從富蘭克林發現電現象到法拉第發現電磁感應定律，科學家們都渴望破解這壹神奇物理現象的密碼。我們故事的開始是從1802開始的(如果電氣發展的全貌已經展開的話會更早)。當時，實驗室的科學家已經能夠通過電化學反應產生穩定的電流。當時著名的英國化學家漢弗萊·戴維爵士(封於1812)用電流加熱不同的金屬棒，發現鉑絲可以保持壹段時間的白熾而不被氧化，這是人類第壹次將電能轉化為光能。
當時人們對電的認知僅限於產生火花，代表電的存在。1809年，大衛將兩根碳棒連接在壹個大功率電池的兩端，互不接觸，碳棒之間有壹個拱形火花，所以稱之為“電弧”，這是弧光燈的基本原理。大衛的兩個發現分別為白熾燈和弧光燈的發明奠定了基礎。
關於漢弗萊·大衛爵士，還有兩件事值得壹提。壹個是他個人的成就。他發現並制造了許多元素，包括鈣、鎂、鈉、鉀、鍶和鋇。他是公認的發現元素最多的科學家，也被稱為“無機化學”。第二，大衛發現了法拉第的才華，並把他引向了科學界的大門。雖然師徒二人經歷了壹些不愉快，但大衛仍然驕傲地認為法拉第是他生前最偉大的發現。
於是在接下來的70年裏，各行各業的科學家和學者發明了各種形式的白熾燈和弧光燈。以下僅是發明的代表性例子:
1840年，威廉·羅伯特·格羅夫爵士發明了下圖所示的實驗燈。他在鉑絲兩端接上兩根銅線，塗上絕緣。然後他將鉑絲作為燈絲放入倒置在水中的玻璃中，以避免白熾燈絲被氣流散熱，減少鉑絲被氧氣氧化。格羅夫爵士發明的白熾燈只能發出微弱的光，而且耗電量太大，無法商業化。
1841年，另壹位英國人弗雷德裏克·德·莫萊因斯獲得了世界上第壹盞白熾燈的專利。這種球形白熾燈上部的燈管內裝有碳粉，下端的開口為兩根鉑絲提供碳粉。但是由於碳粉在高溫下揮發，球形玻璃會很快變黑，還是不實用。
在接下來的20年裏，各種形狀各異的白熾燈相繼問世，但由於成本高、發光時間短、外殼黑等諸多問題，並沒有大規模投入使用。
1860年，英國人約瑟夫·斯旺制作了碳絲電燈，但受到技術條件的限制。當時，他未能創造出燈絲持續工作的良好真空環境。直到1878年，英國的真空技術才發展起來滿足需要，他發明了真空下用碳絲供電的燈泡，並獲得了英國專利。1879年，斯萬在各地的演講中能夠公開向觀眾演示他的白熾燈。同年，他成立了天鵝電燈泡有限公司，實現了白熾燈的私人化和商業化生產。蓋茨黑德的天鵝之家是世界上第壹座有電的私人住宅。
在俄羅斯，1872年，科學家Lodyguine發明了壹種以V型石墨為燃料，充入氮氣的白熾燈。因為運營成本高，使用壽命短(12小時)，這個項目也以失敗告終。
1874年，加拿大的兩位電工發明了壹項技術，在壹個玻璃燈泡中充入氮氣，使其與通電的碳棒壹起發光。但由於他們缺乏後續資金，這項技術在1875賣給了我們熟悉的愛迪生。這兩個電工的名字沒有找到。
愛迪生買下白熾燈的專利後，在1878年夏天開始準備發明白熾燈。他不僅會發明白熾燈，還會發明壹套完整的電力系統，可以像煤氣壹樣給用戶提供電力。
愛迪生在19的70年代末和19的80年代初創造了很多奇跡，包括白熾燈——門羅公園實驗室，世界上設備最齊全的私人工業研發室。在這裏，愛迪生和他的實驗者改進了電話，發明了留聲機，開發了商用電燈和電力系統。在門洛帕克，愛迪生總結了構成他余生創新之路的三個要素:以團隊為基礎的研究，企業對研發的支持，以及他自己作為壹個可靠和實用的發明家的品牌形象，以鼓勵投資者資助實驗室和發明。
