Sähkötekniikka

Sähköstä tuli tieteellisesti kiinnostava aihe 1600-luvun lopulla. Seuraavien kahden vuosisadan aikana tehtiin useita tärkeitä keksintöjä, kuten hehkulamppu ja voltahippu. Sähkötekniikan kannalta luultavasti suurimman löydön teki Michael Faraday, joka vuonna 1831 havaitsi, että magneettivuon muutos indusoi sähkömotorisen voiman lankasilmukassa – tämä periaate tunnetaan nimellä sähkömagneettinen induktio, ja sen avulla voidaan selittää, miten generaattorit ja muuntajat toimivat.

Kaksi sähköasentajaa rakensivat vuonna 1881 Godalmingiin, Englantiin, maailman ensimmäisen sähköaseman. Asema käytti kahta vesipyörää tuottamaan vaihtovirtaa, jota käytettiin seitsemän Siemensin kaarilampun syöttämiseen 250 voltin jännitteellä ja kolmenkymmenenneljän hehkulampun syöttämiseen 40 voltin jännitteellä. Toimitus oli kuitenkin katkonaista, ja vuonna 1882 Thomas Edison ja hänen yrityksensä, The Edison Electric Light Company, kehittivät ensimmäisen höyrykäyttöisen sähkövoimalaitoksen Pearl Streetillä New Yorkissa. Pearl Streetin asema koostui useista generaattoreista, ja se antoi aluksi virtaa noin 3 000 lampulle 59 asiakkaalle. Voimalaitos käytti tasavirtaa ja toimi yhdellä jännitteellä. Koska tasasähköä ei voitu helposti muuntaa korkeampiin jännitteisiin, joita tarvittiin tehohäviöiden minimoimiseksi siirron aikana, mahdollinen etäisyys generaattoreiden ja kuorman välillä rajoittui noin 800 metriin (800 m).

Samana vuonna Lontoossa Lucien Gaulard ja John Dixon Gibbs esittelivät ensimmäisen todellisessa sähköjärjestelmässä käytettäväksi soveltuvan muuntajan. Gaulardin ja Gibbsin muuntajan käytännön arvo osoitettiin vuonna 1884 Torinossa, jossa muuntajaa käytettiin neljänkymmenen kilometrin pituisen rautatien valaisemiseen yhdellä vaihtovirtageneraattorilla. Järjestelmän menestyksestä huolimatta kaksikko teki joitakin perustavanlaatuisia virheitä. Ehkä vakavin virhe oli muuntajien ensiöjännitteiden kytkeminen sarjaan siten, että yhden lampun sytyttäminen tai sammuttaminen vaikutti muihin lamppuihin, jotka olivat kauempana linjassa. Esittelyn jälkeen amerikkalainen yrittäjä George Westinghouse toi maahan useita muuntajia sekä Siemensin generaattorin ja laittoi insinöörinsä kokeilemaan niitä siinä toivossa, että niitä voitaisiin parantaa kaupallisessa sähköjärjestelmässä käytettäviksi.

Eräs Westinghousen insinööreistä, William Stanley, tunnisti ongelman, joka liittyi muuntajien kytkemiseen sarjaan rinnakkaisen sijaan, ja tajusi myös, että muuntajan rautasydämen tekeminen täysin suljetuksi silmukaksi parantaisi toisiokäämityksen jännitteen sääntelyä. Tämän tiedon avulla hän rakensi maailman ensimmäisen käytännöllisen muuntajapohjaisen vaihtovirtajärjestelmän Great Barringtonissa Massachusettsissa vuonna 1886. Vuonna 1885 italialainen fyysikko ja sähköinsinööri Galileo Ferraris esitteli induktiomoottorin, ja vuosina 1887 ja 1888 serbialais-amerikkalainen insinööri Nikola Tesla jätti useita sähköjärjestelmiin liittyviä patentteja, joista yksi koski käytännöllistä kaksivaiheista induktiomoottoria, jonka Westinghouse lisensoi vaihtovirtajärjestelmäänsä.

Vuoteen 1890 mennessä sähkötekninen teollisuus oli kukoistanut, ja voimayhtiöt olivat rakentaneet tuhansiakin sähköverkkoja (sekä tasas- että vaihtovirtaisia järjestelmiä) sekä Yhdysvaltoihin että Eurooppaan – nämä verkostot oli käytännössä omistettu sähköisen valaistuksen tarjoamiseen. Tänä aikana Edisonin ja Westinghousen välille syntyi Yhdysvalloissa kiivas kilpailu, joka tunnetaan nimellä ”virtojen sota”, siitä, kumpi sähkönsiirtomuoto (tasavirta vai vaihtovirta) oli parempi. Vuonna 1891 Westinghouse asensi ensimmäisen suuren sähköjärjestelmän, joka oli suunniteltu sähkömoottorin käyttämiseen eikä vain sähkövalaistuksen tuottamiseen. Asennus käynnisti 100 hevosvoiman (75 kW) synkronimoottorin Telluridessa, Coloradossa, ja moottori käynnistettiin Teslan induktiomoottorilla. Atlantin toisella puolella Oskar von Miller rakensi 20 kV:n 176 kilometrin pituisen kolmivaiheisen siirtojohdon Lauffen am Neckarista Frankfurt am Mainiin Frankfurtin sähkötekniikan näyttelyä varten. Pitkällisen päätöksentekoprosessin jälkeen vuonna 1895 Niagaran putouksilla sijaitseva Adams No. 1 -generaattoriasema alkoi siirtää kolmivaiheista vaihtovirtaa Buffaloon 11 kV:n jännitteellä. Niagaran putouksia koskevan hankkeen valmistumisen jälkeen uusissa sähköjärjestelmissä sähkönsiirtoon valittiin yhä useammin vaihtovirta tasavirran sijasta.