Perang Arus Elektrik

Pengenalan

Semasa tahun-tahun awal pembekalan tenaga elektrik, arus terus Edison menjadi piawaian Amerika Syarikat dan Edison langsung tidak berdepan dengan masalah kehilangan pendapatan royalti patennya. Arus terus sangat sesuai digunakan pada lampu pijar yang merupakan beban utama harian, serta motor elektrik. Sistem arus terus boleh digunakan secara terus dengan bateri storan, menyediakan pelarasan beban yang bernilai serta kuasa sandaran sekiranya berlaku gangguan bekalan elektrik. Penjana arus terus boleh diselarikan dengan mudah, membolehkan operasi dijimatkan dengan menggunakan mesin-mesin yang lebih kecil semasa tempoh beban minima serta menambah baik tahap kebolehpercayaannya. Semasa pengenalan sistem Edison, masih belum terdapat motor AC yang praktikal. Edison telah mencipta meter elektrik untuk membolehkan penggunaan elektrik oleh pelanggan dibilkan, tetapi meter tersebut hanya berfungsi menggunakan arus terus. Setakat tahun 1882 kesemua ini merupakan kelebihan teknikal ketara bagi sistem arus terus.
Daripada hasil kerjanya dengan medan magnet berputar, Tesla mereka satu sistem penjanaan, penghantaran serta penggunaan kuasa AC. Beliau menjadi rakan kepada George Westinghouse untuk mengkomersialkan sistem tersebut. Westinghouse sebelum ini telah membeli hak paten sistem berbilang fasa Tesla serta beberapa paten lain bagi transformer AC daripada Lucien Gaulard dan John Dixon Gibbs.
Terdapat beberapa faktor di sebalik persaingan tersebut. Edison adalah seorang pengujikaji yang pemaksa, tetapi beliau bukanlah ahli matematik. AC tidak boleh difamahi serta dieksploitasi tanpa pemahaman matematik serta fizik matematik yang mencukupi, yang dikuasai oleh Tesla. Tesla pernah bekerja dengan Edison tetapi tidak dihargai (misalnya, apabila Edison mula mengetahui idea Tesla mengenai penggunaan arus ulang-alik, beliau menyingkirkannya sambil berkata: "Idea [Tesla] sungguh bagus, tetapi tidak praktikal sama sekali."). Perasaan buruk semakin berbaur kerana Tesla telah ditipu oleh Edison mengenai pampasan yang dijanjikan untuk kerjanya. Lama kemudian, barulah Edison menyesal kerana tidak mahu mendengar nasihat Tesla mengenai penggunaan arus ulang-alik.

Sistem yang bersaing

Sistem pengagihan bekalan elektrik DC Edison terdiri daripada penjana elektrik yang membekalkan elektrik kepada pengalir pengagihan yang berat, dengan beban pengguna {pencahayaan dan motor) disambungkan kepadanya. Sistem tersebut beroperasi pada paras voltan yang setara; misalnya, lampu 100 volt pengguna disambungkan ke penjana 110 volt, untuk membenarkan sedikit jatuhan voltan di antara penjana serta beban. Paras voltan dipilih untuk memudahkan pengeluaran lampu; lampu pijar berfilamen karbon berintangan tinggi mampu bertahan pada voltan 100 volt, serta untuk menjadikan prestasi pencahayaan agar setanding dengan lampu gas dari segi ekonomi. Pada masa tersebut, dirasakan 100 volt tidak mendedahkan pengguna kepada bahaya renjatan elektrik. Kini voltan 110 volt DC dikategorikan sebagai voltan rendah ekstra.
Untuk menjimatkan kos pengalir kuprum, sistem pengagihan tiga wayar digunakan. Masing-masing membawa voltan +110 volt, 0 volts dan −110 volt. Lampu 100 volt boleh disambung pada salah satu penyambung +110 atau −110 volt pada sistem serta pengalir 0 volt (wayar neutral), yang hanya membawa arus tidak seimbang antara punca positif dan negatif. Hasilnya, sistem tiga wayar ini menggunakan kurang wayar kuprum pada satu kuantiti tenaga elektrik yang dijana, sementara masih mengekalkan voltan rendah. Walau bagaimanapun, jatuhan voltan akibat rintangan dalam pengalir adalah begitu tinggi sehinggakan penjana elektrik perlu ditempatkan pada jarak lebih kurang sebatu (1–2 km) daripada beban. Voltan yang lebih tinggi tidak dapat digunakan dengan mudah pada sistem DC disebabkan tiada teknologi berkos rendah yang mampu membenarkan pengurangan voltan penghantaran tinggi ke voltan penggunaan rendah.
Sementara itu pula, dalam sistem arus ulang-alik, sebuah transformer digunakan di antara pertengahan sistem penghantaran bervoltan tinggi dan beban pengguna. Lampu dan motor elektrik kecil masih boleh dikendalikan pada voltan rendah. Walau bagaimanapun, transformer membenarkan tenaga elektrik dihantar pada voltan yang lebih tinggi, katakan sepuluh kali nilai voltan beban. Pada satu nilai kuantiti kuasa elektrik yang dihantar, saiz wayar berkadaran songsang dengan voltan yang digunakan; atau dengan kata lain: panjang litar, pada satu saiz wayar dan jatuhan voltan dibenarkan yang diberikan, boleh bertambah pada kadar menghampiri nilai kuasa dua bagi voltan penghantaran. Hasilnya, penjana elektrik yang semakin besar tetapi semakin sedikit mampu membekalkan tenaga elektrik kepada beban pada satu kawasan tertentu. Beban tinggi, seperti motor elektrik perindustrial ataupun penukar bagi sistem elektrik kereta api, boleh dibekalkan dengan rangkaian pengagihan yang sama dengan rangkaian yang membekalkan tenaga elektrik kepada pencahayaan, dengan menggunakan transformer dengan voltan sekunder yang bersesuaian.

