- 闪电的驯服者：电学的历史
- Physics and History of Why USA uses 120 volts and not 220 volts
01 交流电压
一、背景
为什么现在有大约三分之一的国家，包括美国在内使用110V或者120V的交流电压？ 另外三分之二的国家则使用220,230,240V的交流电压？ 关于这方面的原因，下面来听Kathy老师给出的答解答， 其中包括爱迪生最初如何设计的电气系统，爱迪生的三线制系统， 发明金属钨白炽灯的时间， 以及一个美国城市-芝加哥。
▲ 图1.1.1 芝加哥博览会
二、爱迪生的灯泡
故事从1878年9月8日讲起。 那一年爱迪生31岁。 他的一个朋友建议他看一下发明家威廉·华莱士的发明的直流发电机， 据说可以输出能够点亮八盏电弧灯的电力。 据当时的新闻报纸记载，爱迪生对此非常着迷。只是觉得当时的电弧的光芒太刺眼了。
▲ 图1.2.1 哈莱士与法尔莫直流发电机
当他返回自己的“
发明工厂”之后，声称自己可以只用一个发电机就能点亮一千盏灯， 这样只要使用15至20台他朋友所喜欢的威廉·华莱士的发电机，就可以将整个纽约城市的下半区城市都点亮。 他很快就知道华莱士的发电机效率不高，无法实际使用。 于是他将自己能够买到的发电机都买了一个， 将它们进行组合形成一个最好的发电机， 比所有购买到的发电机都好。 由于哈莱士发电机产生110V电压，爱迪生新的发电机也输出110V电压。 这台发电机被称为长腿玛丽·安妮，因为发电机有两个很长的电磁铁。
▲ 图1.1.2 直流发电机
即使这个发电机的效率很高，但也花费了爱迪生数年的时间才完成城市大规模电灯点亮。 实际上从爱迪生给新闻报纸吹牛说他 已经有了解决方案开始到大批量产生白炽灯以及建成了中心电站过去了整整四年。
三、爱迪生的供电系统
当爱迪生启动第一个发电站输出功率的时候， 发现更多的顾客使用流行供电电路， 因此在这条电路上出现了更多的电灯，相当于并联更多的电阻， 所以相比于不流行供电线来说，这些流行电线上的电灯就比较暗的。
他的解决方案就是使用两个直流发电机串联， 中间有一个中心线。 这样一个发电机输出的电流从正极流出，从负极流入。 另外一个发电机的电流流向也相同。如果两路电线供电是平衡的，那么中间电缆上就没有电流流过。 此时仍然可以利用中间电缆来产生110V的电压。
▲ 图1.1.3 两个发电机与三条供电线缆
如果两路供电不平衡，那么就会在中间电缆上测量出电流。 根据中心线电流的方向与大小，可以通过开关改变连接方式重新使得系统返回平衡状态。 这样所有的灯都会有相同的亮度了。 通过这种方式可以使用三条线来替代原本四条供电电缆。 因为中间的电缆只有很少，甚至没有电流流过，可以使用非常细的电线。 是用这种方式爱迪生可以对供电电缆系统减少大约60%的铜使用量。
另外，如果你希望使用更大功率的输出，比如电动机， 那么你可以将其直接连接在上下两个供电电缆上。 这样就可以获得220V的电压。这就是他们实行的输电方案。
▲ 图1.1.4 爱迪生的三线供电方式
四、灯泡电压
当时爱迪生能够用于制作白炽灯灯丝的金属是金属铂， 这种金属非常昂贵， 很难大批量用于电灯泡的生产。 后来爱迪生使用竹子或者碳化棉来制作灯丝，这种白炽灯在220V下会烧断。 爱迪生的竞争对手也使用相同的电灯，所以110V就变成了照明灯的电压标准，220V则是电机的电压标准。
