moji5
19th November 2009, 12:13 PM
مقدمه
در جریان ــ جنگ جریان ها ــ که در اواخر دهه 1880م رخ داد، نیکلا تسلا و توماس ادیسون، به دلیل تبلیغات ادیسون از جریان مستقیم (dc) برای توزیع توان الکتریکی در برابر سیستم جریان متناوب (ac) برتری که توسط نیکلا تسلا ارائه شده بود، تبدیل به رقبای یکدیگر شدند.
در حین اولین سال های توزیع الکتریسیته، جریان مستقیم ادیسون استاندارد ایالات متحده بود و ادیسون در معرض از دست دادن تمام حقوق امتیاز اختراعش نبود. پس با کارهایی که تسلا بر روی میدان های دوار مغناطیسی انجام داد، توانست سیستمی را برای انتقال توان در طول فواصل بلند ابداع کند. او با جرج وستینگهاوس همکاری کرد تا این سیستم را به صورت تجاری در بیاورد. وستینگهاوس پیش از این حق امتیاز سیستم چند فازه تسلا و نیز حق ثبت دیگری مربوط به ترانسفورماتور ac را خریداری کرده بود.
انتقال توان الکتریکی
سیستم جریان مستقیم انتقال توان الکتریکی دارای محدودیت های بسیاری بود که توسط سیستم جریان متناوب تسلا شناخته و رفع شده بودند. بارهای زیاد جریان مستقیم سیم های مسی را ذوب می کردند و به ندرت می توانستند توان را در فاصله ای بلندتر از یک مایل ارسال کنند. پاسخ ادیسون به این ایراد این بود که توان را در نزدیکی محلی که بناست مصرف شود تولید کنیم و سیم های بیشتری را برای پاسخ دادن به نیاز فزاینده الکتریسیته بکار ببریم اما اثبات شد که این راه حل غیر عملی است.
بهر حال مهمترین ایرادی که به سیستم جریان مستقیم ادیسون وارد می شد این بود که این سیستم عملاً ولتاژ ثابتی را فراهم می کرد و نمی شد توسط یک ترانسفورماتور ساده سطح ولتاژ آن را تغییر داد. این بدان مفهوم بود که خطوط الکتریکی جداگانه ای می بایست نصب می شد تا دستگاه هایی که ولتاژ های متفاوتی مصرف می کردند را بتوان بکار برد، که این موجب افزایش بیشتر تعداد سیم ها می شد که بایستی کار گذاشته و نگه داری می شدند که علی رغم اتلاف هزینه، خطرات جانی را نیز در بر داشت. مواردی از مرگ نیز به خاطر افتادن خطوط توان dc گزارش شده بود که منجر به بی نظمی شهرهایی که از توان dc استفاده می کردند نیز شده بود.
زمانی که تسلا جریان متناوب را پس از دریافت هفت حق ثبت اختراع برای ژنراتورها، ترانسفورماتورها، موتورها، سیم ها و روشنایی های جریان متناوب در تاریخ نوامبر و دسامبر 1887م، معرفی کرد، برای همه روشن شد که جریان متناوب آینده توزیع توان الکتریکی را در دست خواهد گرفت. دیگر فواصل بلند مشکلی ایجاد نمی کردند و ولتاژ بالای ac می توانست همان مقدار از توان را که بطور طبیعی منجر به ذوب شدن سیم های جریان مستقیم می شد، بدون هیچ مشکلی حمل کند.
از همه مهمتر اینکه جریان و ولتاژ سیستم متناوب را می توان به راحتی توسط یک ترانسفورماتور تغییر داد. بر خلاف سیستم dc در این سیستم لامپی که نیاز به پنج ولت برای روشن شدن داشت می توانست از همان منبعی استفاده کند که یک ماشین با بیست ولت استفاده می کرد. ولتاژ جریان متناوب بدون ذوب شدن سیم ها، به مقصد ارسال می شد و سپس سطح ولتاژش پایین آوره می شد تا در خانه ها و کارخانه ها به مصرف برسد.
تصویر
ac در مقابل dc
مزیت های جریان متناوب برای توزیع توان در طول فواصل، به واسطه این حقیقت است که توان توسط رابطه ولتاژ ضرب در جریان (p=vi) محاسبه می شود.
