作者：李永乐 来源：李永乐老师

最初法拉第发明的发电机是产生直流电的直流发电机，但是我们今天很多时候使用的都是交流电。特斯拉最大的贡献就是推动了交流电的应用与普及。交流电与直流电相比有什么优势呢？我们通过讲述历史上一段耐人寻味的“电流大战”来了解一下吧。

在法拉第发现了电磁感应定律：磁场可以产生电流之后，各种用电器就如雨后春笋般的出现了，这里面最重要的一项发明就是电灯泡。有一个人靠改进电灯泡积累了巨额财富，这就是美国发明大王托马斯爱迪生。

1878年到1880年，爱迪生与助手一起研制电灯泡，并最终找到了可以点亮一千多个小时的灯丝材料。1881年，在巴黎世博会上，爱迪生展出一台重27吨、可供1200只电灯照明的发电设备，从此名扬世界。1882年，爱迪生在纽约金融街旁边创办了自己的直流电力公司，负责向用户提供灯泡等用电设备以及电力供应，并迅速积累了巨额财富。

但是，直流电有一个巨大的缺陷：直流电不能变压。

当发电厂产生电能之后，电能需要通过导线传输给用户。在用户用电的时候，导线上也会损耗一部分能量。用户的功率P用等于发电厂发出来的功率P减去导线上损耗的功率P损。

发电厂发出来的电功率P等于电压U与电流I的乘积：P=UI，导线上损耗的功率等于电流平方与电阻r的乘积Pr=I^2r，所以用户获得的功率是两者之差P用户=UI-I^2r.

如何才能降低导线上的功率损耗呢？首先人们想到了减小电阻r。一般而言，铜的电阻较小，所以导线一般使用铜制作，同时，减小导线长度、增加导线截面积也可以降低导线电阻。但是即便是这样，当用户多、电流大的时候，导线上的损耗依然很大。这么大的热功率不仅浪费电能，更重要的是会使导线变热，引起火灾。

那么，要进一步降低导线上的能量损耗，就需要减小电流I。但是在功率P一定的情况下，就得使用高电压U。比如，输电功率同样是100瓦特，如果电压是100伏特，电路中的电流就是1安培；如果电路中电压是1000伏特，那么电流就是0.1安培。电流减小了十倍，那么损耗功率就会变为原来的百分之一。

不过，发电厂发出的电压也不能特别高，因为这样的话，用户一端的灯泡全都会因为承受不了高压而爆掉。

那怎么办？爱迪生的回答是：“那好吧，我们就每隔一英里建一个发电站，这样导线的电阻就小了。”

显然，这种方式会使得用电的成本大大提高。有没有办法在输电时候使用高压，到达用户阶段再使用低压呢？比如，现代的电网基本原理就是下面这样：

首先，发电厂发出的电压通过一个升压变压器变为高压，通过高压电线输电，到达用户一端时首先通过降压变压器降压，再输送给用户。

为了理解这个过程，我们就需要对变压器知识有所了解。

变压器也是靠电磁感应工作的。有一个回字形的铁心，铁心左端缠绕着一个导线线圈，称为原线圈，铁心右端也差绕着一个线圈，称为副线圈。当一个变化电流（交流电）从通过原线圈时，由于原线圈电流变化，造成原线圈的磁场也发生变化，这个磁场会通过副线圈，造成副线圈的磁场也发生变化，就好像法拉第实验中的磁铁插入或者拔出线圈一样，副线圈中就会产生电流。而且，根据法拉第电磁感应定律，如果原线圈有N1匝，副线圈有N2匝，原线圈电压U1，副线圈电压U2，那么两个电压之间的关系为：

U1：U2=N1:N2

通过调整两个线圈的匝数关系，就可以实现升压和降压了。

但是变压器要工作，必须使用交流电。因为恒定电流通过原线圈时，由于电流不变，磁场也不变， 副线圈中就不会产生电磁感应现象。于是，一些科学家就想到：是否应该使用交流电来代替直流电。

说到交流电，就不得不提到尼古拉特斯拉。

​特斯拉是塞尔维亚裔科学家，年轻时就一直思考着交流电和交流发电机的构想，但是一直没有实现。他觉得世界上有一个人可以帮助他实现梦想，这个人就是爱迪生，于是，他在1884年来到纽约，加入了爱迪生的公司。

特斯拉向爱迪生阐述了自己关于交流电的想法，但是并没有获得爱迪生的支持，不过爱迪生还是雇佣了特斯拉，并请特斯拉改进自己公司的直流发电机。爱迪生许诺：直流发电机改好之后，特斯拉将获得五万美元的奖励。当时的五万美元不是个小数字，可以在纽约买一个房子。

年轻的特斯拉夜以继日的工作者，每天从早上十点工作到第二天凌晨五点。但是当他工作完成并向爱迪生要报酬的时候，爱迪生只是大笑，并对他说：“特斯拉先生，看来你是不懂美国式的幽默”。

