وقتی کلید برق را می زنید و لامپی اتاق را غرق در نور می کند، احتمالاً چندان به نحوه کارکرد آن یا افرادی که این اتفاق را ممکن ساخته اند، فکر نمی کنید. اگر مجبور شوید نبوغ پشت اختراع این لامپ را نام ببرید، احتمالاً به «توماس آلوا ادیسون»، مخترع لامپ رشته ای اشاره خواهید کرد. اما در این میان، یک فرد رویاپرداز به نام «نیکولا تسلا» نیز حضور داشت که اگر تاثیرش بیشتر از ادیسون نباشد، قطعا کمتر از او نیست.
تسلا در سال ۱۸۸۴، در سن ۲۸ سالگی وارد ایالات متحده شد و تا سال ۱۸۸۷ مجموعه پتنت ها (حق اختراعاتی) را ثبت کرد که تمام تجهیزات لازم برای تولید الکتریسیته با استفاده از «جریان متناوب» (AC) را توصیف می کردند. برای درک اهمیت این اختراعات، باید بدانید که وضعیت تولید برق در پایان قرن نوزدهم چگونه بود. آن دوران، عرصه «جنگ جریان ها» بود؛ جنگی که در آن تسلا به عنوان یک ژنرال و ادیسون به عنوان ژنرال جبهه مقابل، فرماندهی می کردند.
وضعیت الکتریسیته در سال ۱۸۸۵
ادیسون لامپ رشته ای الکتریکی خود را در ژانویه ۱۸۸۰ به عموم معرفی کرد. اندکی پس از آن، سیستم برق رسانی تازه تاسیس او در منطقه یک شهر نیویورک نصب شد. وقتی ادیسون در یک نمایش عمومی در سال ۱۸۸۱ کلید برق را زد، چراغ های الکتریکی چشمک زدند و تقاضایی بی سابقه برای این فناوری کاملاً جدید به راه افتاد. اگرچه تاسیسات اولیه ادیسون نیازمند سیم کشی زیرزمینی بود، اما تقاضا به قدری بالا رفت که بخش هایی از شهر، برق خود را از طریق سیم های لخت آویزان از تیرک های چوبی دریافت می کردند. تا سال ۱۸۸۵، تلاش برای دوری از خطرات برق گرفتگی به بخشی از زندگی روزمره شهری تبدیل شده بود؛ تا جایی که تیم بیسبال بروکلین نام خود را «داجرز» (Dodgers – به معنای جاخالی دهندگان) گذاشت، زیرا ساکنان آن منطقه دائماً در حال جاخالی دادن از شوک های الکتریکیِ ریل های تراموا بودند!
سیستم ادیسون از «جریان مستقیم» (DC) استفاده می کرد. جریان مستقیم همیشه در یک جهت حرکت می کند و توسط ژنراتورهای DC تولید می شود. ادیسون یکی از حامیان سرسخت جریان DC بود، اما این سیستم محدودیت هایی داشت. بزرگترین نقطه ضعف این بود که انتقال اقتصادیِ جریان DC در فواصل طولانی بسیار دشوار بود. ادیسون می دانست که جریان متناوب (AC) این محدودیت را ندارد، اما فکر نمی کرد که AC راه حلی عملی برای سیستم های برق تجاری باشد.
در مقابل، «الیهو تامسون»، یکی از مدیران شرکت تامسون-هیوستون و از رقبای ادیسون، نظر متفاوتی داشت. در سال ۱۸۸۵، تامسون یک طرح اولیه از سیستم AC رسم کرد که برای انتقال برق به نقاط دوردست، بر خطوط انتقال با ولتاژ بالا متکی بود. طرح تامسون همچنین نیاز به فناوری خاصی را برای کاهش ولتاژ (Step-down) در نقطه مصرف نشان می داد. این فناوری که امروزه به عنوان «ترانسفورماتور» (Transformer) شناخته می شود، تا زمانی که شرکت الکتریکی وستینگهاوس در سال ۱۸۸۶ آن را توسعه نداد، برای استفاده تجاری کاملاً آماده نشده بود.
اختراع ترانسفورماتورها همان حلقه مفقوده ای بود که به جریان متناوب (AC) اجازه داد تا ولتاژ را برای انتقال در مسافت های طولانی بالا برده (تا افت انرژی به حداقل برسد) و مجدداً در زمان توزیع شهری، آن را برای ایمنی مصرف کنندگان کاهش دهد. این دقیقاً همان مزیتی بود که جریان مستقیم (DC) ادیسون از آن بی بهره بود.
