War of the Currents — Tesla vs. Edison
Η αντιπαράθεση μεταξύ του Νίκολα Τέσλα και του Τόμας Έντισον στα τέλη του 19ου αιώνα μπορεί να ονομαστεί πραγματικός πόλεμος και δεν είναι τυχαίο που ο ανταγωνισμός τους, στον οποίο η τεχνολογία μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας θα γίνει κυρίαρχη στον κόσμο, εξακολουθεί να ονομάζεται ο «Πόλεμος των Ρευμάτων».
Η τεχνολογία των γραμμών εναλλασσόμενου ρεύματος του Tesla ή των γραμμών του Edison είναι μια πραγματική διαμάχη εποχής, το σημείο που τέθηκε μόλις στα τέλη του 2007, με την οριστική ολοκλήρωση της μετάβασης της Νέας Υόρκης σε δίκτυα εναλλασσόμενου ρεύματος, υπέρ της Tesla.
Οι πρώτες ηλεκτρικές γεννήτριες που παράγουν συνεχές ρεύμα επέτρεψαν την εύκολη σύνδεση με τη γραμμή και συνεπώς με τους καταναλωτές, ενώ οι εναλλάκτες απαιτούσαν συγχρονισμό με το συνδεδεμένο σύστημα ισχύος.
Είναι σημαντικό ότι οι καταναλωτές που σχεδιάστηκαν για εναλλασσόμενο ρεύμα δεν υπήρχαν αρχικά και εφευρέθηκε μια αποτελεσματική τροποποίηση ενός κινητήρα επαγωγής που σχεδιάστηκε απευθείας για παροχή εναλλασσόμενου ρεύματος. Νίκολα Τέσλα μόλις το 1888, δηλαδή έξι χρόνια αφότου ο Έντισον ξεκίνησε τον πρώτο σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνεχούς ρεύματος στο Λονδίνο.
Αφού ο Έντισον κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το σύστημά του για την παραγωγή και τη διανομή ηλεκτρικής ενέργειας συνεχούς ρεύματος το 1880, το οποίο περιελάμβανε τρία καλώδια - μηδέν, συν 110 βολτ και μείον 110 βολτ, ο μεγάλος εφευρέτης του λαμπτήρα ήταν πλέον σίγουρος ότι «θα έκανε τον ηλεκτρικό φωτισμό τόσο φθηνό ότι μόνο οι πλούσιοι θα χρησιμοποιούν κεριά. »
Έτσι, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ο πρώτος σταθμός ηλεκτροπαραγωγής συνεχούς ρεύματος ξεκίνησε από τον Edison τον Ιανουάριο του 1882 στο Λονδίνο, λίγους μήνες αργότερα στο Μανχάταν και μέχρι το 1887 λειτουργούσαν πάνω από εκατό σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής Edison DC στις Ηνωμένες Πολιτείες. Ο Τέσλα εργαζόταν για τον Έντισον εκείνη την εποχή.
Παρά το φαινομενικά λαμπρό μέλλον των συστημάτων DC του Edison, είχαν ένα πολύ σημαντικό μειονέκτημα. Τα καλώδια χρησιμοποιήθηκαν για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε απόσταση, και καθώς αυξάνεται το μήκος του σύρματος, όπως γνωρίζετε, η αντίστασή του αυξάνεται και επομένως υπάρχουν αναπόφευκτες απώλειες θέρμανσης. Έτσι, το πρόβλημα απαιτούσε μια λύση—να μειωθεί η αντίσταση των καλωδίων, να γίνουν παχύτερα ή να αυξηθεί η τάση για να μειωθεί το ρεύμα.
Εκείνη την εποχή, δεν υπήρχαν αποτελεσματικές μέθοδοι αύξησης της τάσης συνεχούς ρεύματος και η τάση στις γραμμές δεν ξεπερνούσε ακόμη τα 200 βολτ, επομένως ήταν δυνατή η παροχή σημαντικής ισχύος μόνο για απόσταση όχι μεγαλύτερη από 1,5 km και εάν η ανάγκη μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας επιπλέον, υπάρχουν ακριβά καλώδια με μεγάλη διατομή.