白熾燈的改進和電力系統的發明過程，因為有了可靠的團隊和修復過的實驗室，有了很好的基礎。
1877年9月，愛迪生白熾燈碳化紙帶。由於當時沒有性能優異的真空泵，無法構建有效的真空環境，碳化紙帶在氧化實驗中很快失效。
愛迪生進壹步了解了電弧照明系統和新發明的發電機後，提出了兩個新的想法:在燈絲過熱前切斷電路以確保燈絲不熔斷，通過並聯燈泡使每盞燈獨立工作。1878年9月3日，愛迪生為他現有的想法申請了專利，並在《紐約太陽報》上說，電燈照明會比煤氣照明便宜。但實際上，現階段愛迪生還沒有改進或發明出可以長時間工作的白熾燈。
9月底，愛迪生的律師開始與壹些感興趣的投資者討論。最後，10年6月16日，愛迪生電燈公司成立，總資本30萬美元。愛迪生授予該公司對美國北部和南部電燈專利的獨家控制權。作為回報，他獲得了250，000美元的公司股票，30，000美元的實驗費用，以及另外65，438+000，000美元。在保證最低年薪15000美元的前提下，他獲得了公司每賣出壹盞燈5美分的版稅。
以上是愛迪生為建立他的電燈和電力系統所做的準備，也是偉大的科學實驗之前必須完成的壹步——籌集資金。
1878年秋天，門羅公園的實驗者們開始設計白熾燈的整個系統，包括開關、電表和配電系統。因為愛迪生對華萊士的發電機不滿意，實驗人員不得不開始設計新的發電機。直到1879年3月，愛迪生的團隊設計出了壹種可以演示並放置在真空中的鉑絲燈。
6月1879 65438+10月21，實驗室開始對炭紗進行檢測，炭化棉紗的檢測效果最好。65438+2月21日，《紐約先驅報》第壹版發表長文《偉大發明家在電氣照明方面的輝煌成就》。65438+2月的最後壹周，數百名遊客來到門羅公園實驗室，參觀愛迪生在實驗室的首次電燈展，愛迪生的電燈壹時名聲大噪。
愛迪生的專利由愛迪生電燈公司控制，其董事會不願意投資生產經營。他們更傾向於出售新技術的許可權。為了控制成本，繼續改進電燈照明技術和生產方法，愛迪生只能在自己的車間裏制造系統。
1880年，愛迪生買下了門洛帕克附近的壹個廢棄工廠生產白熾燈，工人生產真空泵，實驗人員繼續改進燈泡。經過幾個月的調查，最終確定日本竹絲為燈絲。同年，愛迪生成立了愛迪生電燈公司來管理工廠和紐約愛迪生照明公司。1881年2月，首個陸基照明系統在紐約壹家打印機公司落地。3月4日，愛迪生成立了電氣管道公司；同月，與巴特勒成立愛迪生機械廠，生產照明系統中的發電機等大型設備；4月，伯格曼公司成立，生產燈具，創造獨立照明，管理獨立發電廠的業務。8月，愛迪生買下了珍珠街255號到257號的幾個倉庫，開始建造美國第壹座發電廠。DC供電系統原傳輸範圍約為1.6 km，但根據實際情況，以珍珠街電廠為中心，傳輸範圍縮小至1 km。倉庫改造後，壹樓安裝了四臺大型燃煤鍋爐，提供加壓蒸汽驅動發電機。發電機安裝在二層，重21噸，可發電100kW，足以為1，200盞燈提供電力。愛迪生把它命名為“巨無霸”。165438+10月，愛迪生成立了獨立的照明公司。
1882年，摩根決定在愛迪生位於麥迪遜大道的高檔豪宅展示他的照明系統。6月7日晚，摩根的豪宅燈火通明。在摩根此舉的推動下，1882年秋，直流電通過地下電纜輸送到59個客戶的預簽約大樓，紐約成為第壹個被白熾燈點亮的城市。為了保證所有用戶都能安全穩定地使用電燈，防止燈絲因為電壓高而燒壞，亮度因為電壓低而不穩定，愛迪生選擇了110kV的DC電壓作為傳輸電壓。