حتی با توسعه ترانسفورماتور و چندین آزمایش موفقیت آمیزِ سیستم های قدرت AC، هنوز یک حلقه مهم مفقود بود. این حلقه، «موتور AC» بود. در ادامه بررسی خواهیم کرد که تسلا چگونه این ارتباط را برقرار کرد.
تصویری از یک تجهیز الکتریکی کلاسیک با جزئیات دقیق فلزی برای نمایش تکامل شبکه های برق رسانی.
جرقه نبوغ تسلا
در حالی که ادیسون در تلاش برای تجاری سازی لامپ الکتریکی خود بود، تسلا روی مشکلی کار می کرد که از زمان دانشجویی در مدرسه پلی تکنیک یوانیوم (Joanneum) در گراتسِ اتریش، ذهن او را درگیر کرده بود. تسلا در دوران دانشجویی خود، نمایشی از یک «دینام گرام» (Gramme dynamo) را دید. دینام ژنراتوری است که از یک «کموتاتور» (سوییچ های چرخشی نصب شده بر روی شفت دستگاه) استفاده می کند تا به جای جریان متناوب، جریان مستقیم تولید کند. تسلا به استاد خود پیشنهاد داد که شاید بتوان کموتاتور را — که در حین کار به شدت جرقه می زد — حذف کرد. این پیشنهاد با تمسخر استادش مواجه شد، اما تخیل تسلا را به شدت درگیر کرد.
در سال ۱۸۸۱، تسلا ایده ای الهام بخش پیدا کرد: چه می شد اگر به جای تغییر قطب های مغناطیسیِ «روتور» (بخش چرخان)، میدان مغناطیسی را در «استاتور» (بخش ثابت دینام) تغییر می دادیم؟ این یک مفهوم انقلابی بود که عرف رایج را کاملاً دگرگون کرد. در یک دینام سنتی، استاتورِ ثابت یک میدان مغناطیسی ثابت ایجاد می کند، در حالی که مجموعه ای از سیم پیچ های چرخان (روتور) در داخل آن میدان می چرخند. تسلا دریافت که اگر این آرایش معکوس شود، می توان کموتاتور را حذف کرد.
طبیعتاً به واقعیت تبدیل کردن این ایده به سال ها کار نیاز داشت. تسلا کار خود را در سال ۱۸۸۲ و زمانی که در شعبه پاریسِ شرکت ادیسون استخدام شد، آغاز کرد. او در طول روز، سیستم های روشنایی رشته ای مبتنی بر برق DC ادیسون را نصب می کرد و در اوقات فراغت، روی طراحی موتورهای AC آزمایش انجام می داد. این روند دو سال ادامه داشت تا اینکه تسلا به «کارخانه ماشین سازی ادیسون» در شهر نیویورک منتقل شد. طبق برخی روایت ها، تسلا ایده های خود را درباره جریان متناوب برای این مخترع مشهور آمریکایی (ادیسون) توضیح داد، اما ادیسون هیچ علاقه ای نشان نداد. در عوض، او از تسلا خواست تا نیروگاه های تولید DC موجود را بهبود بخشد. تسلا این کار را انجام داد، اما وقتی ادیسون از پرداخت دستمزد توافق شده امتناع کرد، تسلا با ناامیدی استعفا داد و مسیر این دو مرد برای همیشه از هم جدا شد.
تسلا پس از مدتی کارگری (کندن خندق) و درگیر شدن در یک قرارداد تجاری بد، سرانجام موفق شد حمایت مالی «چارلز پک» (یک وکیل) و «آلفرد اس. براون» (مدیر وسترن یونیون) را جلب کند. پک و براون به تسلا کمک کردند تا آزمایشگاهی را در فاصله چند بلوکی از آزمایشگاه ادیسون در منهتن تاسیس کند و این مهندس جوان را تشویق کردند تا موتور AC خود را کامل کند. تسلا دقیقاً همین کار را کرد و دستگاهی ساخت که امروزه به عنوان «موتور القایی چندفاز» (Polyphase induction motor) شناخته می شود. واژه «چندفاز» به موتوری اشاره دارد که بر اساس چندین جریان متناوب کار می کند، نه فقط یک جریان. واژه «القایی» نیز به فرآیندی اشاره دارد که در آن آهنرباهای چرخشی استاتور، جریان را در روتور القا می کنند. موتور اولیه تسلا یک نسخه دو فاز بود که استاتور آن دارای دو جفت آهنربا بود؛ یک جفت برای هر یک از دو فاز AC.