在1904年发明家桑德尔·贾斯特与弗拉尼奥·哈奈曼使用金属钨制作白炽灯的灯丝。 这种灯不仅寿命长，而且可以忍受更高的电压。 很快很多欧洲的公司出钱让他们的顾客更换灯泡，使用这种新的金属灯丝作的灯泡。 这样他们就可以对所有的电器都是用相同的220V电压了。
▲ 图1.4.1 钨丝灯泡
这种方式还可以节省费用，因为将高压通过变压器降低到220V比起110V可以节省更多的金属。 同时在220V下变压器输出的电流也会减少，可以使用更细的电线在变压器之后传递更远的电能。 所以大部分欧洲的照明电压都是220V，同样由欧洲提供的发电设备的非洲以及 亚洲国家也使用220V作为照明电压。
由于当时在美国，白炽灯的使用量已经非常大了，所以无法跟上对旧灯泡替换的脚步。 比如在1909年，距离钨丝灯泡已经发明五年之后，在美国生产了1.4亿只白炽灯泡来满足市场巨大的需求。 其中已销售的5300万只碳丝灯泡，只能工作在110V电压下。 十年之后，钨丝灯泡制造商的产量提升了15倍，足以满足所有美国照明使用。 此时尽管有很多电力系统都是220V电压了。 但美国的电力系统被卡在了110V，包括那些依赖美国电气公司的国家也只能使用110V电压系统。
五、芝加哥城市
你也许感到很奇怪， 为什么美国有那么多的灯泡呢？这个还是与一个城市，芝加哥城市，有关系。 这个城市在十九世纪中晚期是世界上发展最快的城市。 在1840年芝加哥城市开始建设的时候还是一个非常小的城镇，人口仅有4500人。 到了1847 年，连通密西西比河与大湖区的运河在芝加哥汇集。 这样就使得城市繁荣起来，它成为交通枢纽。 两年之后，加州又发现了黄金，大量的淘金者从东海岸涌向西海岸淘金来发家致富。 很多人在芝加哥中途停留，这样使得当地的肉食加工企业繁荣起来。
▲ 图1.5.1 芝加哥城市
由于这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涨到30万人，发展趋势还在继续。 由于人口暴涨，大量的廉价房屋被快速构建起来，由于面积小，所以没有卫生间，也不太安全。 也许因为牛将照明油灯踢翻，或者煮饭炉火失去控制，引起了一场大火，整个城市焚烧殆尽。 这场火被称为1871年芝加哥大火。
▲ 图1.5.2 芝加哥大火之后的城市面容
六、摩天大楼
此时芝加哥的建筑师则有大量的空地可以重新修建房屋。 建筑物都修建的很高，地皮仍然很贵， 这是因为城市被湖泊、河流以及火车站包围这，以及不断涌入的人口造成的。 由于修建高层建筑，所以房屋墙壁就需要很厚。 铸铁往往在火种容易变形，所以在芝加哥不流行。 一个名叫威廉·詹妮的建筑师解决了这个问题。
▲ 图1.6.1 芝加哥城市布局
故事可能是这样的。这一天詹妮回到家里，他的老婆在看一本书。 看到老公回家了，老婆将书放在鸟笼的顶上。 看到此詹妮想出了一个好点子，可以使用金属框架来将建筑物支撑起来，就像这个鸟笼可以支撑起厚书本那样。 这样就可以减少墙壁的厚度，使得建筑物的承重减少。 这个方式不只是让建筑物稍微变大，而是可以建造非常高的建筑物。
▲ 图1.6.2 詹妮与他的老婆
在1884年詹妮设计了世界上第一座摩天大楼， 层高10层，用于房屋保险业务的建筑。 到了1893年，芝加哥就有了12座摩天大楼。都有16至20层高。 此时纽约才有4座摩天大楼，尽管纽约的人口非常多。
之所以提到1893年，是因为那一年，经过激烈的争论以及很多幕后贿赂， 芝加哥终于获得了举办哥伦比亚世界博览会的资格。 这次博览会迎来了全球各地2千7百万的访客，大多数是美国人。 你知道当时美国总人口才6千3百万人。 这场成功展会之后，很多企业家决定作为城市容貌的骄傲， 也为了更好的生产商品，在他们所在的城市建造摩天大楼。
