高关中
交流电系统的推动者——特斯拉 精选
2023-3-20 05:35
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作者 高关中(德国汉堡)2023/3/17

美国企业家马斯克(Elon Musk,1971-)创办了一家世界闻名的电动汽车制造公司,以特斯拉命名,表达他对美籍塞尔维亚族发明家特斯拉(1856-1943)的崇敬。特斯拉是电力商业化的重要推动者,因主要设计现代交流电系统而最为人知。他在电磁场领域和其他方面也有不少发明。他在塞尔维亚和克罗地亚都受到人们的崇敬。

 

爱迪生错失天才

尼古拉·特斯拉(塞语Никола Тесла,英语Nikola Tesla)1856年7月10日出生在奥地利帝国治下的斯米连村(Smiljan,今属克罗地亚)。他是五个孩子中的老四。他诞生的故居现已修复为纪念馆,门前草坪上竖立着他的塑像。

特斯拉5岁就上学了,学习德语、算术和宗教。1862年,全家搬到村东6公里的戈斯皮奇镇(Gospić,位于萨格勒布至斯普利特铁路中点),他的父亲在那里做东正教区牧师。在镇上,特斯拉完成小学和初中学业。1870年,全家又搬到卡尔洛瓦茨(Karlovac,在萨格勒布西南56公里),他在那里上德语高中,开始对电学产生浓厚的兴趣。

1875年特斯拉进奥地利的格拉茨皇家技术学院(格拉茨理工大学前身)学习物理、数学和机械学。在此他观察了比利时发明家格拉姆(Zénobe Gramme,1826-1901)所造的直流发电机(Gramme machine,第一台在工业上实用的发电机),倒转就成了电动机,萌生了一种利用交流电的想法。他在大学只上了一年多的课,因交不起学费被迫退学。1877年,特斯拉到布拉格学习了两年,一边旁听大学课程,一边在图书馆学习。

1881年特斯拉到匈牙利布达佩斯从事电报电话方面的电学业务,在此设想出旋转磁场的原理,订出研制感应电动机(induction motor)的方案。次年秋,他转到爱迪生电灯公司巴黎分公司当工程师,业余时间成功设计出第一台感应电机模型。

1884年,特斯拉第一次踏上美国国土,来到纽约。他几乎是身无分文,只有前雇主所写的一封推荐信。这封信是写给爱迪生的,信中提到:“我知道有两个伟大的人,一个是你,另一个就是这个年轻人。”爱迪生雇用了他。特斯拉开始为爱迪生进行简单的电器设计,他进步很快,不久以后就可以解决公司一些非常难的问题了。

特斯拉干了不到一年,就辞职了。据说有一次爱迪生和特斯拉谈论直流发电机的改进。爱迪生无意中说出:“如果你能搞出来,付你5万美元。” 特斯拉几乎将整个发电机重新设计,使爱迪生公司从中获得巨大的利润和新的专利所有权。当特斯拉向爱迪生索取5万美元时,爱迪生调侃说 “特斯拉,你不知道我们美国人爱开玩笑吗!”。特斯拉是个有脾气的人,他认为爱迪生戏弄了他,当场提出辞职。爱迪生从此失去一个天才。

 

交流电大放异彩

爱迪生不仅错失天才,还增添了一个令他头疼的对手。当时围绕不同类型的电流之间的争斗正在白热化。世界的发展需要更多能源,因此人们竞相为电动机器和照明设备寻找最有效的发电和供电方式。有两种不同的电力传输系统在相互竞争,到底应该用交流电(AC) 还是直流电(DC),对垒双方的主将就是爱迪生和特斯拉。

直流电只能在一个电压下沿一个方向和短距离流动。而交流电长距离输电更为方便,电压可以升压或降压,以便把电力更有效地送到更多的地方。这有点像马车跟喷气式飞机相比较。当法拉第1831年发现了电磁感应后,产生交流电流的方法就被发现。1832年法国人皮克西(Hippolyte Pixii,1808-1835基于法拉第的原理制造了第一台交流电机。特斯拉虽然不是交流电发电机的最早发明者,但其对交流电的改进如同瓦特对蒸汽机的改进一样,有杰出的贡献。他是科学家式的人物,重视理论的思考。他提出旋转磁场理论,研制出多相交流发电机。他发现了一种能任意提高和降低电压的办法,这就是变压器。不过这得使用交流电。而爱迪生用的是直流电。因此当特斯拉抵达纽约时,他的口袋里已经有一架“喷气式飞机”——他在欧洲工作时一直在试验交流电,并于 1883 年制造了他的第一台感应发电机。

爱迪生发明直流电(准确地说是推广)后,电器得到广泛应用,而同时电费却十分高昂,所以经营输出直流电成为了当时最赚钱的生意。为此爱迪生的公司大力投资于直流电,已经下了大本钱,不愿意轻易改换。特斯拉和爱迪生分手后,找到了新的合作伙伴,美国企业家、工程师乔治·威斯汀豪斯(George Westinghouse,1846-1914)。威斯汀豪斯非等闲之辈,火车的空气制动器(气闸)就是他发明的。他还创建了西屋电气公司(西屋就是威斯汀豪斯的意译),向电气领域拓展。他购买了特斯拉的多相交流发电机、变压器和电动机专利,触发了爱迪生的直流电体系和特斯拉的交流电体系之间的竞争,即“电流之战”。