در سال ۱۸۸۷، تسلا هفت پتنت (حق اختراع) در ایالات متحده ثبت کرد که یک سیستم کامل AC بر پایه موتور القایی او را توصیف می کرد و شامل ژنراتورها، ترانسفورماتورها، خطوط انتقال و سیستم روشنایی بود. چند ماه بعد، تسلا در موسسه مهندسان برق آمریکا درباره سیستم انقلابی جدید خود سخنرانی کرد. این سخنرانی غوغایی به پا کرد و با وجود کمپین ضد-AC که توسط ادیسون به راه افتاده بود، بسیاری از متخصصان را متقاعد کرد که سیستم برق AC نه تنها عملی است، بلکه بسیار برتر از DC است.
برای آوردن یک ایده خوب به بازار، نیاز به قدرت و نفوذ است. در این مورد، این نفوذ از جانب مخترعی تامین شد که در صنعت راه آهن ثروت هنگفتی به دست آورده بود.
میز کار کلاسیک همراه با تجهیزات مهندسی و قطعات یک موتور الکتریکی، نمادی از فرآیند اختراع تسلا.
تقابل AC و DC (جنگ جریان ها)
«جورج وستینگهاوس» که شرکت الکتریکی خودش در تلاش برای حل جزئیات یک سیستم موفق برق AC بود، درباره سخنرانی سال ۱۸۸۸ تسلا شنید و بلافاصله مجذوب آن شد. هنگامی که پک و براون برای تجاری سازی اختراعات تسلا به وستینگهاوس مراجعه کردند، این کارآفرین (که مخترع ترمز هوایی قطار نیز بود) پیشنهاد سخاوتمندانه ای ارائه داد. او موافقت کرد که ۲۵,۰۰۰ دلار پول نقد، به همراه ۵۰,۰۰۰ دلار سفته و حق امتیازی جزئی برای هر اسب بخار برقی که از این موتور تولید می شود، به تسلا بپردازد.
وستینگهاوس اختراعات تسلا را با خود به پیتسبورگ در ایالت پنسیلوانیا برد، جایی که امیدوار بود از این فناوری برای تامین برق ترامواهای شهری استفاده کند. تسلا نیز او را همراهی کرد و به عنوان کارمند شرکت الکتریکی وستینگهاوس، در اجرای پروژه مشاوره داد. این پروژه به راحتی پیش نرفت و تسلا مکرراً با مهندسان وستینگهاوس درگیر بحث های فنی می شد. با این حال، در نهایت همه با هم متحد شدند تا به فرمول طلایی دست یابند: یک سیستم AC مبتنی بر جریان سه فاز با فرکانس ۶۰ سیکل (۶۰ هرتز).
امروزه تقریباً تمام شرکت های برق در ایالات متحده و کانادا جریان ۶۰ هرتز ارائه می دهند (یعنی جریان متناوب در یک ثانیه ۶۰ بار تغییر جهت می دهد). اما جالب است بدانید که در ایران و بخش عمده ای از کشورهای اروپایی و آسیایی، استاندارد شبکه برق بر روی فرکانس ۵۰ هرتز (۵۰ سیکل در ثانیه) تنظیم شده است که ریشه در استانداردهای اولیه شرکت های آلمانی دارد.
در اوایل دهه ۱۸۹۰، ادیسون و حامیان جریان مستقیم (DC) به شدت احساس خطر کردند. آن ها به ادعاهای خود مبنی بر خطرناک بودن جریان متناوب ادامه دادند و به یک تلاش فاجعه بار برای اعدام با صندلی الکتریکی در سال ۱۸۹۰ به عنوان مدرک اشاره می کردند. اما در سال ۱۸۹۳ ضربه مهلکی به آن ها وارد شد؛ زمانی که وستینگهاوس برنده مناقصه تامین روشنایی «نمایشگاه جهانی شیکاگو» شد. رقیب او شرکت «جنرال الکتریک» (GE) بود؛ شرکتی که از ادغام «ادیسون جنرال الکتریک» و «تامسون-هیوستون» شکل گرفته بود. جنرال الکتریک پرچمدار اصلی برق مبتنی بر DC بود. وستینگهاوس به دلیل پیشنهاد قیمت پایین تر برنده این مناقصه شد، اما وقتی پرزیدنت استیون گراور کلیولند کلیدی را برای روشن کردن ۱۰۰,۰۰۰ لامپ رشته ای در سراسر محوطه نمایشگاه زد، دیگر کمتر کسی به برتری قدرت جریان متناوب (AC) شک داشت.
