電為什么要分交流電和直流電

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有沒有想過，為什么手機(jī)充電插頭比一般插頭大？

這個(gè)問題如我今天看到另外一個(gè)問題：為什么紙飛機(jī)飛起來要哈一口氣，我想了想覺得，我就是知道但是不知道怎么知識(shí)性的傳播。這里整理一下。

其實(shí)嚴(yán)格來講，這個(gè)“插頭”叫開關(guān)電源適配器，目的是將電網(wǎng)傳來的交流電轉(zhuǎn)換為直流電傳輸進(jìn)電子設(shè)備中。筆記本電腦的電源適配器更大，冬天暖手更方便~

那為啥要把交流電換成直流電呢?讓我們從頭講起。

電是一種自然現(xiàn)象。電荷靜止或移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很多有意思物理現(xiàn)象，比如雷雨天氣中會(huì)看到的閃電、冬天脫毛衣的時(shí)候噼里啪啦的火花。后來，科學(xué)家們從各種電效應(yīng)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，于是發(fā)明出了電池、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)。

先用直流電，還是先用交流電？

220伏/50赫茲交流電是我國的供電標(biāo)準(zhǔn)，所以很多人都以為家用電器用的都是交流電。至于直流電，大概除了那句廣告中會(huì)念叨的“直流變頻空調(diào)”，想不到其他的了吧。

其實(shí)，直流電應(yīng)用很廣泛，你肯定見過，也用過。比如：

定義

直流電，是指方向不隨時(shí)間發(fā)生變化的電流。

交流電，是指大小和方向都發(fā)生周期性變化的電流。

從示波器觀測，一個(gè)是直的，一個(gè)彎的……

反正都是電，感覺差別不大?

No~ No~ No~

讓我們翻開歷史，講點(diǎn)八卦!

直流電，是電力革命*。在早期的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中，人們總是想方設(shè)法把產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟?/p>

1879年，托馬斯˙愛迪生制成*只碳絲白熾燈，吸引了大量投資。此后，小愛同學(xué)一路順風(fēng)順?biāo)?882 年的一個(gè)夜晚，110 伏的直流電輸送到紐約曼哈頓整個(gè)街區(qū)……大家終于可以扔掉煤油燈啦~

然而，直流輸電的弊端也隨著使用范圍的擴(kuò)大而逐漸顯現(xiàn)：電壓不變的情況下，供電距離的增加和用戶的增長加劇了線路損耗。小型直流中心電站供電區(qū)域于2公里不到的方圓內(nèi)。

因?yàn)閾p耗量=電流²?電阻，所以減小電流就能減少損耗。

在傳輸功率保持不變的情況下，電流和電壓成反比，所以，提高電壓就能減小電流，減小損耗。

當(dāng)時(shí)高壓直流技術(shù)尚不成熟，直流電變壓比較復(fù)雜。這時(shí)候，塞爾維亞小青年尼古拉˙特斯拉背著書包，跨越大洋奔向偶像愛迪生。他有一個(gè)不太成熟的小建議——交流輸電。交流電機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡單，容易變壓，可以簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠地解決提高輸電電壓的問題。

可是，這個(gè)建議被霸道總裁拒絕了。有人說是因?yàn)樾弁瑢W(xué)沒上過幾天學(xué)，不懂高數(shù)，交流電對(duì)他來說有點(diǎn)抽象。為了阻撓交流電發(fā)展，愛迪生除了當(dāng)眾做交流電電死動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、發(fā)動(dòng)媒體報(bào)道交流電事故，還促成電椅的發(fā)明——用交流電執(zhí)行死刑。

當(dāng)然，在這場交直流之爭中，具有遠(yuǎn)距離輸電優(yōu)勢的交流電還是贏了。(注意哦，這里講的是輸電。)

交流電、直流電，到底誰更好？

隨著線路電壓不斷提高，輸送功率和輸送距離不斷增大，直流電又得到工程師們的青睞。因?yàn)橹绷麟姴恍枰鳛V波，沒有相位差，比較穩(wěn)定。直流電如何升壓呢?簡單講，升壓工作交給交流做，交直流再轉(zhuǎn)換一下就好啦~而且，從經(jīng)濟(jì)性上看，雖然直流換流站比交流輸電的變電站造價(jià)高，但是直流線路只要正、負(fù)兩根線，交流線路三相需要三根線，直流線路造價(jià)更低，所以距離越長，越適合直流輸電。