▲ 图1.6.3 芝加哥哥伦比亚博览会
在1899年美国就有了62座摩天大楼，当时世界上其他地区加起来才有区区4座摩天大楼，分别位于日本、荷兰、澳大利亚与英国。 这些大楼都需要电来照明，大部分的发电机都位于大楼的地下室。 因为无法将煤气通道每一层来照明，因为太高了，再加上安全也得不到保证。
博览会影响非常大，由于使用了交流电照明，电力系统是由西屋电器公司提供的。 由于使用了大量的电灯，这也是第一个在晚上进行的博览会。很快所有的人都希望使用电灯，特别是那些商家。 这次博览会也被认为是交流电与直流电之争的终点，实际上争论在一年前就正式结束了。
▲ 图1.6.4 芝加哥博览会上的电灯灯光
公众对于交流与直流不关心，也对交流三相、两相电或者单相电不关系，只关心电灯照明。 因此这次博览会使得电灯出够了风头，掩盖交流胜出直流电的风头。
七、交流电压
多年之后，很多国家的电力公司悄悄提高了照明电压，来节省变压器的成本。可以看到很多国家照明电压标准从110V升高到120V，甚至127V。或者从220V提高到230V，或者240V。 只有日本比较奇怪，是唯一将室内照明电压降低到100V的国家，主要考虑到火灾原因。
到了1891年德国公司展示了一种三相电里传输系统，系统使用了三根线传输电流。 它们之间相位相差120度。电灯接在三根线与中线之间，或者与底线之间。 到了1920年所有电力系统都采用三相电系统，一直到现在。
▲ 图1.7.1 三相电供电系统
从那之后，每个用电家庭的电插销中有两条线，一个是火线， 一个是中线，有时候还会有一个底线，或者保护线。 有的时候家用电器需要更多的功率，比如洗衣机、烘干机，这样就会有两条火线引入，形成四线插头。 这样烘干机就有了两条火线供电，可以使用更多的电力。
▲ 图1.1.6 四线插头配置
有的地区两条火线之间的相差120度，它们之间的电压是单个火线与中线之间的电压1.72倍。 有的地区两个火线之间相位差为180度，这样火线之间的电压就是单个火线与中线之间电压的2倍了。 这些使得室内电压配置种类令人眼火燎，与所在国家甚至不同地区的有关系。
八、后记
除了这些之外，还有更大的问题，为什么有的国家使用50Hz交流电，而有的国家使用60Hz。 为何造成这么大的混乱呢？
这一切都与一个被低估的发明家有关系，他的名字叫米哈伊尔·多利弗·多布罗夫斯基。 关于他 的故事下次我们再说。
▲ 图1.8.1 米哈伊尔·多利弗·多布罗夫斯基
■ 相关文献链接:
- 闪电的驯服者：电学的历史
- Physics and History of Why USA uses 120 volts and not 220 volts
● 相关图表链接:
- 图1.1.1 芝加哥博览会
- 图1.2.1 哈莱士与法尔莫直流发电机
- 图1.1.2 直流发电机
- 图1.1.3 两个发电机与三条供电线缆
- 图1.1.4 爱迪生的三线供电方式
- 图1.4.1 钨丝灯泡
- 图1.4.2 照明系统电压标准分布
- 图1.5.1 芝加哥城市
- 图1.5.2 芝加哥大火之后的城市面容
- 图1.6.1 芝加哥城市布局
- 图1.6.2 詹妮与他的老婆
- 图1.6.3 芝加哥哥伦比亚博览会
- 图1.6.4 芝加哥博览会上的电灯灯光
- 图1.7.1 三相电供电系统
- 图1.1.6 四线插头配置
- 图1.8.1 米哈伊尔·多利弗·多布罗夫斯基