到1883年春天，愛迪生* * *已經售出330套獨立系統，為64000多盞燈提供電力。
隨著DC系統的建設如火如荼，其傳輸距離短的缺點也越來越突出。電能只能有效地輸送到距離中心電廠不到2公裏的區域，超過這個範圍電壓會大大降低。愛迪生的DC系統必須建立幾十個發電廠來服務整個紐約市，這對於紐約這樣高地價的城市來說是不現實的。
如果妳想提高輸電電壓，妳只能通過串聯DC發電機來實現。如前所述，DC發生器體積龐大，需要考慮燈絲燒毀的問題，傳輸距離受到嚴重限制，DC助推不易實現。為了降低線損，需要使用較粗的銅線。銅是電力工業不可缺少的原材料，但銅價在187年突然從每磅10美分漲到每磅16美分，對DC供電系統產生了相當大的影響。
上次愛迪生的DC供電系統遇到了供電距離的問題。雖然愛迪生和他的公司也想辦法解決，但是這個問題解決不了，至少解決不好。解決供電距離問題的最好辦法是采用交流輸電，這是DC最強的競爭對手。
1882年，法國科學家高拉德和英國人吉布斯壹起申請了交流配電系統專利。變壓器交流電源可以方便地用來升壓，高壓電源可以傳輸到更遠的距離，然後為用戶降壓。通信的出現有效地解決了供電距離的問題。說到通信，就不得不提兩個人:西屋和特斯拉。
尼古拉·特斯拉於1884年6月初乘坐裏士滿城號船抵達紐約。當特斯拉踏上曼哈頓的土地時，自由女神像還在建設中，愛迪生的第壹家使用電力的工廠在珍珠街只有兩年歷史。
到美國的第二天，28歲的特斯拉去拜訪37歲的愛迪生。這時，愛迪生的總部位於紐約第五大道65號。他不屑特斯拉對數學的依賴，炫耀自己不在乎科學理論。盡管他們的第壹次會面並不完美，愛迪生還是在那天下午雇傭了特斯拉來修理俄勒岡號船上的照明系統。
在開始工作後的6個月內，特斯拉設計了20多種機器來取代愛迪生公司效率低下的舊機器，節省了大量資金。但無論特斯拉如何推薦通信技術，愛迪生都不感興趣。他們最終的分手源於壹個沒有兌現的承諾。特斯拉認為他可以大大提高愛迪生發電機的效率。愛迪生承諾，如果有人能成功提高發電機的效率，他將獲得5萬美元的獎勵。半年後(大約1884 65438+2月初)，特斯拉真的把瑪麗安發電機的功率提高了兩倍，但愛迪生拒絕支付5萬美元，說他不懂美國人的幽默。盡管愛迪生仍然提出加薪55%，但這並沒有阻止特斯拉的離職。
在離開愛迪生公司後，新澤西州勞威鎮的議員本傑明·維爾(Benjamin Vail)向特斯拉伸出了橄欖枝，他們共同成立了特斯拉電光制造公司，旨在為勞威鎮建立壹個完善的電弧照明系統。特斯拉花了壹年時間改進發電機和電燈(弧光燈)，並把專利給了公司，以換取股份。1886年，薇拉鎮擁有“完善的自動和自調節電弧照明系統”，但韋爾只想運營和維護現有的電力系統，將特斯拉擠出了公司。
失業後，特斯拉壹度以挖電纜溝為生。在最困難的時刻，他完成了熱磁電機的專利申請，得到了挖溝人的賞識，並把他介紹給了紐約西聯電報公司的總經理阿爾弗雷德·布朗(Alfred Brown)，隨後特斯拉被介紹給了聯合電報公司的專利律師兼職員查爾斯·佩克(Charles Peck)。