Έτσι, το 1893, ο Νίκολα Τέσλα και ο επενδυτής του, ο επιχειρηματίας George Westinghouse, έλαβαν εντολή να φωτίσουν μια έκθεση στο Σικάγο με διακόσιες χιλιάδες λαμπτήρες. Ήταν μια νίκη.Τρία χρόνια αργότερα, το πρώτο υδροηλεκτρικό εργοστάσιο εναλλασσόμενου ρεύματος κατασκευάστηκε στους καταρράκτες του Νιαγάρα για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας στην κοντινή πόλη Μπάφαλο.
Με άλλα λόγια, μέχρι το 1928 οι ΗΠΑ είχαν ήδη σταματήσει να αναπτύσσουν συστήματα συνεχούς ρεύματος, πλήρως πεπεισμένες για τα πλεονεκτήματα του εναλλασσόμενου ρεύματος. Μετά από άλλα 70 χρόνια άρχισε η διάλυσή τους, το 1998 ο αριθμός των χρηστών συνεχούς ρεύματος στη Νέα Υόρκη δεν ξεπέρασε τους 4.600 και μέχρι το 2007 δεν είχε απομείνει κανένας, όταν ο αρχιμηχανικός της Consolidated Edison έκοψε συμβολικά το καλώδιο και τον «Πόλεμο των Ρεύματα» είχε τελειώσει.
Η αλλαγή σε εναλλασσόμενο ρεύμα χτύπησε δυνατά τον Έντισον στην τσέπη και, νιώθοντας ηττημένος, άρχισε να κάνει μήνυση για παραβίαση των δικαιωμάτων ευρεσιτεχνίας του, αλλά οι αποφάσεις των κριτών δεν ήταν υπέρ του. Ο Έντισον δεν σταμάτησε, άρχισε να οργανώνει δημόσιες διαδηλώσεις όπου σκότωνε ζώα με εναλλασσόμενο ρεύμα, προσπαθώντας να πείσει οποιονδήποτε και όλους για τους κινδύνους από τη χρήση εναλλασσόμενου ρεύματος και αντίστροφα - την ασφάλεια των δικτύων DC του.
Τελικά έφτασε στο σημείο ότι το 1887, ο συνεργάτης του Έντισον, μηχανικός Χάρολντ Μπράουν, πρότεινε την εκτέλεση εγκληματιών με θανατηφόρο εναλλασσόμενο ρεύμα. Ο Westinghouse και η Tesla δεν προμήθευσαν γεννήτριες για αυτό και προσέλαβαν ακόμη και δικηγόρο για τη σύζυγό του Kemmer, η οποία καταδικάστηκε σε θάνατο στην ηλεκτρική καρέκλα. Αλλά αυτό δεν έσωσε, και το 1890 ο Κέμλερ εκτελέστηκε με εναλλασσόμενο ρεύμα και ο Έντισον φρόντισε ώστε ο δωροδοκημένος δημοσιογράφος να ρίξει λάσπη στον Westinghouse για αυτό στην εφημερίδα του.
Παρά τις συνεχιζόμενες κακές σχέσεις δημοσίων σχέσεων του Έντισον, το σύστημα AC της Tesla προοριζόταν για επιτυχία.Η τάση AC μπορεί εύκολα και αποτελεσματικά να αυξηθεί χρησιμοποιώντας μετασχηματιστές και να μεταδοθεί μέσω καλωδίων σε αποστάσεις εκατοντάδων χιλιομέτρων χωρίς μεγάλες απώλειες. Οι γραμμές υψηλής τάσης δεν απαιτούν τη χρήση χονδρών αγωγών και η μείωση της τάσης στους υποσταθμούς μετασχηματιστών έχει καταστήσει δυνατή την παροχή χαμηλής τάσης στον καταναλωτή για την τροφοδοσία φορτίων AC.