Kehilangan kuasa semasa penghantaran

Kelebihan utama AC bagi kegunaan penghantaran kuasa elektrik ialah voltannya mudah diubah dengan menggunakan transformer. Kuasa adalah hasil darab arus x voltan (P = IV). Diberi satu nilai kuasa tertentu, voltan rendah memerlukan arus yang lebih tinggi manakala voltan tinggi memerlukan arus yang lebih rendah. Memandangkan wayar pengalir mempunyai nilai rintangan tertentu, sebahagian kuasa akan dibazirkan sebagai haba pada wayar. Kehilangan kuasa dikira melalui Hukum Joule iaitu P = I²R. Dengan itu, sekiranya nilai kuasa yang dihantarkan adalah sama, dan diberi had saiz pengalir praktikan, pengantaran voltan rendah berarus tinggi akan mengalami kehilangan kuasa yang lebih teruk daripada sistem penghantaran voltan tinggi berarus rendah. Inilah yang menentukan sama ada DC atau AC yang digunakan dalam sistem penghantaran.
Menukar voltan DC adalah sukar dan mahal kerana ia memerlukan satu penukar rotari yang besar ataupun set motor-penjana, sementara voltan AC boleh ditukar dengan mudah dengan hanya menggunakan transformer yang mudah tetapi cekap tanpa sebarang bahagian bergerak serta tiada penyelenggaraan diperlukan. Inilah kunci utama kejayaan sistem AC. Sistem penghantaran elektrik moden seperti Grid Nasional di Malaysia menggunakan sistem AC dengan voltan setinggi 400 kV. Di sesetengah negara lain pula, voltan bagi sistem grid kebangsaan boleh jadi setinggi 765 kV. 
Sebenarnya, talian penghantaran arus ulang-alik juga mempunyai kehilangan kuasa yang tidak terdapat pada arus terus. Akibat daripada "kesan kulit", pengalir akan mempunyai rintangan tinggi jika digunakan pada arus ulang-alik berbanding dengan arus terus; kesan tersebut boleh diukur dan ketara pada pengalir besar yang mengangkut sehingga ribuan ampere. Rintangan tersebut boleh dikurangkan dengan menukar bentuk pengalir daripada jenis teras tunggal kepada berbilang teras dawai.

Kempen Edison

Edison telah menjalankan kempen untuk tidak menggalakkan menggunaan arus ulang-alik, termasuklah menyebarkan maklumat kemalangan maut melibatkan penggunaan AC, membunuh haiwan di khalayak ramai, serta melobi untuk tidak menggunakan AC di negeri-negeri. Edison mengarahkan jurutekniknya, terutamanya Arthur Kennelly dan Harold P. Brown, untuk menjalankan pembunuhan haiwan dengan menggunakan AC, biasanya dengan menggunakan kucing dan anjing terbiar tetapi kuda dan lembu terbiar turut digunakan. Bertindak atas arahan tersebut, mereka membuat demonstrasi kepada media cetak bahawa arus ulang-alik lebih berbahaya daripada sistem arus terus. Siri pembunuhan haiwan Edison mencapai kemuncak dengan rakaman filem kejutan elektrik terhadap Topsy, seekor gajah sarkas Coney Island. Beliau juga turut mempopularkan istilah terkena kejutan elektrik dengan mereka satu istilah bahawa Inggeris iaitu "Westinghoused".
Edison sebenarnya menentang hukuman mati, tetapi keinginannya untuk menghapuskan sistem arus ulang-alik membawa kepada penciptaan kerusi elektrik. Harold P. Brown, yang telah diupah secara rahsia oleh Edison, membina kerusi elektrik pertama untuk negeri New York dalam usaha untuk membuktikan kononnya arus ulang-alik lebih berbahaya daripada arus terus.
Semasa kerusi elektrik digunakan buat pertama kalinya pada 6 Ogos 1890, juruteknik tidak dapat mengagak voltan yang diperlukan untuk membunuh seorang banduan, William Kemmler. Kejutan elektrik pertama tidak mencukupi untuk membunuh Kemmler, sekadar menjadikannya cedera parah. Prosedur tersebut diulang dan seorang wartawan ketika itu melaporkan bahawa ia merupakan "satu peristiwa yang mengerikan, jauh lebih dahsyat daripada hukuman gantung." George Westinghouse memberi komen: "Sepatutnya lebih baik mereka menggunakan kapak sahaja."

