2021年09月26日 11:45
【科學快訊】
來源：博物
如果你碰上停電，大概就是忘交電費了，交上費幾分鐘就可以來電。但阿根廷曾經發生持續數小時的全國大面積停電，並導致其多個鄰國也發生供電中斷。據當時的新聞報道，初步估計僅阿根廷就有近5000萬人受到影響。
當時阿根廷等地的停電持續將近6小時，電力互聯系統全面癱瘓，首都布宜諾斯艾利斯的交通信號燈也停止了運作，地鐵、城際鐵路、公交車等公共交通更是全部停運，連供水系統都無法正常運行。
你想象過電在我們生活中的重要性嗎？雖然每年都會有「關燈一小時」的活動來號召大家體驗一下，但也許只有在突然停電的那一刻大家才能意識到，原來生活中這麼多地方都需要電！
電是什麼時候有的？
電的使用是19世紀的事情，但電的發現很早。幾千年前的古埃及人就已經發現有些魚會放電，阿拉伯人後來認為電鰩跟閃電是有關系的。人們也發現了用皮毛摩擦琥珀能讓琥珀吸引羽毛，當時人們不知道靜電，以為這是琥珀有了某種磁性。
接下來和電有關的人和一些事基本上都出現在過我們的課本裏，大家不妨一起來複習一遍。
直到18世紀，後來成為美國國父之一的富蘭克林，認為電是物體中的無形流體，並提出了正電荷、負電荷和電流的概念。1752年，他在雷雨天用金屬絲掛著串鑰匙放風箏，用招雷劈的方式證明閃電跟地上的電是一種東西（請大家不要*10 模仿）。這段描述大家從小就學過，不再贅述了，總之他發明了避雷針（接閃杆），但依然不知道電能幹什麼。
避雷針根據現在的規定應該叫做接閃杆，它的作用是「引雷上身」，然後通過其引下線和接地裝置，將雷電流引入地下，從而起到保護建築物的作用。
1831年，英國科學家法拉第發現磁能轉化為電。由於磁石在自然界有的是，根據電和磁可以相互轉換的電磁感應原理，法拉第發明了發電機，並且發現發電機也可以通上電當電動機用。1866年，德國人西門子制造了第一台工業用發電機。
這裏，強行插入一張知識點配圖，請盡情回憶：
很多人可能曾有過疑問：沒有電之前人都怎麼過呢？不也照樣生活和生產嗎？電到底給人類帶來了什麼改變呢？
在工業時代初期，人類最先進的動力是靠燒水產生蒸汽推動蒸汽機運轉，任何地方需要動力，都需要配備笨重的鍋爐產生蒸汽，到處都煙熏火燎的。試想，你如果在蒸汽時代想要一台風扇吹涼風，那就需要先燒鍋爐推動蒸汽機，但估計還沒等風扇轉起來，你就先被烤得中暑了。
而有了電以後，一切都發生了巨變。在遊戲《紀元1800》中，玩家就可以體會到在接通電以後所有工廠的生產速度都大幅增加，這是在有電力之前靠增加人力也很難達到的。
電要怎麼才能傳到你家裏？
有了電，那怎麼將它應用到生產和生活呢？
發電機（將其他形式的能源轉換成電能的機械設備）和電動機（電動機是把電能轉換成機械能的一種設備）的使用，可以把蒸汽機的動力轉化成電，再把電送到遠處去驅動電動機。
大型電動機
電動機接上電就能轉，而且體積可以被制成很小。你可能想象不到，現在我們手機中的振動模式的那個振動就是一個小電動機產生的，這個電動機比一粒花生米還小。除了提供動力，電還可以用來照明、通訊，包括後來的電子計算機，都離不開電的運用，這些我們現代人就都熟悉了。
可見電力比蒸汽動力更方便的地方，就在於電是可以遠距離傳輸，發電站可以跟用電的地方分開，只要一根電線連起來就可以傳送使用了。
除了發電機和電動機，我們在路邊走不遠就能看到電線杆也是電力傳輸中的重要元素。那麼只要把電線杆一插就可以有電了嗎？可沒有這麼簡單。