Ξεκινά από το γεγονός ότι το 1885 ο Tesla αποσύρθηκε από τον Edison και μαζί με τον Westinghouse απέκτησε αρκετούς μετασχηματιστές Golar-Gibbs και έναν εναλλάκτη που κατασκευάστηκε από τη Siemens & Halske, στη συνέχεια με την υποστήριξη της Westinghouse ξεκίνησε τα δικά του πειράματα. Ως αποτέλεσμα, ένα χρόνο μετά την έναρξη των πειραμάτων, το πρώτο εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας 500 βολτ άρχισε να λειτουργεί στο Great Barrington της Μασαχουσέτης.
Τότε δεν υπήρχαν κινητήρες κατάλληλοι για αποδοτική τροφοδοσία εναλλασσόμενου ρεύματος και ήδη το 1882 ο Tesla εφηύρε έναν πολυφασικό ηλεκτροκινητήρα, ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το οποίο έλαβε το 1888, την ίδια χρονιά που εμφανίστηκε ο πρώτος μετρητής AC. Το τριφασικό σύστημα εισήχθη στη Φρανκφούρτη του Μάιν σε μια έκθεση το 1891 και το 1893 η Westinghouse κέρδισε έναν διαγωνισμό για την κατασκευή ενός σταθμού παραγωγής ενέργειας στους καταρράκτες του Νιαγάρα. Ο Τέσλα πίστευε ότι η ενέργεια αυτού του υδροηλεκτρικού σταθμού θα ήταν αρκετή για ολόκληρες τις Ηνωμένες Πολιτείες.
Για να συμφιλιώσει τον Tesla και τον Edison, η Niagara Power Company ανέθεσε στον Edison να κατασκευάσει μια γραμμή ηλεκτρικού ρεύματος από τον σταθμό Niagara Falls στην πόλη του Μπάφαλο. Ως αποτέλεσμα, η General Electric, που ανήκει στον Edison, αγόρασε την εταιρεία Thomson-Houston, η οποία κατασκεύαζε μηχανές AC, και άρχισε να τις κατασκευάζει η ίδια.
Έτσι ο Έντισον πήρε ξανά τα χρήματα, αλλά η δημοσιότητα κατά του AC δεν σταμάτησε - δημοσίευσε και διένειμε σε εφημερίδες φωτογραφίες της εκτέλεσης από τον AC του Topsy του ελέφαντα που ποδοπατούσε τρεις εργάτες του τσίρκου στο Luna Park της Νέας Υόρκης το 1903.
Άμεσο και εναλλασσόμενο ρεύμα — Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Ιστορικά, το συνεχές ρεύμα έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για την τροφοδοσία ηλεκτροκινητήρων με διέγερση σειράς στις μεταφορές. Τέτοιοι κινητήρες είναι καλοί στο ότι αναπτύσσουν υψηλή ροπή σε χαμηλό αριθμό στροφών ανά λεπτό και αυτός ο αριθμός στροφών μπορεί να ρυθμιστεί εύκολα μεταβάλλοντας απλώς την τάση DC που παρέχεται στην περιέλιξη του πεδίου του κινητήρα ή με έναν ρεοστάτη.
Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος μπορούν να αλλάξουν την κατεύθυνση περιστροφής τους σχεδόν ακαριαία όταν αλλάζει η πολικότητα της παροχής στο τύλιγμα πεδίου. Έτσι, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ευρέως σε μηχανές ντίζελ, ηλεκτρικές ατμομηχανές, τραμ, τρόλεϊ, σε διάφορους ανελκυστήρες και γερανούς.
