人類最初用了近百年的直流電,為何後來卻被交流電技術取代?

直流電是人類最初使用的一種電流形式,直流電是指的電流大小和方向不會隨著時間發生變化的一類電源。

電源的發展

人類最初對於電的認知主要是雷電和靜電,但這些電在那個時候都不具備可利用性,人類真正用上電是在發明了電池之後,在1800年,義大利科學家伏打通過銀片、鋅片以及浸有溶液的紙片堆疊起來,於是產生了能夠穩定輸出電能的電池,這是人類的第一個直流電源,為人類後來使用電能奠定了堅實的基礎。

人類最初用了近百年的直流電,為何後來卻被交流電技術取代?

化學電源雖好,但它無法大規模的輸出電能,後來法拉第發現了電磁感應現象,發明出了發電機,在這之後,電才真正的走進了千家萬戶。

最初人類發明的發電機都是直流發電機,因此所提供的的電源都是直流電,很多電器工作所需要的電流也是直流電,這兩者之間很好的吻合上了,那麼既然直流電這麼好用,為什麼後來又大規模的發展交流電了呢?

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直流電與交流電之爭

愛迪生在發明了電燈以後,建立了愛迪生電燈公司(現通用電氣),該公司還負責運營直流供電。

但直流供電一直存在一個問題,就是直流電在傳輸過程中的損耗很大,一般情況下傳輸距離如果超過一公里,電壓就會降得很低,即使裝上電燈也只能發出昏暗的燈光,為了解決這個問題,愛迪生就開始大量地建設發電站,每個發電站負責供應附近的居民用電,以此來提高家庭線路中的電壓。

人類最初用了近百年的直流電,為何後來卻被交流電技術取代?

就在愛迪生的通用電氣公司發展得如火如荼時,特斯拉在交流電的研究中也有所突破,並申請了多項交流電專利,在特斯拉的一次關於交流電的演講中,著名企業家喬治•威斯汀豪斯看上了他的相關專利,並讓他加入自己的西屋公司,力推交流電,並進行商業化,於是威斯汀豪斯成為了愛迪生有力的競爭對手。

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左:愛迪生 中:特斯拉 右:威斯汀豪斯

家大業大的愛迪生自然不會任由他們擠佔自己的市場,為了穩定自己的直流電商業市場,愛迪生甚至在公眾下利用交流電電死了一隻大象,以此來證明交流電的危險性。

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被交流電電死的大象

就這樣,交流電的發展在愛迪生的打壓下一直受阻,讓交流電真正嶄露頭角的是在一次世博會中,當時的西屋公司與通用電氣公司為1893芝加哥世博會提供照明服務進行了激烈的競爭,最終西屋公司一咬牙,以最低的報價簽下了為世博會提供照明工程的合同。在世博會所有電燈亮起的那一刻,所有人都被龐大而明亮的燈光效果所震撼了,而這次照明工程,西屋公司所使用的正是自己的交流電系統。

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西屋公司為整個世博會場提供照明

這一次交流電不俗的表現,讓人們深刻地認識到了交流電的優勢,從此交流電的市場開始快速發展,直流電逐漸被取代掉,後來交流電也成為了城市供電的第一選擇。

為何交流電技術更有優勢

那麼,在電力傳輸過程中,為什麼交流電會有更小的損耗呢?

電力在電線中傳輸時,不可避免地會有損耗,這是由於電線必然存在著電阻,當有電阻中有電流通過時,則會發熱,這些損耗的電能便以熱量的形式消散。

Q(熱量)=I²Rt

那麼如何才能降低電線中的損耗呢?通過上面的公式我們可以知道,產生熱量的多少與電流以及電阻的大小有關,電阻是必然存在的,所以有效的辦法就是減少傳輸線中的電流,而交流電通過升壓技術,便能實現這種目的。

交流電最大的優勢就是能夠高效地改變電壓

我們知道,變化的電流會產生變化的磁場,而變化的磁場也會產生變化的電場交流電由於本身就是變化的電流,因此通電的交流線圈會不斷地產生變化的磁場,那麼如果線上圈產生的磁場範圍內放入另外一組線圈,那麼這變化的磁場就會在另一組線圈中產生變化的電場,於是便感應出了交流電。這就是變壓器的電磁感應過程。

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線圈電生磁的過程

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變壓器結構

而另一組線圈中感應出來的電壓則與兩個線圈的匝數比有關,兩邊匝數之比等於電壓之比

人類最初用了近百年的直流電,為何後來卻被交流電技術取代?

當發電廠發出來的交流電接入一個變壓器的輸入端,如果輸出端的匝數是交流電輸入端的幾十甚至上百倍時,那麼變壓器輸出的電壓就會比原來的輸入電壓增大幾十到上百倍,電壓變大了,但由於線路中的傳輸功率P=UI是不變的,因此,電流就必然要減小。根據上面提到的焦耳熱公式Q=I²Rt,如果電流減小,那麼高壓電傳輸過程中發熱量就減小了,因此就降低了電能損耗。

電壓越高,對應線路中的電流就會越小,那麼損耗也就會越小,這就是為什麼遠距離輸電都會使用超高壓技術。

超高壓直流輸電也將會成為未來的趨勢

想要解決超長距離輸電問題,關鍵就在於升高線路電壓,從而減少線路電流。交流電由於具有先天的變壓優勢,自然成為了高壓輸電的首選,但超高壓交流輸電同樣也存在著一定的弊端,例如超長的傳輸線與大地之間形成一個電容結構,交變電流在電容結構中會產生電磁振盪,從而造成電能損耗,另外在多個電力系統併網中,相位也必須保持一致,這為多網合併帶來一定的麻煩,這些都是交流電傳輸所帶來的弊端。

人類最初用了近百年的直流電,為何後來卻被交流電技術取代?

針對交流電傳輸存在的問題,目前我國也在開始逐漸使用超高壓直流輸電,在傳輸系統中通過交流與直流之間的轉換,使電能的損耗達到最小。

最後

交流電與直流電在電力系統中角色互換的過程也是人類對於電力技術認識不斷地加深過程,未來人類對於電力的需求將會越來越大,對電能的高效利用研究也將會是一個永恆的話題。

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