科学发展史告诉你,电流为什么要分交流和直流

1801年英国化学家汉弗里·戴维发明了世界上最早的简易电灯,铂丝通电就能够发出耀眼白光,这种电灯几分钟时间就会被氧气迅速氧化,不具有实用性,但它比爱迪生发明的碳化棉丝白炽灯早了足足78年。至此,电开始和人们的生活有了交集。

早期的电流只有直流电,这是一种大小和方向都不变的恒定电流,它的最大优点是设计简单,可以利用煤炭燃烧产生热能,使水蒸气作为动力,让永磁体在闭合导体内的磁通量发生变化,产生感应电动势,以此作为供电能源。爱迪生在改进电灯后不久,1882年就在纽约珍珠街上建造了自己的发电厂,利用这套发电系统将110伏电压供给周围1英里范围内的60户居民。当然,条件之一是必须使用爱迪生发明的电灯。

从煤油灯到白炽灯,这种飞跃式的进步迅速打响了爱迪生的名气,越来越多的当地居民需要爱迪生的电灯和电能。随着需求增加,这时暴露出直流电的致命缺点,当发电厂和居民之间的距离较远时,直流输电会在电线上产生较多的热能将电能损耗,110伏电压到居民家中可能只有不到50伏了。为了解决这个问题,爱迪生命令每隔1英里就建造一个小型发电厂,这种“傻瓜式”的方法让当时遍地都是发电厂,显然不符合现代科学的简洁性。

直流电的弊端暴露后,交流电开始登场。

所谓的交流电是一种大小和方向存在周期性变化的电流。这种电流结合当时刚发明的变压器,能降低电能在线路上的损耗,并且只需要一个发电厂就可以满足整个城市的需求。

通常来说,交流发电机在输出110V电压的过程中,会先利用变压器将110V电压升压。因为在发电机功率P不变的情况下,P=UI,电压越大电流就越小,那么导线上流过的电流就越小,产生的热能就越小,因此损耗的电能P=I?R就越小。升压后的电压到了居民区再降压,就可以保证110V电压的稳定了。

而当时,直流电只能利用变压器降压,升压极其复杂并且耗能会更多。所以,交流电有着压倒性的优势。1886年,帮助爱迪生改进直流发电机,但被爱迪生戏耍而愤然出走的尼古拉·特斯拉,开始在公众场合极力推广交流电和自己的交流电系统。

看到交流电的宣传,爱迪生内心惶恐不已,因为自己的产业一大半都是建立在直流电系统上的,所以就开始雇人发传单抹黑交流电,说使用交流电有生命危险!

在爱迪生的授意下,一头大象被通上交流电电死了。

1888年,早有远见的西屋公司花费百万美元收购了特斯拉的所有交流电专利,这让特斯拉有了足够的资金和爱迪生抗争到底。1891年,特斯拉在芝加哥博览会点亮了9万盏灯泡,向众人证明交流电非常安全,这场电流之争才落下了帷幕。1893年,交流电正式取代直流电,作为电力系统的基础。此后,直流电更多被用于家用电器电池和玩具电池上,交流电已经在商业上占了主导。

故事到这里,并没有结束,反转来了!

照理说,交流电在商业上的优势是碾压性的。但1954年,瑞典建成了世界上第一座商用高压直流输电系统,直流电又开始反击了!

高压直流输电是发电厂将产生的交流电通过换流器变成直流电,让直流电在远距离传输后到达受电端,再变成交流电送入千家万户。

19世纪到20世纪之间,发电厂能够提供的电压是非常低的,而交流电的优势就在于能够升压减少损失。但现在的高压直流输电技术,能直接提供超过50万伏特的电压,在超远距离下导线更长,电阻更大电流更小,在传输过程中的单位损耗也会更低。通常超过800千米的距离,高压直流输电的优势就体现出来了。并且它的线路更少,造价更低,而且比交流输电技术更稳定,不过缺点是只能1对1输电,不能在经过的路径中供电。一些特定的情景中,高压直流输电会更有优势,例如海底电缆输电。

目前,我国已有14条高压直流输电线路,总长度2.5万公里,西电东送的年电量已经突破2000亿度,已达世界一流水平。

科学的发展充满着跌宕起伏,无论是交流电胜还是直流电胜,最终受益的都是寻常百姓。