1887年4月，特斯拉、布朗和佩克共同成立了特斯拉電力公司，規定發明者可以拿到公司三分之壹的利潤，特斯拉暫時不用擔心錢和生活，終於有了自己的實驗室。隨後他又研制出可以減少電機產生火花的換向器和可以提高DC發電機效率的短路換向器，但在熱磁發電機的專利申請中受挫。這壹次，他的夥伴沒有嫌棄他，而是鼓勵他先去做其他方向的研究，等待機會。在這樣友好和諧的氛圍中，特斯拉壹年四季都在積極創造他的發明，準備申請專利。此時，特斯拉希望通過交流發電機的發明和推廣，統壹電力行業的標準。
1888年5月，涵蓋交流電機等多項技術發明的7項專利獲批。1888春夏期間，特斯拉研發了20多種不同型號的多相電機，適用於不同場景，如重載啟動、異速運行、恒速運行等。這些電機後來被應用到重型機械、冰箱、風扇等領域。
壹些人對DC系統感興趣，另壹些人則押註於空調系統。喬治·威斯汀豪斯購買了許多專利，包括感應電機和變壓器。在了解到特斯拉關於交流電機的諸多發明後，他派出了自己的法律顧問和技術專家進行調查。兩位專家都認為特斯拉汽車是他們見過的最好的，因此佩克提出的20萬美元專利購買費和每馬力2.5美元專利稅的要求也被西屋公司接受。
1888年7月中旬，特斯拉向西屋公司出售了20多項專利，獲得了150股股份和每馬力2.5美元的專利費，並被邀請到匹茲堡進行進壹步的發明研究。1888年7月下旬，特斯拉應邀前往匹茲堡。
西屋也是壹個偉大的發明家。他擁有400多項專利，其中大部分都與鐵路制動有關。合作之初，他期望特斯拉的電機與公司的單相電路集成，電流為133 Hz(當時沒有Hz的概念)。故障發生後，西屋員工改變了中央電站的頻率，以適應特斯拉電機的頻率。這個頻率需要足夠高，不僅要讓燈停止閃爍，還要驅動電機有效運轉，最後定為60 Hz。不到十年，60 Hz已經成為電力生產的標準。1889特斯拉產生了15項專利，是他申請專利最多的壹年。西屋* * *生產了近1000臺特斯拉電機。
1889年的盛夏，特斯拉結束歐洲之旅回到紐約，發明了特斯拉線圈，壹種類似星球大戰中光劍的“發光管”，這也是他在以後的演講活動中壹定會展示的成果。交流電機和高頻線圈的發明使他壹舉成名。
與特斯拉簽約後，西屋發展太快，大舉借債擴張產業。當經濟崩潰時，債權人要求撤回資金，於是公司想收回特斯拉的高額專利費。西屋與特斯拉重新談判，特斯拉撕毀合同，放棄專利費。
DC輸電系統和交流輸電系統從發明之初就存在競爭關系，直到1880後期，勝負仍不明朗。愛迪生和他背後的金融家掌握了大部分項目和資金，而特斯拉和西屋擁有他們認為更高效、更強大的電力系統。但這兩種電力模式都必須與天然氣公司競爭。這場鬥爭的風險和潛在利潤壹樣大。
西屋邀請愛迪生參觀1888匹茲堡的實驗室，愛迪生斷然拒絕了西屋的邀請。從65438年到0890年，愛迪生發起了大規模的反對交流電的公關活動，包括發表了壹篇84頁的辱罵文章，猛烈抨擊西屋電氣。西屋公司回復了他的壹份電力手冊，指責愛迪生的安全記錄不佳，表明愛迪生的DC中央電站經常發生火災。
至此，戰爭已經發展到壹個更加令人毛骨悚然的地方。愛迪生和他的商業夥伴哈羅德·布朗在壹次公開展覽中聯手電死了壹只狗。此後，布朗繼續在50多種不同的動物身上進行這項實驗，包括狗、貓、小牛和馬，以宣傳交流電符合作為電擊媒介的所有條件。在壹系列殘酷示威的配合下，愛迪生向紐約立法機關建議使用交流電執行電刑，他甚至自己勾勒出了具體的電刑步驟。最後，他的說客說服了紐約州政府在紐約的兩所州立監獄裏設立電刑椅。目睹第壹次電刑的目擊者被死刑犯身體著火的場景嚇壞了。《紐約時報》報道:“惡臭令人無法忍受。”這次處決使公眾輿論反對愛迪生的想法和做法，愛迪生的言論使他處於尷尬的境地。