例目前世界上電壓等級(jí)zui高的輸電工程就是直流工程——±1100千伏準(zhǔn)東—皖南工程。工程線路全長3324公里，比哈爾濱到?？诘闹本€距離還長。

在輸電領(lǐng)域，一般超過30公里的水下電纜、 兩個(gè)交流系統(tǒng)之間的異步聯(lián)接也都是用的直流電。

交流電和直流電各有特點(diǎn)，有人打比方說，交流電像高速鐵路，直流電像空中飛機(jī)，一個(gè)中途可以停車，一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)飛。用哪個(gè)，要具體問題具體分析。

家用電器為啥要用直流電？

回到家用電器領(lǐng)域，IT產(chǎn)品(如手機(jī)、電腦)和絕大多數(shù)家電內(nèi)部均使用直流電。因?yàn)楣P記本和手機(jī)要求輕便，所以整流器放在外面，而臺(tái)式電腦、冰箱、空調(diào)等就把整流器放到了電器內(nèi)部了。

為什么？回到本質(zhì)，直流電是連續(xù)不斷從正極流向負(fù)極，交流電是波動(dòng)的。而電子元器件是通過識(shí)別高低電位來工作的，例如電腦，有電位為1、無電位為0，交流電本身就會(huì)有過零點(diǎn)的電位，這樣電子元器件就無法進(jìn)行正確的邏輯判斷。

電學(xué)是一門不斷發(fā)展的復(fù)雜學(xué)問，這篇文章顯然是無法詳細(xì)說明每一種情況的。但是，如果女朋友問“帶手機(jī)充電插頭了嗎?”你可以從容地拿出這篇文章，糾正道：“親愛的，這個(gè)叫電源適配器。”——來自單身狗的建議。

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其實(shí)這個(gè)問題早在愛迪生時(shí)期就出現(xiàn)了，愛迪生作為白熾燈的，當(dāng)時(shí)在每個(gè)人的心目中都是無比崇高的地位，而他本人是一個(gè)直流電的擁護(hù)者，畢竟他的燈就是用直流電點(diǎn)亮的，還是不能忘本啊。。而這時(shí)在他的手下又出現(xiàn)了一位天才，他就是電動(dòng)汽車品牌創(chuàng)始人、又一位偉大的科學(xué)家——尼古拉·特斯拉。

這個(gè)阿特啊，就建議這個(gè)小愛領(lǐng)導(dǎo)去做一下交流電試試，然而小愛這個(gè)時(shí)候已經(jīng)是飄的不行了，心想一個(gè)小嘍啰的話我怎么能聽呢，于是乎，阿特就拋棄小愛領(lǐng)導(dǎo)單飛了，并且成功發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)。后來，小愛一聽這情況當(dāng)時(shí)就不干了，就各種爭論各種詆毀，發(fā)動(dòng)所有人脈打壓阿特，然而當(dāng)時(shí)的廣大勞動(dòng)人民也不傻，畢竟都知道“不看廣告看療效”，而就當(dāng)時(shí)的科技水平當(dāng)然是交流電比較好。