برای یک توان معین، ولتاژ پایین نیاز به جریان بالاتر و یک ولتاژ بالا نیاز به جریان پایین تری دارد. اما به دلیل اینکه سیم های هدایت کننده دارای یک مقاومت معین هستند، بخشی از توان را در خود به صورت گرما تلف می کنند. این توان تلف شده از این رابطه بدست می آید: P = i2r و یا p = v2/r (که در آن v افت ولتاژ در طول سیم است و نه ولتاژ کل). در این صورت انتقال ولتاژ پایین و جریان بالا توان بسیار بیشتری را نسبت به ولتاژ بالا و جریان پایین هدر می دهد، هر چند که توان کلی انتقالی در هر دو حالت یکسان است. این رابطه چه در مورد سیستم متناوب و چه در مورد سیستم مستقیم صادق است. اما تبدیل توان dc به یک حالت ولتاژ بالا و جریان پایین بسیار مشکل است در حالی که در مورد توان ac این انتقال به راحتی صورت می گیرد. این نکته، کلید موفقیت سیستم ac است.
شبکه های توزیع جدید از ولتاژ های ac در سطوح 330،000 تا 500،000 ولت اما با جریان هایی تنها 90 آمپر و در این حدود استفاده می کنند.
آبشار نیاگارا
متخصصین برای استفاده از آبشار نیاگارا به منظور تولید الکتریسیته پیشنهادهایی را اعلام کردند. در برابر پیشنهاد جنرال الکتریک و ادیسون، سیستم ac تسلا، قرارداد کمیسون بین المللی آبشار نیاگارا را برد. این کمیسیون توسط لورد کلوین هدایت و توسط بازرگانانی نظیر جی . پی. موگان، لورد روتسچایدل و جان جاکوب آستور چهارم پشتیبانی می شد. کار بر روی پروژه نیروگاه آبشار نیاگارا در تاریخ 1983 آغاز شد و فن آوری تسلا برای تولید انرژی الکترومغناطیسی توسط آبشار، در آن بکار برده شد.
تبلیغات ادیسون
ادیسون در این هنگام شروع کرد به دلسرد کردن مردم نسبت به استفاده از جریان متناوب. خود او شخصاً، برای اینکه به مطبوعات نشان دهد که سیستم جریان مستقیم او مطمئن تر از سیستم متناوب است، تعداد زیادی از حیوانات، مانند سگ ها و گربه های ولگرد، را توسط جریان متناوب کشت.
ادیسون مخالف اعدام بود اما خواست او برای ضربه زدن به سیستم جریان متناوب در نهایت منجر به اختراع یکی از معروف ترین دستگاه های اعدام شد.
ادیسون (یا آن گونه که گزارش شده برخی از کارمندان او) از ac برای ساختن اولین صندلی الکتریکی برای ایالت نیویورک استفاده کرد تا نشان دهد که جریان متناوب کشنده است. تصور عمومی این است که ادیسون صندلی الکتریکی را تنها به عنوان وسیله ای برای تحت تاثیر قرار دادن عموم مردم نسبت به اینکه ac خطرناک تر از dc است اختراع کرد و به همین دلیل انتخاب آن برای اعدام الکتریکی منطقی است. در واقع این صندلی در ابتدا توسط تعدادی از کارمندان ادیسون، بویژه هارولد پی براون که در منلو پارک کار می کرد ساخته شده است.
از آبشار تا بوفالو
برخی شک داشتند که سیستم تسلا در آبشار نیاگارا بتواند الکتریسیته کافی را برای تامین توان مورد نیاز در کارخانه ها و صنایع بوفالو ایجاد کند. تسلا مطمئن بود که این سیستم کار می کند، و می گفت که آبشار نیاگارا می تواند توان مورد نیاز تمامی شرق ایالات متحده را تامین کند. در 16 نوامبر 1896م نخسیتن توان الکتریکی از آبشار نیاگارا و توسط اولین نیروگاه دو فاز (که به عنوان ژنراتور برق آبی شناخته می شود) واقع در نیروگاه ادوارد دین آدامز، به کارخانجات و صنایع در بوفالو ارسال شد. ژنراتورهای هیدروالکتریکی توسط شرکت الکتریکی وستینگهاوس و بر اساس طرح های اختراع تسلا، ساخته شده بودند. پلاک های روی ژنراتورها نام تسلا را بر خود حمل می کنند. او همچنین استاندار 60 هرتز را برای آمریکای شمالی ارائه کرد. قریب به پنج سال طول کشید تا تمامی طرح کامل شود.
نتیجه
اختراعات ادیسون که از جریان dc استفاده می کردند در نهایت به دستگاه های ac که توسط دیگرانی چون تسلا و نیز دیگر کمک کنندگان او مانند چارلز پروتیوس استینمتز (از جنرال الکتریک) ارائه شده بودند، باخت. با پشتیبانی مالی جرج وستینگهاوس، سیستم ac تسلا جایگزین سیستم dc شد و به طور وسیعی محدوده توزیع توان و نیز کارایی و امنیت توزیع توان را گسترش داد.
