01?交流電壓

一、背景

為什么現在有大約三分之一的國家，包括美國在內使用110V或者120V的交流電壓？?另外三分之二的國家則使用220,230,240V的交流電壓？?關于這方面的原因，下面來聽Kathy老師給出的答解答，?其中包括愛迪生最初如何設計的電氣系統，愛迪生的三線制系統，?發明金屬鎢白熾燈的時間，?以及一個美國城市-芝加哥。

二、愛迪生的燈泡

故事從1878年9月8日講起。?那一年愛迪生31歲。?他的一個朋友建議他看一下發明家威廉·華萊士的發明的直流發電機，?據說可以輸出能夠點亮八盞電弧燈的電力。?據當時的新聞報紙記載，愛迪生對此非常著迷。只是覺得當時的電弧的光芒太刺眼了。

▲ 圖1.2.1 哈萊士與法爾莫直流發電機

當他返回自己的“發明工廠”之后，聲稱自己可以只用一個發電機就能點亮一千盞燈，?這樣只要使用15至20臺他朋友所喜歡的威廉·華萊士的發電機，就可以將整個紐約城市的下半區城市都點亮。?他很快就知道華萊士的發電機效率不高，無法實際使用。?于是他將自己能夠買到的發電機都買了一個，?將它們進行組合形成一個最好的發電機，?比所有購買到的發電機都好。?由于哈萊士發電機產生110V電壓，愛迪生新的發電機也輸出110V電壓。?這臺發電機被稱為長腿瑪麗·安妮，因為發電機有兩個很長的電磁鐵。

▲ 圖1.1.2 直流發電機

即使這個發電機的效率很高，但也花費了愛迪生數年的時間才完成城市大規模電燈點亮。?實際上從愛迪生給新聞報紙吹牛說他 已經有了解決方案開始到大批量產生白熾燈以及建成了中心電站過去了整整四年。

三、愛迪生的供電系統

當愛迪生啟動第一個發電站輸出功率的時候，?發現更多的顧客使用流行供電電路，?因此在這條電路上出現了更多的電燈，相當于并聯更多的電阻，?所以相比于不流行供電線來說，這些流行電線上的電燈就比較暗的。

他的解決方案就是使用兩個直流發電機串聯，?中間有一個中心線。?這樣一個發電機輸出的電流從正極流出，從負極流入。?另外一個發電機的電流流向也相同。如果兩路電線供電是平衡的，那么中間電纜上就沒有電流流過。?此時仍然可以利用中間電纜來產生110V的電壓。

▲ 圖1.1.3 兩個發電機與三條供電線纜

如果兩路供電不平衡，那么就會在中間電纜上測量出電流。?根據中心線電流的方向與大小，可以通過開關改變連接方式重新使得系統返回平衡狀態。?這樣所有的燈都會有相同的亮度了。?通過這種方式可以使用三條線來替代原本四條供電電纜。?因為中間的電纜只有很少，甚至沒有電流流過，可以使用非常細的電線。?是用這種方式愛迪生可以對供電電纜系統減少大約60%的銅使用量。

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

▲ 圖1.1.4 愛迪生的三線供電方式

四、燈泡電壓

當時愛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。?后來愛迪生使用竹子或者碳化棉來制作燈絲，這種白熾燈在220V下會燒斷。?愛迪生的競爭對手也使用相同的電燈，所以110V就變成了照明燈的電壓標準，220V則是電機的電壓標準。

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

這種方式還可以節省費用，因為將高壓通過變壓器降低到220V比起110V可以節省更多的金屬。?同時在220V下變壓器輸出的電流也會減少，可以使用更細的電線在變壓器之后傳遞更遠的電能。?所以大部分歐洲的照明電壓都是220V，同樣由歐洲提供的發電設備的非洲以及 亞洲國家也使用220V作為照明電壓。

由于當時在美國，白熾燈的使用量已經非常大了，所以無法跟上對舊燈泡替換的腳步。?比如在1909年，距離鎢絲燈泡已經發明五年之后，在美國生產了1.4億只白熾燈泡來滿足市場巨大的需求。?其中已銷售的5300萬只碳絲燈泡，只能工作在110V電壓下。?十年之后，鎢絲燈泡制造商的產量提升了15倍，足以滿足所有美國照明使用。?此時盡管有很多電力系統都是220V電壓了。?但美國的電力系統被卡在了110V，包括那些依賴美國電氣公司的國家也只能使用110V電壓系統。