特斯拉一怒之下离开了爱迪生的公司，通过干体力活维持自己的生计。一年多以后，在投资人的资助下，特斯拉终于创办了自己的交流电公司，并生产各种基于交流电的发电、变压、和用电设备。西屋电气公司的老板乔治豪斯在看了特斯拉的展示之后，购买了特斯拉的所有专利，并以3.5美元每千瓦时向特斯拉支付版权费。如果这个版权延续到今天，那特斯拉积累的版权费会是一个天文数字，因为现在全世界都在使用交流电，2017年全球发电量24万亿千瓦时，而其中绝大部分都是交流电。

由于交流电对直流电的先天优势，以直流电为主业的爱迪生对此十分恼火，并决定通过各种方式诋毁爱迪生爱迪生向公众强调：交流电是危险的，必须禁止。他使用交流电公开处决如大象等大型动物，并把处决过程拍摄成电影给公众播放。他甚至通过自己的关系游说国会，将死刑犯的行刑方式从绞刑改为了电椅。

1890年，世界上第一例电椅实验在纽约的监狱展开，由于经验不足，火苗从罪犯的脊柱窜出，但是罪犯却还活着。

这场交流电和直流电的战斗在1893年芝加哥世博会上进入了白热化。芝加哥世博会是人类历史上第一次使用电灯照明的世博会。此时，爱迪生公司已经改组为通用电气公司， 他们的首要任务就是要揽到这个活。他们对政府开价大约一百万美元。但是，特斯拉的公司开价只有他们的一半，显然，爱迪生没有拿到这个工程，而特斯拉得到了一个创造历史的机会。

1893年5月1日，十万观众涌入世博园区，夜幕降临，克里夫兰总统按下按钮，整个世博园区的数万盏灯泡被特斯拉的交流电点亮，人类从未见过如此的情景，对那个时代的人来说，这就是未来。

在世博会上，特斯拉为了消除公众对交流电的恐惧，向人们展示了 奇妙的实验：他身着礼服，脚穿木鞋，双手接通电路，用身体做导线通过交流电，全身闪着电火花。而且在那之后，他似乎就迷恋上了闪电，他经常在放着闪电的实验室看书，这种让人看着都害怕的东西仿佛是特斯拉的宠物一样温顺。

世博会给人们留下了深刻的印象，特斯拉也一度成为当时的风云人物。在特斯拉小的时候有一个梦想，将尼亚加拉水瀑奔腾的水流变为电能。现在就是他实现梦想的时候了。

1896年，特斯拉主持建造了尼亚加拉水电站，尼亚加拉瀑布强大的水流推动了巨大的发电机，提供了4000千瓦的电能，通过变压器升压到22000伏特，再通过高压电线输送到360英里之外的纽约，通过降压变压器降压之后给交流电动机、电灯泡和电车等用电设备供电。在特斯拉的带领下，电能真正走进了千家万户。

特斯拉发明了特斯拉线圈，促进了交流电的应用，发明了交流电动机，还有其他数百项专利，有一种说法是科学界有两个被严重低估的天才，一个是莱昂纳多达芬奇，另一个就是尼古拉特斯拉。

他虽然是一个卓越的科学家和工程师，但是却不是一个成功的商人。他没有从自己发明的交流电中获得太多收益，而且由于他太醉心于无线输电技术——一种不用导线就可以输电的新技术的研究而被资本家们所抛弃。

世界没有认识到这位天才的价值，晚年的特斯拉孤独的住在纽约的小旅馆里，被出租车撞了却无钱医治，还是以前的东家——西屋电气公司帮他支付了医药费。

第二次世界大战时，特斯拉曾经向美国政府提了两个建议：天气风暴和死光武器。1943年1月8日，总统安排特斯拉在白宫会面，但是在前一天夜里，特斯拉在他住的小旅馆去世了。纽约市长在电台中发布了讣告：

“昨晚，一位87岁的老人去世了。他去世时一贫如洗，但是却是对这个世界贡献最多的人。如果把他的发明从生活中抽走，工厂车间将停止运转， 电车将停止运动，我们的城市将陷入黑暗。特斯拉并没有死，他的生命已经融入了我们的时代。”

特斯拉两次和诺贝尔奖失之交臂，第一次是无线电的发明。他最早进行了无线电通讯的演示并获得专利，但是美国专利局去却随后撤销了他的专利转而授予马肯尼，并使得马可尼获得了1909年诺贝尔奖。1915年，纽约时报头版刊文：瑞典政府已经决定将本年度的诺贝尔物理学奖颁发给托马斯爱迪生和尼古拉特斯拉。特斯拉也登上了时代周刊的封面。但是，一周之后，诺贝尔奖却授予给了牛津大学的布拉格。传说这是因为特斯拉拒绝与爱迪生分享诺贝尔奖，而这个谜团至今也没有得到解释。

为了奖励特斯拉的贡献，美国美国电气工程师协会（现合并为电气电子工程师协会IEEE）决定授予特斯拉他们协会的最高奖章——爱迪生奖章。

显而易见，特斯拉没有去领奖。