作者：大神团·卢云深
作者介绍：卢云深，新东方超尖生计划授课老师，清华大学机械工程与自动化学士，清华大学材料科学与工程专业硕士。初中“希望杯”数学竞赛一等奖，高中物理竞赛河南省第一名。
2021年2月，美国得克萨斯州因冬季风暴引发的大面积停电。
停电的一个重要原因就是德州的电网基本独立，相邻各个州的电网无法送电进去。
而在世界范围内，各个国家的电压频率都不尽相同。
我们在出国旅游或者留学前，都需要做这样一件事——查看目的地的电压频率，准备用电设备的电源转换器。那这里面有什么内在原因呢？
电源转换插头
事情的原因可以追溯到爱迪生发明碳丝白炽灯。
十九世纪，爱迪生在研究稳定耐用的电灯时发现：处于110V的直流电压下的电灯泡其发光效率和使用寿命最佳，电压过低灯泡亮度不足，电压过高灯泡又会很快烧坏。
之后，爱迪生的通用电力公司就在美国以110V电压为标准建立起了直流电力输送系统。
受技术条件限制，这时的直流电力输送系统还很原始，在传输过程中能量损耗很大，传输距离也十分受限。
具体表现为发电站发出的直流电电压在120V，但到了用户的电源插口处就只剩下90V甚至更低，那么灯泡就不够亮了。这就需要每一平方英里就建造一个发电站来保证用户收到的电压达标。
爱迪生
尼古拉·特斯拉发明了3相240V交流发电机及其输电系统。
交流发电机利用利用导线切割磁力线感应出电动势的电磁感应原理，输出按正弦规律变化的交流电。交流电传输过程中出现能量损失电压下降的话，可以利用变压器将电压提高，这就大大方便了远距离输电。
变压器原理示意
高中物理课本提过，变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的，一个线圈与交流电源相连，叫做原线圈，另一个叫做副线圈。
变压器利用电磁感应原理传递电能，电流通过原线圈在铁芯中激发磁场，变化的电流所感应生成的磁场也不断变化，变化的磁场又在副线圈产生感应电压。原线圈与副线圈上的电压同它们的匝数成正比。通过调整绕在铁芯上的原线圈与副线圈匝数，就可以实现输送电压的提升与降低。
正是这一工具使得交流输电系统摆脱了发电站位置的束缚，实现远距离输电，从而把电力和电器普及开来。
这样一来特斯拉的交流输电就同爱迪生的直流输电系统产生了竞争，爱迪生为了扭转劣势，就宣称交流输电比直流输电危险，甚至雇佣小孩子用交流电电死流浪猫狗等来抹黑交流电。
为了打消公众的疑虑，特斯拉后来把交流输电系统的电压降低到了同原有直流输电电压相同的110V。又因为英美国家常用12进制，为了便于计算，当地交流输电的频率就定在了60hz,也就是1秒以内单相交流电电压波动60个完整的波形。
特斯拉
当电灯与输电系统传到了欧洲大陆，因为人们不像英美一样常用12进制，就把输电频率改为了50hz，同时保留了110V的电压标准。
在500V以下的电压范围内，电能在输电导线上的损耗主要表现为导线发热，根据焦耳定律：电流通过导体产生热量的功率跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，也就是P=I²R 。
为了减少导线发热，最有效的方式就是降低通过导线的电流。
而输电系统输送的功率为电压与电流的乘积，P=UI ；也就是说在输电功率一定的情况下，电压越高，导线上的电流就可以越低，导线发热损耗的功率就越少。
于是，一些地方为了减少输电线路上的发热损耗，就将输电电压提升到了220V，这样做减少了线路上的电流，输电导线的最大电阻值限制也可以适当放松，又因为同种材料的导线电阻值R与它的横截面积S成反比，导线也可以做得更细，这样就节省了制造导线的铜材。
而且220V作为110V的两倍，与原有的输电系统连接的变压器上原线圈与副线圈匝数比是简单的2比1，也便于变压器的工业批量生产。
直到二战后的20世纪50年代，许多欧洲国家还是使用110V交流电。
二战后，欧洲的电力设施需要重新建设，此时除了电灯泡，人类已经发明了包括收音机、电视机等许多其他电器，电器用电功率的提升对电网提出了新的要求。
于是人们索性将电压标准改为220V来对电力系统进行改造，新建的输电网络都采用220V电压。
这时的英国不仅将电压标准改为了220V，他们为了和欧洲大陆保持一致，把频率也改为了50Hz。
美国也曾考虑过改用220V来提供市民用电，但是这样就需要将已有的输电系统拆了重建，而电力公司感觉这样太浪费了就没能实行。
于是美国、加拿大、墨西哥及其他深受美国影响的美洲国家都按美国标准采用110V电压60hz频率输电，美国以前的殖民地菲律宾和曾被美国军事管理的日本也是110V电压60hz频率输电。
至于中国，从1890年的上海开始使用100V电压交流电为居民白炽灯供电。
因为旧中国生产力低下，发出来的电本来就少，输电线路上的热损耗就更让人无法接受，同时中国属于缺少铜矿资源的国家，低压输电导线上的铜材消耗也是一笔不小的成本。
于是到了1901年上海公共租界开始日夜供电的时候，输电电压就改为了200V。
到了1930年9月12日，前国民政府公布的中国第一个电压频率标准，就规定220V和50Hz作为中国的标准电压和标准频率。
新中国成立之后接受苏联援助发展电力工业，苏联的标准电压与频率同样是220V和50Hz，于是先前民国的标准也就继续沿用了下来。
每个国家在制定各种工业标准的时候也都会受到历史原因、本国矿产资源和地理原因的影响，产生出不同的发展模式。
以上，就是各个国家标准电压和频率差异的由来。
作者介绍：卢云深，新东方超尖生计划授课老师，清华大学机械工程与自动化学士，清华大学材料科学与工程专业硕士。初中“希望杯”数学竞赛一等奖，高中物理竞赛河南省第一名。本文原创自新东方智慧学堂（ID：zhihuixuetang_xdf），与精英为伍，成就未来精英。
,