特斯拉通過寫壹篇介紹他的發明的文章加入了這場辯論。1891年2月，特斯拉在《動力工程師》中詳細講述了交流電安全遠距離傳輸的全過程，隨後愛迪生和他在壹系列行業雜誌的讀者來信中展開了激烈的爭論，從冬天壹直持續到第二年春天。
為了讓公眾更多地了解交流電，同年5月，特斯拉在紐約哥倫比亞大學向美國電氣工程學會發表演講。特斯拉的演講和現場演示讓與會的實驗者、記者和金融家們著迷。為了揭穿愛迪生關於交流電危險性的說法，特斯拉讓幾千伏的交流電通過他的身體，使微小的火花從指尖釋放出來，而發明家本人卻安然無恙。
於是這位靦腆的發明家越來越出名，他不得不面對那些合法競爭者的進攻。1892年，特斯拉決定前往歐洲捍衛自己的專利權，並向歐洲制造商推廣自己的發明。1893年2月，西屋公司銷售的交流系統提供的照明設備總量是愛迪生公司的13倍。
在特斯拉做各種講座的時候，愛迪生的公司被整合成了“愛迪生通用電氣公司”，壹直和特斯拉爭奪交流電機專利的湯姆森-休斯頓公司也被通用電氣以1892收購。愛迪生在新公司的董事會中保留了壹席之地，但他的名字不再出現在新公司“通用電氣公司”的名稱中，這讓他深受其害。
在這個階段，特斯拉在AC和DC的戰鬥中似乎更擅長公關，但沒有愛迪生，通用電氣賺了很多錢。雙方最後的決戰將在1893芝加哥世博會上演，紀念哥倫布登陸美洲大陸400周年。
由於通用電氣公司報價高得離譜，為芝加哥世博會提供和運行的所有電燈和電機都被西屋公司以通用電氣公司報價的壹半價格拿下，而且沒有使用愛迪生的白熾燈專利，而是使用了特斯拉和西屋工程師開發的兩級電燈。
電燈並不是西屋頂面臨的唯壹挑戰。芝加哥需要的東西是巨大的。西屋電氣-特斯拉團隊升級了電機和變壓器，並擴大了十多臺發電機的功率。升級後，壹名工程師可以在這個和那個世博園區操作40個不同的電路。
遊客和科學家在離開世博園時都深信，能源的未來屬於電，電的未來屬於交流電。世博會後，美國訂購的電器80%屬於特斯拉的設計，交流電逐漸鎖定了電力戰的勝利。
憑借這壹勝利，西屋電氣和特斯拉轉而尋求在尼亞加拉瀑布建設水電設施的巨大商機。1893年6月，西屋公司憑借壹個大膽的計劃贏得了尼亞加拉瀑布的關鍵合同。
1896 165438+10月16，西屋推了尼亞加拉水電站的開關，結束了電力大戰！
參考資料:
[1]?亨利·施？der。電燈的歷史。華盛頓特區:史密森學會，1923。
【2】知乎。愛迪生發明了電嗎？鏈接:/question/36060925/answer/343479253
[3]科學史。https://www . science history . org/historical-profile/Humphry-Davy
[4]著名投資家。https://www.famousinventors.org/joseph-swan
[5]w·伯納德·卡爾森，？特斯拉——電動時代的先鋒[M]。人民郵電出版社，2016
[6]理查德·芒森，特斯拉傳——現代發明家[M]，中信出版社，2019。
[7]拉皮羅夫·斯考伯，愛迪生傳記[M]，？商務印書館，2013
[8]萊昂納多·迪格拉夫，愛迪生:創新的源泉和商業成功的秘訣[M]，？湖南科學技術出版社，2019