因?yàn)榇蠹抑繮=UI，如果是通過直流電向各家各戶輸電，隨著用電人數(shù)的增加，若想提高輸送功率，就得增加U或者I，而家用電器無法承受過大的電壓，只能通過提高I，而當(dāng)I提高，就會(huì)增加能量損耗，主要是產(chǎn)熱較大，同時(shí)還要通過增粗導(dǎo)線防止燒斷，所以直流電進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送時(shí)既損耗能量又損耗材料，因此直流電當(dāng)時(shí)只能進(jìn)行短距離低壓輸電。而交流電采用的交變電流可以通過變壓器進(jìn)行升壓從而形成高壓輸電的方法，使得熱損耗很低，從而可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，然后通過降壓器使其降低至家用電壓水平，從而使得送電效率提高了很多，深受各位吃瓜群眾的好評(píng)。而在此之后的很長一段時(shí)間內(nèi)，都是通過交流發(fā)電送電。但隨著時(shí)間的推移，在各路豪杰的帶領(lǐng)下，我們發(fā)現(xiàn)交流電在高壓輸電過程中也會(huì)有著不小的損耗。首先，交流電有趨膚效應(yīng)，中心那部分材料等于浪費(fèi)；其次，在導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)有渦流產(chǎn)生，發(fā)熱，損耗電力；還有就是交流電是交變電流，根據(jù)麥克斯韋電磁理論，要產(chǎn)生電磁輻射，高壓下的電磁輻射是很強(qiáng)的，特別是穿越城市的高壓線對(duì)人體是有危害的。而高壓直流電就沒有這些弊端，它的電流不是交變的，沒有趨膚性，也沒有渦流，電力損耗只有產(chǎn)生的電阻熱，損耗較小，也沒有強(qiáng)大的電磁輻射。此外，三相交流電至少需要三根導(dǎo)線輸送，而直流只要二根，可以節(jié)約昂貴銅和建高壓鐵塔材料；在通過地下電纜或者海底電纜輸送高壓電時(shí)，由于電纜與大地和海水是存在電容的，而交流電是可以通過電容的，也會(huì)造成損耗；還有，我國雖然都是50赫茲的交流電，但是各發(fā)電廠的交流電不可避免的會(huì)存在一些相位差，造成并網(wǎng)困難，而直流電就沒有上述問題。

因此，到目前為止，我們發(fā)現(xiàn)交流直流各有利弊，交流電在配電方面更加靈活，可以通過變壓器進(jìn)行合理的升壓或降壓，而直流電在高壓輸電方面有著壓倒性的優(yōu)勢。

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這個(gè)要從人類研究的電場歷史說起。

在1831年法拉第英國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律以前，人類認(rèn)識(shí)的電其實(shí)只有電荷簡單移動(dòng)形成的直流電。但是，法拉第等科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)和理論都證明，通過動(dòng)磁可以生電，而這種電與電荷簡單移動(dòng)形成的電*不一樣。簡單說就是這樣的電是動(dòng)電，還可以繼續(xù)形成動(dòng)磁，動(dòng)磁又可以繼續(xù)生成動(dòng)電，這樣循環(huán)往復(fù)，就可以形成形成電磁場，其向外傳播就形成電磁波。而這一切又被麥克斯韋總結(jié)成了電磁場基本規(guī)律方程式：

這一方程組中明確的給出了直流電形成的原理，即*組方程組，電荷可以形成可以向四周擴(kuò)散的電場，這就是直流電的來源。而第三組方程組則給出了交流電的來源，變化的磁場可以產(chǎn)生交流電。而赫茲則將上述理論變成了可操作的電磁波發(fā)射與接收：

如圖所示，赫茲通過給線圈斷電，而產(chǎn)生變化的磁場，從而激發(fā)變化的電場，并通過金屬板發(fā)射出去，并在另一端用金屬圈接收，從而在人類歷**次完成了電磁波的發(fā)射與接收。

此后，這一技術(shù)迅速發(fā)展，人類由此發(fā)明了電報(bào)、、收音機(jī)、電視機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)等等，真正實(shí)現(xiàn)了中國古代神話傳說中的“千里眼、順風(fēng)耳”，而這些都是直流電，所不能完成的，而現(xiàn)實(shí)生活中，我們的家用電器中，用直流電的可能只有手電筒了吧！因此，可以說沒有交流電，就沒有現(xiàn)代科技的發(fā)展，就沒有人類如今美好的生活。

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我不用說什么愛迪生和特斯拉的電流戰(zhàn)爭，只作為從小在電廠邊吸著煤灰和霧霾長大的人，簡要介紹一下火力發(fā)電的過程，來說明為什么歷史選擇了交流電作為電能的主要形式。