五、芝加哥城市

你也許感到很奇怪，?為什么美國有那么多的燈泡呢？這個還是與一個城市，芝加哥城市，有關系。?這個城市在十九世紀中晚期是世界上發展最快的城市。?在1840年芝加哥城市開始建設的時候還是一個非常小的城鎮，人口僅有4500人。?到了1847 年，連通密西西比河與大湖區的運河在芝加哥匯集。?這樣就使得城市繁榮起來，它成為交通樞紐。?兩年之后，加州又發現了黃金，大量的淘金者從東海岸涌向西海岸淘金來發家致富。?很多人在芝加哥中途停留，這樣使得當地的肉食加工企業繁榮起來。

▲ 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30萬人，發展趨勢還在繼續。?由于人口暴漲，大量的廉價房屋被快速構建起來，由于面積小，所以沒有衛生間，也不太安全。?也許因為牛將照明油燈踢翻，或者煮飯爐火失去控制，引起了一場大火，整個城市焚燒殆盡。?這場火被稱為1871年芝加哥大火。

六、摩天大樓

此時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， ?這是因為城市被湖泊、河流以及火車站包圍這，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。?一個名叫威廉·詹妮的建筑師解決了這個問題。

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。?看到老公回家了，老婆將書放在鳥籠的頂上。?看到此詹妮想出了一個好點子，可以使用金屬框架來將建筑物支撐起來，就像這個鳥籠可以支撐起厚書本那樣。?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年詹妮設計了世界上第一座摩天大樓，?層高10層，用于房屋保險業務的建筑。?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，是因為那一年，經過激烈的爭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的資格。?這次博覽會迎來了全球各地2千7百萬的訪客，大多數是美國人。?你知道當時美國總人口才6千3百萬人。?這場成功展會之后，很多企業家決定作為城市容貌的驕傲，?也為了更好的生產商品，在他們所在的城市建造摩天大樓。

在1899年美國就有了62座摩天大樓，當時世界上其他地區加起來才有區區4座摩天大樓，分別位于日本、荷蘭、澳大利亞與英國。?這些大樓都需要電來照明，大部分的發電機都位于大樓的地下室。?因為無法將煤氣通道每一層來照明，因為太高了，再加上安全也得不到保證。

博覽會影響非常大，由于使用了交流電照明，電力系統是由西屋電器公司提供的。?由于使用了大量的電燈，這也是第一個在晚上進行的博覽會。很快所有的人都希望使用電燈，特別是那些商家。?這次博覽會也被認為是交流電與直流電之爭的終點，實際上爭論在一年前就正式結束了。

公眾對于交流與直流不關心，也對交流三相、兩相電或者單相電不關系，只關心電燈照明。?因此這次博覽會使得電燈出夠了風頭，掩蓋交流勝出直流電的風頭。

七、交流電壓

多年之后，很多國家的電力公司悄悄提高了照明電壓，來節省變壓器的成本。可以看到很多國家照明電壓標準從110V升高到120V，甚至127V。或者從220V提高到230V，或者240V。?只有日本比較奇怪，是唯一將室內照明電壓降低到100V的國家，主要考慮到火災原因。

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

▲ 圖1.7.1 三相電供電系統

從那之后，每個用電家庭的電插銷中有兩條線，一個是火線，?一個是中線，有時候還會有一個底線，或者保護線。?有的時候家用電器需要更多的功率，比如洗衣機、烘干機，這樣就會有兩條火線引入，形成四線插頭。?這樣烘干機就有了兩條火線供電，可以使用更多的電力。

▲ 圖1.1.6 四線插頭配置

有的地區兩條火線之間的相差120度，它們之間的電壓是單個火線與中線之間的電壓1.72倍。?有的地區兩個火線之間相位差為180度，這樣火線之間的電壓就是單個火線與中線之間電壓的2倍了。?這些使得室內電壓配置種類令人眼火燎，與所在國家甚至不同地區的有關系。

八、后記

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

這一切都與一個被低估的發明家有關系，他的名字叫米哈伊爾·多利弗·多布羅夫斯基。?關于他 的故事下次我們再說。

編輯：黃飛

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