وستینگهاوس در سال ۱۸۹۵ با طراحی یک نیروگاه برق آبی در آبشار نیاگارا که تمامی پیشرفت های به دست آمده در حوزه AC را در خود جای داده بود، بسیاری از شکاکان باقی مانده را نیز آرام کرد. در ابتدا، این نیروگاه تنها برق شهر بوفالو در نیویورک را تامین می کرد. اما طولی نکشید که برق به شهر نیویورک نیز منتقل شد و کمک کرد تا خیابان برادوی به عنوان «راه سفید بزرگ» (The Great White Way – نماد نورانی بودن) در تخیل عمومی مردم تثبیت شود.
در این زمان، تسلا از درگیری در جزئیات روزمره نیروگاه ها و اجرای عملیاتیِ شبکه های AC کناره گیری کرده بود. او به نیویورک بازگشت و آزمایشگاه جدیدی افتتاح کرد تا در آن بتواند سایر ایده ها، ماشین ها و دستگاه ها را کاوش کند. بسیاری از این اختراعات ارتباطی با تولید برق نداشتند. با این حال، تاثیر او بر حوزه مهندسی برق عظیم بود. در واقع، می توان گفت که موتور AC و سیستم چندفاز تسلا در «جنگ جریان ها» پیروز شدند، زیرا آن ها اساس تمام سیستم های مدرن تولید و توزیع برق در جهان را تشکیل می دهند. البته جریان مستقیم (DC) — که فرزند خوانده ادیسون بود — نیز به طور کامل ناپدید نشد. این جریان همچنان در سیستم های الکتریکی خودروها، لکوموتیوها، دستگاه های الکترونیکی و برخی از انواع موتورها کاربرد حیاتی دارد.
عکسی سینمایی از نورپردازی باشکوه یک عمارت کلاسیک در شب، نمادی از موفقیت قطعی سیستم برق متناوب.
چیزهایی که باید بدانید:
- در اواخر قرن نوزدهم، دو سیستم رقیب برای تولید برق وجود داشت: جریان مستقیم (DC) و جریان متناوب (AC).
- توماس ادیسون حامی سرسخت تولید برق DC بود، اما این سیستم قابلیت انتقال اقتصادی در فواصل طولانی را نداشت.
- نیکولا تسلا که در سال ۱۸۸۴ به آمریکا مهاجرت کرد، به سیستم تولید برق AC باور داشت.
- تسلا موتور القایی چندفاز را اختراع کرد و با آن، آغازگر دورانی شد که برخی آن را «دومین انقلاب صنعتی» نامیده اند.
- تنها سه سال پس از ورود به آمریکا، تسلا هفت پتنت (حق اختراع) ثبت کرد که یک سیستم کامل AC بر اساس موتور القایی او را توصیف می کردند.
نتیجه گیری
داستان تقابل نیکولا تسلا و توماس ادیسون، تنها یک رقابت علمی نبود؛ بلکه نبردی برای شکل دادن به آینده تمدن بشری بود. در حالی که ادیسون با نبوغ تجاری خود لامپ رشته ای را به خانه ها آورد، این بینش عمیق و مهندسی خارق العاده نیکولا تسلا در طراحی موتورهای القایی و سیستم جریان متناوب (AC) بود که انتقال برق به مسافت های طولانی را ممکن ساخت. امروزه از شارژ کردن تلفن های هوشمند گرفته تا روشنایی شهرها و روشن ماندن سرورهای اینترنت، همگی وام دار پیروزی تسلا در «جنگ جریان ها» هستند. شناخت این تاریخچه به ما یادآوری می کند که نوآوری های پایدار، لزوماً آن هایی نیستند که در ابتدا بیشترین سروصدا را به پا می کنند، بلکه آن هایی هستند که محدودیت های زیرساختی را برای نسل های آینده از میان برمی دارند.
سوالات متداول
-
-
نیکولا تسلا چه تاثیری بر دنیای امروز گذاشته است؟
نیکولا تسلا مخترعی بود که موتور القایی AC را ساخت و سیستم جریان متناوب را توسعه داد. کارهای او پایه و اساس مهندسی برق و تولید انرژی در دنیای مدرن را بنا نهادند.
-
چرا نیکولا تسلا تا این حد مهم بود؟
نیکولا تسلا یک مخترع و مهندس برق بسیار مهم بود. او بیشتر به دلیل توسعه سیستم الکتریکی جریان متناوب (AC) که امروزه استاندارد جهانی است، شناخته می شود.
-