1888年,爱迪生买通美国某些州政府官员,把当地死刑由绞刑改为交流电电刑。并雇用小学生,抓猫狗来用特斯拉的交流电做实验,把猫狗电死,来显示交流电的危害,打击特斯拉交流电在人们心目中的地位。特斯拉针锋相对,在记者招待会上,把交流发电机引出的绝缘导线缠在自己身上,一合闸,电灯大放光明,而特斯拉毫发无损。交流电危险的谣言不攻自破。

青山遮不住,毕竟东流去。1887年特斯拉独立发明三相异步电动机,交流电远距离高压传输的优点也就体现出来,同时也解决了机器不能用上交流电的问题。交流电系统的应用逐渐扩大。1891年德国法兰克福国际博览会上展示一条交流输电线,把大功率的电力由176公里外的劳芬(Lauffen am Neckar,今属海尔布隆)送来,线路上的热损失仅为23%,这是直流输电无法比拟的。

特别是1893年,西屋公司和特斯拉竞拍得在芝加哥举行的国际博览会的用交流电照明的工程,这是在交流电发展史上的一件大事。借此机会向美国民众展示交流电的可靠性和安全性。在博览会上,特斯拉展示了交流电照明,最终成为“电流之战”的赢家。事后,特斯拉获得了尼亚加拉水电站安装第一台发电机的合同。

从此交流电取代了直流电,成为供电的主流。而特斯拉拥有着交流电的专利权,在当时每销售一马力交流电就必须向特斯拉缴纳2.5美元的专利费。在强大的利益驱动下,当时一股财团势力要挟特斯拉放弃此项专利权,并意图独占牟利。经过多番交涉后,特斯拉决定放弃交流电的专利权,条件是交流电的专利将永久公开。从此交流电再没有专利,成为一项免费的发明。如果交流电的发明专利不送给全人类免费使用,特斯拉将会是世界上最富有的人。

在特斯拉众多的发明里,最惠及大众的莫过于其发明的各种交流电机了。他的设计能够经济高效地远距离传输电能,我们今天仍在使用交流电,发电和输电系统仍然基于特斯拉的理念。在世界每一角落,经贸的发展、科学的进步和生活的享受都离不开交流电的帮助。当然随着科学技术的发展,今天也在用直流输电,但主要还是交流电的世界。

今天许多电气设备都依赖于他的另一项发明。特斯拉的感应电机非常具有创新性,现仍在工业和许多家用电器中使用——甚至用于电动汽车。难怪马斯克为他的电动汽车取名特斯拉。

 

多方面的天才

在赢得著名的“电流之战”及在1894年成功进行短波无线通信试验之后,特斯拉被认为是当时美国最伟大的电机工程师之一。他的许多发现具有开创性,是电机工程学的先驱。他对电磁学的理论研究是现代无线电和无线通信的基石。

1891年特斯拉发明特斯拉线圈,能把震动频率较小的电流变成迅速震动的高频电流,现在广泛用于无线电、电视机以及其他电子设备中。1898年,他制造出世界上第一艘无线电遥控船,无线电遥控技术取得专利。1900年他最重要发现是大地驻波,证明了大地能做导体用。此外他还制成2.5万赫高频发电机、设计电介质高频加热装置、发明过高压传送机及电钟等。1917年特斯拉获得美国电机工程师学会颁发的爱迪生奖。

特斯拉一生的发明见证了他对社会无私的贡献。他一生取得约1000个(一说700项)专利发明。但这并没有使他腰缠万贯,特斯拉长年经济拮据。他不是理财专家,钱都花在科学实验上。在他留存的笔记中,有大量创造性的天才设想,至今仍为工程师发掘的宝藏。

20世纪30年代,特斯拉接近生命的尾声,在花光大部分钱后,特斯拉住进纽约一家酒店,以旅馆为家。1943年1月7日在酒店房间里去世,他在那里度过了生命的最后10年,终年87岁。

特斯拉终身未婚。1951年,他的个人物品被运往塞尔维亚贝尔格莱德,这要归功于他侄子的努力。4年后,尼古拉·特斯拉博物馆(Nikola Tesla Museum)在贝尔格莱德市南Krunska 51号开放,至今每年仍然吸引成千上万的游客。它还吸引了不少科研人员,因为馆内收藏了16万份特斯拉文件,包括计划,草图和照片。对回溯世界电气化历史、推动技术发展有着重要意义。馆内还保留着特斯拉的床,冰箱,衣柜,他的13套西装,75条领带,40多副手套等,他的球形骨灰瓮于1957年安放于这家博物馆内。

1956年,国际单位制中的测量磁通密度(磁感应强度)的单位确定以特斯拉的名字命名,简称特。表达对特斯拉的纪念。

塞尔维亚有街道、学校以他的名字命名。贝尔格莱德国际机场命名为尼古拉·特斯拉机场(Belgrade Nikola Tesla Airport)。在塞尔维亚和克罗地亚,特斯拉都在钞票和硬币上。2023年克罗地亚改用欧元了,但塞尔维亚的纸币上仍然印有特斯拉的头像。

 

 


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