在遊戲《紀元1800》中，玩家就會遇到電力覆蓋範圍規劃的問題。遊戲裏發電廠的選址除了和原油采集，鐵路運輸，罐裝存儲，道路寬度這些有關，更要考慮靠近那些需要電力的工廠，這樣才能通過電力來增加生產率。
遊戲中的發電廠
圖片來自：《紀元1800》
通電後，城市的各個地方都有電線杆。
圖片來自：《紀元1800》
而現實中的發電廠選址可要比遊戲裏的複雜多了。你居住的小區旁邊應該沒有發電站吧？現實的發電廠一般都會離人們的聚居區比較遠，一是因為傳統火力發電汙染嚴重，二來是發電所需的能源所在地往往遠離市區。也就是說，發電站離用電的居民區越遠越好，只要把電送過來就行。
發電站建得遠了，就需要遠程輸電。真正的遠程輸電技術要在19世紀末才真正推廣使用，不過在遊戲《紀元1800》中只要玩家城市建設搞得好，不用等到世紀末也可以早點通上電。
我們如果去郊區，就會發現很多高大的高壓電電塔，上面的電纜裏的電是高壓電。發電站把電發出來以後，先要升壓成高壓電，送到城市後需要通過變壓器降壓，才能用於家用電器上。這個就是遠程輸電技術在我們日常的體現。我沒有在遊戲裏看到變壓器，可以推測遊戲裏使用的也許是早期的直流電輸電技術。
電這麼重要，當然要打一架
在講為電「打架」的事之前，我們還是需要回顧一些知識點：
為什麼要升壓成高壓電才能遠程輸送呢？因為電在傳輸中會遇到阻礙消耗，在發電機發出的電功率一定時，電壓越高這種消耗就越小，電就不至於在傳輸中就被消耗殆盡。
然而，並不是所有的電都可以升壓降壓，直流電就不能直接變化電壓，但交流電卻可以。
直流電和交流電的區別在於電流的方向，我們常用的電池供的電就是直流電，它的電流方向只有一個；而我們家裏插座的電就是交流電，它的電流方向會有周期性的變化。
遊戲中發電廠
圖片來自：《紀元1800》
遊戲中的電線杆
圖片來自：《紀元1800》
最早使用的發電機都是直流發電機，直流發電機發出的直流電難以變換電壓，因此也就不能遠程輸電。
在《紀元1800》中表現的很可能就是這種直流發電站，它輸電不會用變壓器，最多只能供一個小城市用電，再遠就不行了。
愛迪生和他的直流發電站
這場電力商戰主角之一，勵志雞湯文學的常客美國人愛迪生就經營這種直流發電站，這也是遊戲中發電站的原型。當時愛迪生解決直流發電站供電範圍有限的辦法很直接——每隔一段距離建一個發電站。這樣的發電成本高價格貴，顯然比不上我們今天的遠程供電方式。
而商戰的另一位成員，就是發明我們現在使用的遠程輸電技術的塞爾維亞裔美國科學家尼古拉·特斯拉。現在馬斯克的電動汽車品牌特斯拉，就是為了紀念這位現代電力奠基人而命名的。
講到這裏是不是以為我接了特斯拉的廣告？我倒也希望呢。
特斯拉很早就意識到了交流電的優越性，但他自己沒錢實現這個想法。
在當時電力技術革命時代，最成功的用電賺到錢的人是愛迪生。他最有名的事情是發明了電燈，不過這只是一種以訛傳訛的說法，事實上愛迪生出生以前電燈就已經發明出來了，愛迪生只是改進了電燈並進行工業化生產推廣。
於是特斯拉離開歐洲老家，慕名到美國找愛迪生。初到美國的特斯拉就被偷了，身無分文。他向愛迪生提出想用交流電發電機取代直流電發電機，希望愛迪生能出資幫他實現這個夢想。
第一輪對決：
愛迪生對特斯拉的提議不以為然，況且他已經在直流電發電上投入了很多，不想放棄。於是愛迪生讓特斯拉先去幫他改進直流電發電機，並承諾事成之後會給特斯拉5萬美元，這在當時絕對是筆巨款（放現在我也不嫌少）。
