בקטנה: המאבק בין תומכי זרם החילופין לתומכי הזרם הישר הוא אחד הסיפורים המרתקים ביותר של המאה ה20. בפוסט הראשון מבין שניים, נספר על הרקע למאבק.

כמו כל סיפור טוב, למאבק בין הזרם הישר לזרם החילופין יש גרסאות שונות, כל אחת עם שורת מחץ משלה. בעוד אמריקה מפארת ומעלה על נס את תומס אדיסון, חיפוש של הערך ״טסלה״ בגוגל, יעלה דווקא את המכונית "טסלה" הקרויה על שם אבי זרם החילופין ניקולה טסלה. אם לא תחפשו מפורשות את ניקולה טסלה, לא תתקלו בו גם אחרי עשרה עמודי חיפוש. ההיסטוריה עוד לא עשתה את הצדק הראוי עם המדען הסרבי, אבי החשמל המודרני. בזמן שכל האורות כבו בארצות הברית כאות אבל למותו של תומס אדיסון, ניקולה טסלה הזקן האכיל ציפורים מחדרו המוזנח במלון בניו יורק.

אדיסון היה גיבורו של טסלה. בשנת 1884 טסלה הצעיר מהגר לניו יורק [1] עם 4 סנטים ביד אחת ומכתב המלצה המיועד לאדיסון בשניה. במכתב, כתב הממליץ שהוא מכיר שני אנשים דגולים. האחד הוא אדיסון והשני הוא המחזיק במכתב. בשלב זה, ניו יורק מוארת כבר שנתיים בעזרת תחנות הזרם הישר של אדיסון שנבנו במימונו של המולטי-מיליונר ג׳יי פי מורגן. בהתלהבות של מדען צעיר, טסלה פרש בפני אדיסון את חזונו להעביר חשמל באמצעות זרם חילופין. ברור לו לטסלה, שזו הדרך הנכונה.

כדי להבין את הבעיה שיצר הזרם הישר ואת פתרונה על ידי זרם חילופין,נתרכז לרגע בתורת החשמל. זרם ישר [2], זה שמסופק על ידי סוללות, הוא זרם של מטענים חשמליים הנעים בכיוון אחד, שנקבע על ידי הקוטביות של מקור המתח (מפלוס למינוס).

זרם חילופין [3], כשמו כן הוא, מועבר על ידי מטענים שמחליפים כיוון בתדירות קבועה, שנגזרת ממהירות הסיבוב של מחולל הזרם. מייקל פאראדיי [4], מגדולי הפיזיקאים הניסיונאים, גילה שכשמסובבים לולאה בין שני קטבים של מגנט מושרה בה זרם חילופין, שבאמצעותו אפשר, למשל, להזין נורה. באופן שקול, אפשר לסובב מגנטים ולקבל זרם חילופין מושרה בתיל שנמצא ביניהם. דוגמה לכך הם סביבונים שמאירים כשהם מסתובבים או דינמו שמחובר לגלגל האופניים ומחולל אור. באופן דומה פועלות תחנות כח הידרואלקטריות. כח פיזי (נפילת או תנועת מים) מניע גלגל שמסובב מגנטים בתוך סליל של תיילי מוליך. תנועת המגנט משרה זרם חשמלי בסליל,ושמובל הלאה אל הצרכנים, באמצעות שנאים וחוטי חשמל.

בסוף המאה ה-19, השימוש בזרם חילופין היה מוגבל כיוון שכל המנועים התעשייתיים התבססו על זרם ישר. מנוע זרם ישר מבוסס על הזרמת זרם בסליל שממוקם בתוך מגנט. השדה המגנטי מפעיל כח על הלולאה שזורם בה הזרם ומסובב אותה. ברם, כאשר הלולאה מסיימת מחצית סיבוב, על מנת לשמר את כיוון הזרם החשמלי ביחס למגנט, מה שהכרחי כדי שהכח המגנטי יפעל באופן קבוע בכוון הסיבוב של הלולאה, יש צורך להחליף את קוטביות הסוללה. זה נעשה על ידי קומוטטור [5], מפסק מסתובב שמחליף את כיוון הזרם או המתח החשמלי (ראה איור מוויקיפדיה ). המגעים של המפסק המסתובב ממומשים על ידי מברשות, שהתבלו עם הזמן. בעיה נוספת בהעברת זרם ישר למרחקים ארוכים היתה יעילות. זרם חשמלי מסופק על ידי סוללה עם מתח נתון. ההספק של הסוללה נתון על ידי מכפלת המתח בזרם. כאשר הזרם מועבר דרך תיילים חשמלים הם מתחממים, מאבדים אנרגיה ומקטינים את ההספק שמגיע לצרכן [6].