سیستم آبشار نیاگارا پایان خط ادیسون برای انتقال توان الکتریکی بود. در نهایت شرکت جنرال الکتریک ادیسون تبدیل به سیستم ac شد
در جریان ــ جنگ جریان ها ــ که در اواخر دهه 1880م رخ داد، نیکلا تسلا و توماس ادیسون، به دلیل تبلیغات ادیسون از جریان مستقیم (dc) برای توزیع توان الکتریکی در برابر سیستم جریان متناوب (ac) برتری که توسط نیکلا تسلا ارائه شده بود، تبدیل به رقبای یکدیگر شدند.
در حین اولین سال های توزیع الکتریسیته، جریان مستقیم ادیسون استاندارد ایالات متحده بود و ادیسون در معرض از دست دادن تمام حقوق امتیاز اختراعش نبود. پس با کارهایی که تسلا بر روی میدان های دوار مغناطیسی انجام داد، توانست سیستمی را برای انتقال توان در طول فواصل بلند ابداع کند. او با جرج وستینگهاوس همکاری کرد تا این سیستم را به صورت تجاری در بیاورد. وستینگهاوس پیش از این حق امتیاز سیستم چند فازه تسلا و نیز حق ثبت دیگری مربوط به ترانسفورماتور ac را خریداری کرده بود.
انتقال توان الکتریکی
سیستم جریان مستقیم انتقال توان الکتریکی دارای محدودیت های بسیاری بود که توسط سیستم جریان متناوب تسلا شناخته و رفع شده بودند. بارهای زیاد جریان مستقیم سیم های مسی را ذوب می کردند و به ندرت می توانستند توان را در فاصله ای بلندتر از یک مایل ارسال کنند. پاسخ ادیسون به این ایراد این بود که توان را در نزدیکی محلی که بناست مصرف شود تولید کنیم و سیم های بیشتری را برای پاسخ دادن به نیاز فزاینده الکتریسیته بکار ببریم اما اثبات شد که این راه حل غیر عملی است.
بهر حال مهمترین ایرادی که به سیستم جریان مستقیم ادیسون وارد می شد این بود که این سیستم عملاً ولتاژ ثابتی را فراهم می کرد و نمی شد توسط یک ترانسفورماتور ساده سطح ولتاژ آن را تغییر داد. این بدان مفهوم بود که خطوط الکتریکی جداگانه ای می بایست نصب می شد تا دستگاه هایی که ولتاژ های متفاوتی مصرف می کردند را بتوان بکار برد، که این موجب افزایش بیشتر تعداد سیم ها می شد که بایستی کار گذاشته و نگه داری می شدند که علی رغم اتلاف هزینه، خطرات جانی را نیز در بر داشت. مواردی از مرگ نیز به خاطر افتادن خطوط توان dc گزارش شده بود که منجر به بی نظمی شهرهایی که از توان dc استفاده می کردند نیز شده بود.
زمانی که تسلا جریان متناوب را پس از دریافت هفت حق ثبت اختراع برای ژنراتورها، ترانسفورماتورها، موتورها، سیم ها و روشنایی های جریان متناوب در تاریخ نوامبر و دسامبر 1887م، معرفی کرد، برای همه روشن شد که جریان متناوب آینده توزیع توان الکتریکی را در دست خواهد گرفت. دیگر فواصل بلند مشکلی ایجاد نمی کردند و ولتاژ بالای ac می توانست همان مقدار از توان را که بطور طبیعی منجر به ذوب شدن سیم های جریان مستقیم می شد، بدون هیچ مشکلی حمل کند.
از همه مهمتر اینکه جریان و ولتاژ سیستم متناوب را می توان به راحتی توسط یک ترانسفورماتور تغییر داد. بر خلاف سیستم dc در این سیستم لامپی که نیاز به پنج ولت برای روشن شدن داشت می توانست از همان منبعی استفاده کند که یک ماشین با بیست ولت استفاده می کرد. ولتاژ جریان متناوب بدون ذوب شدن سیم ها، به مقصد ارسال می شد و سپس سطح ولتاژش پایین آوره می شد تا در خانه ها و کارخانه ها به مصرف برسد.
تصویر
ac در مقابل dc
مزیت های جریان متناوب برای توزیع توان در طول فواصل، به واسطه این حقیقت است که توان توسط رابطه ولتاژ ضرب در جریان (p=vi) محاسبه می شود.