事情進行到這一步看上去還沒有問題，但當特斯拉把直流電發電機改進成功後，我們的愛迪生卻翻臉不認賬，說之前的承諾只是個美國式幽默。
可憐的特斯拉因此負氣出走，一度淪落到出賣體力挖溝為生，挖著挖著卻又發現挖的溝也是給愛迪生的通用電氣公司埋電纜用的溝，這還怎麼挖？！
1888年，美國西屋電氣公司（這家公司今天依然是電氣行業巨頭）相中了特斯拉的交流電技術，以6萬美元買下了交流電的專利，並承諾今後每匹馬力的電給特斯拉2.5美元報酬。但後來特斯拉為了推廣交流電主動放棄了每匹電2.5美元的報酬，否則他絕對是世界首富。
第二輪對決：
特斯拉的成功讓愛迪生不太開心。為了醜化交流電的輸電技術，愛迪生用交流電公開處死動物，電死的動物從貓和狗到更大的馬和大象。後來愛迪生折騰的動靜更大了，甚至發明了用電刑處死犯人。1888年，愛迪生買通政府，在紐約奧本監獄首次電刑處決死囚，高壓電甚至將死囚身體點燃了。這當然很嚇人了，所以矛頭立刻指向了交流電。
但是這些伎倆沒有停止特斯拉的步伐。
第三輪對決：
1891年，特斯拉取得高頻交流電機專利。1892年，當特斯拉擔任美國電力工程師協會（最近經常出現在新聞中的IEEE的前身）副主席時，愛迪生通用電氣公司被資本家摩根收購，與另兩家公司合並成了今天依然是電業巨頭的通用電氣公司，愛迪生被逐漸排擠出了他創建的公司。
特斯拉經常向公眾展示他在高壓電火花中的安然無恙的實驗，以展示高壓電的神奇，這種產生電火花的裝置被稱為特斯拉線圈。這種驚險的實驗也讓特斯拉在公眾眼中像個科學怪人。
1893年，西屋以低於通用近一半的價格，競標到了芝加哥舉辦的哥倫比亞博覽會的照明工程。通用為了報複，拒絕出售燈泡給這次博覽會，特斯拉趕制了會場所需的所有16萬個燈泡，順利照亮展覽會。會場上特斯拉還表演了讓電流安全通過自己的身體的實驗，消除了愛迪生散布的關於交流電的負面謠言。
最終對決：
依靠特斯拉的技術，西屋電氣又奪下了尼亞加拉瀑布水利發電工程的訂單。1896年，尼亞加拉水電站把交流電送到了35公里外的紐約州水牛城，證明了交流電在遠距離輸電上的優勢。這也標志著在這場紛爭中，交流電徹底勝出。
特斯拉本人長得有點好看啊
塞爾維亞100元當地幣上就印著特斯拉和磁感應強度單位的定義式
從曆史在回到現實，如今特高壓輸電技術沿著特斯拉的腳步還在進一步前進，我國新疆阿拉山口的風力發電已經可以傳送到相距5000公里的地方了。
在遊戲裏實現電氣化後的玩家會玩的特別爽，現實中也是如此。在玩遊戲的過程中，編輯和作者也在關注最近的熱門新聞，決定在文章最後跑個題發散幾句，主要是想說明我們打遊戲不是不務正業：
美國、德國、法國等在電氣技術上最先實現突破和推廣應用的國家，都迅速崛起成為強國，甚至最終超過了老牌的工業國英國。
雖然我們已經距離19世紀幾百年了，但電力在今天依然是最重要的能源行業之一，是現代文明的基礎。文中提到的這些早期的電氣公司，今天都還是行業的巨頭，他們之間也依然存在極端殘酷的競爭。那句俗話說得好：曆史總是驚人的相似。
在文中提到的直流電和交流電紛爭中扮演了不光彩角色的美國通用電氣公司，在本世紀與法國電力交通巨頭的阿爾斯通集團競爭中又一次落了下風，讓阿爾斯通集團奪走了多個國家的業務。結果是美國司法部在幾年時間內通過扣押阿爾斯通的高管和開巨額罰單等手段，迫使阿爾斯通的電力部門被賤賣給了美國通用電氣公司。
特別鳴謝
育碧中國 & 《紀元1800》
撰文 | 蘇超
部分圖片 | 圖蟲創意、123rf
