀(jì)中晚期是世界上發(fā)展最快的城市。?在1840年芝加哥城市開(kāi)始建設(shè)的時(shí)候還是一個(gè)非常小的城鎮(zhèn)，人口僅有4500人。?到了1847 年，連通密西西比河與大湖區(qū)的運(yùn)河在芝加哥匯集。?這樣就使得城市繁榮起來(lái)，它成為交通樞紐。?兩年之后，加州又發(fā)現(xiàn)了黃金，大量的淘金者從東海岸涌向西海岸淘金來(lái)發(fā)家致富。?很多人在芝加哥中途停留，這樣使得當(dāng)?shù)氐娜馐臣庸て髽I(yè)繁榮起來(lái)。

▲ 圖1.5.1 芝加哥城市

由于這些再加上其他未被提及的原因，?到了1870年芝加哥的人工就暴漲到30萬(wàn)人，發(fā)展趨勢(shì)還在繼續(xù)。?由于人口暴漲，大量的廉價(jià)房屋被快速構(gòu)建起來(lái)，由于面積小，所以沒(méi)有衛(wèi)生間，也不太安全。?也許因?yàn)榕⒄彰饔蜔籼叻?，或者煮飯爐火失去控制，引起了一場(chǎng)大火，整個(gè)城市焚燒殆盡。?這場(chǎng)火被稱(chēng)為1871年芝加哥大火。

六、摩天大樓

此時(shí)芝加哥的建筑師則有大量的空地可以重新修建房屋。?建筑物都修建的很高，地皮仍然很貴， ?這是因?yàn)槌鞘斜缓?、河流以及火?chē)站包圍這，以及不斷涌入的人口造成的。?由于修建高層建筑，所以房屋墻壁就需要很厚。?鑄鐵往往在火種容易變形，所以在芝加哥不流行。?一個(gè)名叫威廉·詹妮的建筑師解決了這個(gè)問(wèn)題。

故事可能是這樣的。這一天詹妮回到家里，他的老婆在看一本書(shū)。?看到老公回家了，老婆將書(shū)放在鳥(niǎo)籠的頂上。?看到此詹妮想出了一個(gè)好點(diǎn)子，可以使用金屬框架來(lái)將建筑物支撐起來(lái)，就像這個(gè)鳥(niǎo)籠可以支撐起厚書(shū)本那樣。?這樣就可以減少墻壁的厚度，使得建筑物的承重減少。?這個(gè)方式不只是讓建筑物稍微變大，而是可以建造非常高的建筑物。

在1884年詹妮設(shè)計(jì)了世界上第一座摩天大樓，?層高10層，用于房屋保險(xiǎn)業(yè)務(wù)的建筑。?到了1893年，芝加哥就有了12座摩天大樓。都有16至20層高。?此時(shí)紐約才有4座摩天大樓，盡管紐約的人口非常多。

之所以提到1893年，是因?yàn)槟且荒辏?jīng)過(guò)激烈的爭(zhēng)論以及很多幕后賄賂，?芝加哥終于獲得了舉辦哥倫比亞世界博覽會(huì)的資格。?這次博覽會(huì)迎來(lái)了全球各地2千7百萬(wàn)的訪(fǎng)客，大多數(shù)是美國(guó)人。?你知道當(dāng)時(shí)美國(guó)總?cè)丝诓?千3百萬(wàn)人。?這場(chǎng)成功展會(huì)之后，很多企業(yè)家決定作為城市容貌的驕傲，?也為了更好的生產(chǎn)商品，在他們所在的城市建造摩天大樓。

在1899年美國(guó)就有了62座摩天大樓，當(dāng)時(shí)世界上其他地區(qū)加起來(lái)才有區(qū)區(qū)4座摩天大樓，分別位于日本、荷蘭、澳大利亞與英國(guó)。?這些大樓都需要電來(lái)照明，大部分的發(fā)電機(jī)都位于大樓的地下室。?因?yàn)闊o(wú)法將煤氣通道每一層來(lái)照明，因?yàn)樘吡?，再加上安全也得不到保證。

博覽會(huì)影響非常大，由于使用了交流電照明，電力系統(tǒng)是由西屋電器公司提供的。?由于使用了大量的電燈，這也是第一個(gè)在晚上進(jìn)行的博覽會(huì)。很快所有的人都希望使用電燈，特別是那些商家。?這次博覽會(huì)也被認(rèn)為是交流電與直流電之爭(zhēng)的終點(diǎn)，實(shí)際上爭(zhēng)論在一年前就正式結(jié)束了。

公眾對(duì)于交流與直流不關(guān)心，也對(duì)交流三相、兩相電或者單相電不關(guān)系，只關(guān)心電燈照明。?因此這次博覽會(huì)使得電燈出夠了風(fēng)頭，掩蓋交流勝出直流電的風(fēng)頭。

七、交流電壓

多年之后，很多國(guó)家的電力公司悄悄提高了照明電壓，來(lái)節(jié)省變壓器的成本。可以看到很多國(guó)家照明電壓標(biāo)準(zhǔn)從110V升高到120V，甚至127V?；蛘邚?20V提高到230V，或者240V。?只有日本比較奇怪，是唯一將室內(nèi)照明電壓降低到100V的國(guó)家，主要考慮到火災(zāi)原因。

到了1891年德國(guó)公司展示了一種三相電里傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)使用了三根線(xiàn)傳輸電流。?它們之間相位相差120度。電燈接在三根線(xiàn)與中線(xiàn)之間，或者與底線(xiàn)之間。?到了1920年所有電力系統(tǒng)都采用三相電系統(tǒng)，一直到現(xiàn)在。

▲ 圖1.7.1 三相電供電系統(tǒng)

從那之后，每個(gè)用電家庭的電插銷(xiāo)中有兩條線(xiàn)，一個(gè)是火線(xiàn)，?一個(gè)是中線(xiàn)，有時(shí)候還會(huì)有一個(gè)底線(xiàn)，或者保護(hù)線(xiàn)。?有的時(shí)候家用電器需要更多的功率，比如洗衣機(jī)、烘干機(jī)，這樣就會(huì)有兩條火線(xiàn)引入，形成四線(xiàn)插頭。?這樣烘干機(jī)就有了兩條火線(xiàn)供電，可以使用更多的電力。

▲ 圖1.1.6 四線(xiàn)插頭配置

有的地區(qū)兩條火線(xiàn)之間的相差120度，它們之間的電壓是單個(gè)火線(xiàn)與中線(xiàn)之間的電壓1.72倍。?有的地區(qū)兩個(gè)火線(xiàn)之間相位差為180度，這樣火線(xiàn)之間的電壓就是單個(gè)火線(xiàn)與中線(xiàn)之間電壓的2倍了。?這些使得室內(nèi)電壓配置種類(lèi)令人眼火燎，與所在國(guó)家甚至不同地區(qū)的有關(guān)系。

八、后記

除了這些之外，還有更大的問(wèn)題，為什么有的國(guó)家使用50Hz交流電，而有的國(guó)家使用60Hz。?為何造成這么大的混亂呢？

這一切都與一個(gè)被低估的發(fā)明家有關(guān)系，他的名字叫米哈伊爾·多利弗·多布羅夫斯基。?關(guān)于他 的故事下次我們?cè)僬f(shuō)。

編輯：黃飛

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