برای یک توان معین، ولتاژ پایین نیاز به جریان بالاتر و یک ولتاژ بالا نیاز به جریان پایین تری دارد. اما به دلیل اینکه سیم های هدایت کننده دارای یک مقاومت معین هستند، بخشی از توان را در خود به صورت گرما تلف می کنند. این توان تلف شده از این رابطه بدست می آید: P = i2r و یا p = v2/r (که در آن v افت ولتاژ در طول سیم است و نه ولتاژ کل). در این صورت انتقال ولتاژ پایین و جریان بالا توان بسیار بیشتری را نسبت به ولتاژ بالا و جریان پایین هدر می دهد، هر چند که توان کلی انتقالی در هر دو حالت یکسان است. این رابطه چه در مورد سیستم متناوب و چه در مورد سیستم مستقیم صادق است. اما تبدیل توان dc به یک حالت ولتاژ بالا و جریان پایین بسیار مشکل است در حالی که در مورد توان ac این انتقال به راحتی صورت می گیرد. این نکته، کلید موفقیت سیستم ac است.
شبکه های توزیع جدید از ولتاژ های ac در سطوح 330،000 تا 500،000 ولت اما با جریان هایی تنها 90 آمپر و در این حدود استفاده می کنند.
آبشار نیاگارا
متخصصین برای استفاده از آبشار نیاگارا به منظور تولید الکتریسیته پیشنهادهایی را اعلام کردند. در برابر پیشنهاد جنرال الکتریک و ادیسون، سیستم ac تسلا، قرارداد کمیسون بین المللی آبشار نیاگارا را برد. این کمیسیون توسط لورد کلوین هدایت و توسط بازرگانانی نظیر جی . پی. موگان، لورد روتسچایدل و جان جاکوب آستور چهارم پشتیبانی می شد. کار بر روی پروژه نیروگاه آبشار نیاگارا در تاریخ 1983 آغاز شد و فن آوری تسلا برای تولید انرژی الکترومغناطیسی توسط آبشار، در آن بکار برده شد.
تبلیغات ادیسون
ادیسون در این هنگام شروع کرد به دلسرد کردن مردم نسبت به استفاده از جریان متناوب. خود او شخصاً، برای اینکه به مطبوعات نشان دهد که سیستم جریان مستقیم او مطمئن تر از سیستم متناوب است، تعداد زیادی از حیوانات، مانند سگ ها و گربه های ولگرد، را توسط جریان متناوب کشت.
ادیسون مخالف اعدام بود اما خواست او برای ضربه زدن به سیستم جریان متناوب در نهایت منجر به اختراع یکی از معروف ترین دستگاه های اعدام شد.
ادیسون (یا آن گونه که گزارش شده برخی از کارمندان او) از ac برای ساختن اولین صندلی الکتریکی برای ایالت نیویورک استفاده کرد تا نشان دهد که جریان متناوب کشنده است. تصور عمومی این است که ادیسون صندلی الکتریکی را تنها به عنوان وسیله ای برای تحت تاثیر قرار دادن عموم مردم نسبت به اینکه ac خطرناک تر از dc است اختراع کرد و به همین دلیل انتخاب آن برای اعدام الکتریکی منطقی است. در واقع این صندلی در ابتدا توسط تعدادی از کارمندان ادیسون، بویژه هارولد پی براون که در منلو پارک کار می کرد ساخته شده است.
از آبشار تا بوفالو
برخی شک داشتند که سیستم تسلا در آبشار نیاگارا بتواند الکتریسیته کافی را برای تامین توان مورد نیاز در کارخانه ها و صنایع بوفالو ایجاد کند. تسلا مطمئن بود که این سیستم کار می کند، و می گفت که آبشار نیاگارا می تواند توان مورد نیاز تمامی شرق ایالات متحده را تامین کند. در 16 نوامبر 1896م نخسیتن توان الکتریکی از آبشار نیاگارا و توسط اولین نیروگاه دو فاز (که به عنوان ژنراتور برق آبی شناخته می شود) واقع در نیروگاه ادوارد دین آدامز، به کارخانجات و صنایع در بوفالو ارسال شد. ژنراتورهای هیدروالکتریکی توسط شرکت الکتریکی وستینگهاوس و بر اساس طرح های اختراع تسلا، ساخته شده بودند. پلاک های روی ژنراتورها نام تسلا را بر خود حمل می کنند. او همچنین استاندار 60 هرتز را برای آمریکای شمالی ارائه کرد. قریب به پنج سال طول کشید تا تمامی طرح کامل شود.
نتیجه
اختراعات ادیسون که از جریان dc استفاده می کردند در نهایت به دستگاه های ac که توسط دیگرانی چون تسلا و نیز دیگر کمک کنندگان او مانند چارلز پروتیوس استینمتز (از جنرال الکتریک) ارائه شده بودند، باخت. با پشتیبانی مالی جرج وستینگهاوس، سیستم ac تسلا جایگزین سیستم dc شد و به طور وسیعی محدوده توزیع توان و نیز کارایی و امنیت توزیع توان را گسترش داد.
سیستم آبشار نیاگارا پایان خط ادیسون برای انتقال توان الکتریکی بود. در نهایت شرکت جنرال الکتریک ادیسون تبدیل به سیستم ac شد