Empangan Air Terjun Niagara

Beberapa orang pakar telah mengumumkan cadangan untuk menggunakan Air terjun Niagara untuk menjana elektrik. Di sebalik cadangan oleh General Electric dan Edison, Westinghouse, yang menggunakan sistem AC Tesla, telah memenangi kontrak pembinaan Empangan Air Terjun Niagara. Projek tersebut diketuai oleh Lord Kelvin serta disokong oleh beberapa usahawan seperti J. P. Morgan, Lord Rothschild, dan John Jacob Astor IV. Kerja pembinaan bermula pada tahun 1893 bagi projek Empangan Hidroelektrik Air Terjun Niagara manakala tenaga elektrik dihasilkan serta dihantar dalam bentuk arus ulang-alik.
Beberapa pihak meragui sama ada sistem tersebut mampu menjana bekalan elektrik yang mencukupi untuk kegunaan industri di Buffalo. Tesla yakin ia boleh berjaya, dengan mengatakan Empangan Air Terjun Niagara mempunyai keupayaan untuk membekalkan elektrik ke seluruh bahagian timur Amerika Syarikat. Sebelum ini sistem penghantaran arus ulang-alik berbilang fasa telah didemonstrasikan di Mill Creek California, serta di Pertunjukan Elektroteknikal Antarabangsa 1891. Chicago World's Fair 1893 telah menunjukkan satu sistem penjanaan serta pengagihan berbilang fasa yang lengkap dipasang oleh Westinghouse. Walau bagaimanapun, tiada satu pun projek demonstrasi sebelumnya yang dibuat dengan skala sebesar empangan Niagara tersebut. Pada 16 November 1896, tenaga elektrik dihantar dari Air terjun Niagara ke kawasan industri di Buffalo melalui Stesen Janakuasa Hidroelektrik Edward Dean Adams. Penjana hidroelektrik di situ telah dibina oleh Perbadanan Elektrik Westinghouse dengan menggunakan paten sistem AC Tesla. Malah, plat nama penjana elektrik tersebut telah tertera nama Tesla. Untuk memuaskan hati General Electric, mereka diberikan kontrak talian penghantaran ke Buffalo tetapi dengan menggunakan paten Tesla.

Kesan persaingan

AC telah menggantikan DC bagi sistem penjanaan serta pengagihan elektrik berpusat, memperluaskan lagi liputan serta menambah baik aspek keselamatan dan kecekapan sistem penghantaran tenaga elektrik. Sistem pengagihan voltan rendah arus terus Edison dikalahkan sepenuhnya oleh arus ulang-alik oleh pelbagai penyumbang: paling utama ialah sistem berbilang fasa Tesla, serta daripada penyumbang lain, seperti Charles Proteus Steinmetz (pada tahun 1888, beliau bekerja di Pittsburgh untuk Westinghouse). Sistem empangan Air terjun Niagara adalah titik tolak kepada penerimaan arus ulang-alik. Seterusnya, syarikat General Electric (ditubuhkan hasil penggabungan di antara syarikat-syarikat Edison dan syarikat pesaing berasaskan AC iaitu Thomson-Houston) mula mengeluarkan mesin-mesin AC. Sistem penjanaan elektrik berpusat boleh direalisasikan sekiranya talian kuasa arus ulang-alik dikenal pasti mampu mengangkut kuasa elektrik pada kos yang rendah tetapi pada jarak yang jauh dengan memanfaatkan keupayaan menukar voltan di sepanjang laluan dengan menggunakan transformer kuasa. Voltan dinaikkan semasa penjanaan (biasanya voltan yang dihasilkan penjana elektrik adalah dalam lingkungan beberapa kilovolt) ke voltan yang lebih tinggi (berpuluh atau beratus kilovolt) untuk penghantaran utama, diikuti beberapa penurunan voltan, sehinggalah serendah voltan yang digunakan di rumah, seperti 120 / 240 volt AC pada 60 Hertz di Amerika Utara dan 230 / 400 volt AC pada 50 Hertz di Eropah.
Rangkaian penghantaran elektrik arus ulang-alik kini menyediakan laluan bertindih serta talian untuk penghalaan kuasa dari mana-mana stesen janakuasa ke mana-mana pusat beban, berdasarkan faktor ekonomik laluan penghantaran, kos penghasilan kuasa elektrik serta kepentingan mengekalkan bekalan elektrik kepada satu pusat beban sepanjang masa. Stesen janakuasa elektrik boleh ditempatkan jauh daripada beban.