 יש שתי דרכים להתגבר על הבעיה. הראשונה, להשתמש בתיילים עבים מאד (ההתנגדות החשמלית קטנה ביחס ישר לשטח החתך של התייל), והשניה להעלות את המתח. כשהמתח עולה בהספק נתון, הזרם יורד וההפסדים בתייל קטנים באופן יחסי לעליית המתח. שתי הדרכים לא היו ישימות. הנחתת המתח הישר מנקודת המקור לנקודת המטרה (הצרכן) היתה אז טכנולוגיה מסובכת ויקרה (שיטות יעילות להמרה של מתח ישר לזרם ישר פותחו רק בשנות ה60 של המאה ה20) ותיילים עבים פרושים למרחקים ארוכים לא היו ישימים. בלית ברירה היה צריך למקם תחנות כח ישר במרחק של קילומטרים ספורים זו מזו, מה שייקר וסיבך מאד את התהליך. מתח חילופין נמוך, לעומת זאת, קל מאד להמיר למתח גבוה באמצעות שנאים (עוד תגלית של פראדיי שהוסברה בהמשך על ידי מאקסוול). 

השנאי [7] מבוסס על שני סלילים. באחד מהם עובר זרם שיוצר שדה מגנטי ומשרה מתח בסליל האחר. (על עמודי חשמל מותקנים שנאים ענקים שניתן לראות) (תמונה). שנאים מאפשרים לייצר מתח נמוך בתחנת הכח, להמיר אותו למתח גבוה (מאות אלפי וולטים) באמצעות שנאי, לשגר אותו למרחקים עצומים באמצעות תיילים דקים, ואז להמיר את המתח למתח ביתי (220 וולט), ביעילות רבה והפסדים מינימלים. כאמור, כל זה היה ידוע, אבל מנוע מבוסס זרם חילופין לא היה בנמצא.

 טסלה מגיע לאדיסון עם תרשים של מנוע מבוסס זרם חילופין, החוזר על עצמו מדי שתי מאיות שניה (בתדר של כ50 הרץ). טסלה מציג בפני אדיסון את הרעיון שלו איך לבנות מנוע זרם חילופין על ידי הזרמת זרם חילופין במספר סלילים מקובעים אבל בהפרשי מופע (כלומר, מחזורים שתחילתם וסופם לא מסונכרנים). התוצאה היא שדה מגנטי מסתובב ומשרה כוחות חשמליים ברוטור שמסתובב ועוקב אחרי השדה.

אדיסון, שהונע על ידי כסף, ראה בטסלה אדם המנסה להרוס לו את עסקי תחנות הכח. הוא מבטל את הרעיונות שלו תוך שהוא מבחין בכשרונו ומגייס אותו לשפר את הדינמו מבוסס הזרם הישר שלו. בתמורה הוא מבטיח 50,000$. כשטסלה משלים את משימתו, אדיסון מסרב לשלם בטענה שטסלה ״לא מבין את ההומור האמריקאי״ [8].

בפוסט הבא, נספר כיצד התפתח העימות בין טסלה לאדיסון למלחמה של ממש.

 [1] סיפור ההגירה של טסלה

[2] זרם ישר

[3] זרם חילופין

[4] מייקל פאראדיי

[5] קומוטטור חשמלי

[6] מנוע מבוסס זרם ישר

[7] שנאים

[8]

וויליאם אורטון, מנהל ווסטרן יוניון (שהיתה אז חברת הטלגרף הגדולה בעולם) אמר שלאדיסון ״יש לו חור במקום בו המצפון אמור להיות״. כשאורטון מחליט לשבור את הפטנט של בל על המצאת הטלפון, הוא שוכר כמובן את אדיסון שמשפר את הטלפון של בל על ידי הכנסת גרגרי הפחם לפומית ויצירת מעין אפנון של הקול שמאפשר את העברתו למרחקים גדולים יותר.