Το συνεχές ρεύμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία λαμπτήρων πυρακτώσεως, διαφόρων βιομηχανικών συσκευών ηλεκτρόλυσης, ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, συγκόλλησης χωρίς προβλήματα. Χρησιμοποιείται επίσης με επιτυχία για την τροφοδοσία σύνθετου ιατρικού εξοπλισμού.
Φυσικά, το συνεχές ρεύμα είναι χρήσιμο στην ηλεκτρική μηχανική, καθώς τα αντίστοιχα κυκλώματα είναι εύκολο να υπολογιστούν και να ελεγχθούν απλά, δεν είναι καθόλου τυχαίο ότι μέχρι το 1887 στις ΗΠΑ υπήρχαν περισσότεροι από εκατό σταθμοί συνεχούς ρεύματος, οι εργασίες στις οποίες επικεφαλής ήταν η εταιρεία του Thomas Alva Edison. Σαφώς, το DC είναι βολικό όταν δεν χρειάζεται μετατροπή, π.χ. αύξηση ή μείωση της τάσης, αυτό είναι το κύριο μειονέκτημα του συνεχούς ρεύματος.
Παρά τις προσπάθειες του Edison να εισαγάγει συστήματα μετάδοσης συνεχούς ρεύματος, τέτοια συστήματα είχαν επίσης ένα σημαντικό μειονέκτημα - την ανάγκη χρήσης μεγάλης ποσότητας υλικών και σημαντικές απώλειες μετάδοσης.
Το γεγονός είναι ότι η τάση στις πρώτες γραμμές συνεχούς ρεύματος δεν υπερβαίνει τα 200 βολτ και η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να μεταδοθεί σε απόσταση όχι μεγαλύτερη από 1,5 km από το εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας, ενώ πολλή ενέργεια διαχέεται κατά τη μετάδοση (θυμηθείτε Ο νόμος Joule-Lenz).
Εάν ήταν ακόμα απαραίτητο να μεταδοθεί περισσότερη ισχύς σε μεγαλύτερη απόσταση, έπρεπε να χρησιμοποιηθούν χοντρά βαριά καλώδια και αυτό αποδείχθηκε πολύ ακριβό.
Το 1893, ο Νίκολα Τέσλα άρχισε να παρουσιάζει τα συστήματα AC του, τα οποία παρουσίαζαν υψηλή απόδοση λόγω της ίδιας της φύσης του AC. Το εναλλασσόμενο ρεύμα μπορεί εύκολα να μετατραπεί χρησιμοποιώντας μετασχηματιστές, αυξάνοντας την τάση και στη συνέχεια κατέστη δυνατή η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε πολλά χιλιόμετρα με ελάχιστες απώλειες.
Αυτό συμβαίνει γιατί όταν τροφοδοτείται η ίδια ισχύς μέσω των καλωδίων, το ρεύμα μπορεί να μειωθεί λόγω της αύξησης της τάσης, επομένως οι απώλειες μετάδοσης είναι μικρότερες και η απαιτούμενη διατομή του καλωδίου μειώνεται ανάλογα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα δίκτυα AC έχουν αρχίσει να εισάγονται σε όλο τον κόσμο.
Οι ασύγχρονοι κινητήρες σε μηχανές και μηχανές κοπής μετάλλων, οι επαγωγικοί κλίβανοι τροφοδοτούνται με εναλλασσόμενο ρεύμα. Μπορούν επίσης να τροφοδοτήσουν απλούς λαμπτήρες πυρακτώσεως και οποιοδήποτε άλλο ενεργό φορτίο. Οι ασύγχρονοι κινητήρες και οι μετασχηματιστές έφεραν επανάσταση στην ηλεκτρική μηχανική ακριβώς λόγω του εναλλασσόμενου ρεύματος.
Εάν χρειάζεται συνεχές ρεύμα για κάποιο σκοπό, για παράδειγμα για τη φόρτιση μπαταριών, τώρα μπορεί να ληφθεί πάντα από εναλλασσόμενο ρεύμα με τη βοήθεια ανορθωτών.