火力發(fā)電分為三大機(jī)組，首先是鍋爐機(jī)組，煤炭在這里燃燒，給水加熱，目的是為了產(chǎn)生水蒸氣。發(fā)電廠那種矮粗的水泥大煙筒實(shí)際上是冷水塔，冒出的白色氣體是水蒸氣。細(xì)長的煙囪冒出的才是煤煙，導(dǎo)致霧霾。產(chǎn)生水蒸氣之后，熱水如果都放到冷水塔比較浪費(fèi)，在冬天可以直接給城市供暖，所以現(xiàn)在北方的火電站大多是熱電廠，同時(shí)起到發(fā)電和供熱的雙重作用。

第二個(gè)機(jī)組是汽輪機(jī)組，由鍋爐機(jī)組產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)入汽輪機(jī)，吹動(dòng)葉片，使汽輪機(jī)以50Hz的頻率旋轉(zhuǎn)。這個(gè)是*次工業(yè)革命（蒸汽動(dòng)力）留給第二次工業(yè)革命（電力）的遺產(chǎn)。

第三個(gè)機(jī)組就是電機(jī)組，由汽輪機(jī)帶動(dòng)的線圈在永磁體的磁場中旋轉(zhuǎn)，通過法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生周期性的交變電流，就是我們通常說的交流電。電機(jī)組的輸出就是50Hz的交流電，進(jìn)入經(jīng)過電纜升壓遠(yuǎn)距離傳輸，再用變壓器降壓進(jìn)入千家萬戶。

這樣為什么選擇交流電就比較清楚了，因?yàn)樗魵鈳?dòng)汽輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)是周期性的，使得電機(jī)里線圈在磁場中周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生了交流電。這個(gè)是對(duì)*次工業(yè)革命的主要?jiǎng)恿φ羝麢C(jī)的直接繼承，成本要比直流發(fā)電低，效率也更高。

除了火力發(fā)電之外，有很多其他發(fā)電技術(shù)，但無論是水力發(fā)電，還是風(fēng)力發(fā)電，只是把火力發(fā)電的鍋爐和汽輪機(jī)組換成水流驅(qū)動(dòng)或者風(fēng)車驅(qū)動(dòng)的葉輪機(jī)組，電機(jī)組還是一樣的周期性運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生交流電。核電站也是把鍋爐換成反應(yīng)堆，把水加熱燒出蒸氣，汽輪機(jī)和電機(jī)組與火電站一樣。

回到直流電，它的來源基本都是電池，包括太陽能發(fā)電也是靠光電池。首先效率遠(yuǎn)不如交流發(fā)電，其次成本也要高很多。所以我認(rèn)為可預(yù)見的未來，電能的主導(dǎo)形式還是交流電，盡管在消費(fèi)端直流電器占多數(shù)。

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看到很多大家所謂的專業(yè)回答，我來談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

所謂交流電（AC）和直流電（DC）各有優(yōu)劣勢，這曾經(jīng)給愛迪生帶來了很多的贊譽(yù)和麻煩。愛迪生是直流電的發(fā)明使用支持者，他認(rèn)為直流電安全，方便，快捷，能給大家?guī)砗芏啾憷５侵绷麟姶嬖谝粋€(gè)弊端，那就是傳輸物質(zhì)長線電壓損耗的問題，如果遠(yuǎn)距離輸送電壓，勢必會(huì)帶來電壓的損耗和不穩(wěn)定，長線輸電電壓變小了。由于當(dāng)時(shí)點(diǎn)燈屬于貴族發(fā)明，只有錢人才能使用上，沒有存在大面積缺電的情況，還有因其它電器少的原因，所以，勉強(qiáng)使用穩(wěn)定。后來電器增多，直流電的弊端就顯現(xiàn)了，會(huì)造成電壓不穩(wěn)定，影響正常使用的情況。

而自從尼古拉特斯拉發(fā)明了交流電之后，這樣情況得到了*的改變，交流電可以改變長線輸電的距離，到輸送終點(diǎn)再進(jìn)行變壓使用。而且還不影響電壓的改變，交流和直流電可以相互轉(zhuǎn)換，來增加他的使用功能，這樣就*解決了輸電距離和多電器使用的情況。

現(xiàn)在，電力發(fā)展有了很大的進(jìn)步，發(fā)電方式多了，輸電線路長了，發(fā)電量和用電量都達(dá)到很高的科技水平，不存在交流電與直流電誰好誰弱的爭議了，只要大家安全合理用電才是zui正確的用法。

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