Marcos Sanchez - Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток

Чтобы его лампы получили практическое применение, Тесла разработал также схему для получения необходимых высоких частот и напряжения, которая могла быть собрана из уже существующих электрических устройств (см. рисунок 1). Основным источником тока был традиционный генератор переменного тока. Напряжение тока увеличивал трансформатор, заряжавший конденсатор. Он производил разряд в цепи, содержавшей разрядник, представлявший собой зазор между двумя направленными друг на друга электродами, где возникал пробойный разряд. Так получался высокочастотный ток. Для увеличения потенциала в цепи был предусмотрен еще один трансформатор, на вторичной обмотке которого индуцировался ток такой же частоты, но значительно отличавшийся по потенциалу. Лампы подключались к выходам этой вторичной обмотки.

РИС. 1

Схема высокочастотной цепи.

В схеме этой цепи использовался базовый принцип электрических осцилляторов (см. рисунок 2), устройств для преобразования и увеличения характеристик тока. Задействованные в ней трансформаторы известны сейчас как трансформаторы Теслы. В ноябре 1890 года после запуска одного из прототипов электрического осциллятора Тесла заметил, что его лампы светятся, даже не подключенные к цепи. Это была реакция газа, вызывающая свет. Анализируя данный факт, он понял, что электромагнитные волны передают электрическую энергию по воздуху без провода, и такой энергии достаточно для того, чтобы заставить гореть лампу. Ключевую роль в данном явлении играло то, что сегодня называют электрическим резонансом. Установив необходимую частоту, Тесла мог зажигать и тушить лампы, находящиеся на расстоянии нескольких метров.

Последствия, которые могла иметь эта находка, попав в руки к человеку, только что приспособившему для домашнего использования электрическую энергию, трудно было предугадать. Сразу же Тесла начал обдумывать возможность передачи электричества беспроводным способом так же эффективно и безопасно, как по проводам. Тогда, в ноябре, он полностью погрузился в область, навсегда захватившую его, — беспроводную передачу электрической энергии.

РИС. 2 Схема электрического осциллятора Теслы.

В своей лаборатории на Пятой авеню Тесла начал ставить опыты с лампами и вакуумными трубками, которые изготавливал специально нанятый на полный рабочий день стеклодув. Он надеялся с их помощью уловить так называемые в то время герцевы волны, то есть электромагнитные волны. Изобретатель начал с изучения проектов освещения, но со временем перешел к исследованиям радиосигналов, а затем, до конца не разобравшись в их природе, к микроволнам и рентгеновским лучам.

Тесла представил 20 мая 1891 года на второй конференции перед AIEE доклад «Эксперименты с переменными высокочастотными токами и их применение для искусственного освещения», в который он включил первоначальные выводы о беспроводной энергии.

Явление электрического резонанса можно объяснить, вспомнив в качестве примера маленький лабораторный эксперимент, показанный на рисунке и позволяющий увидеть, как движение пружины вызывает резонанс другой пружины. Первый магнит, двигающийся внутри катушки, индуцирует электрический ток, который передается на вторую катушку, где приводится в движение второй магнит. Так как две пружины идентичны, то они совершают примерно одинаковое движение, поэтому частота электрического тока, движущего вторую пружину, является частотой резонатора.

На тот момент ему было 35 лет. Под удивленными взглядами ассистентов он зажег беспроводные лампы различной и сложной конструкции, сделанные из трубок, и пронес их по комнате. Он никогда не патентовал и не занимался коммерческим использованием этого изобретения — примитивных флуоресцентных ламп (которые появились на рынке как коммерческий товар только через 50 лет).

Презентация завершилась эффектным моментом: генератор на 20000 Гц испустил мощный импульс, который Тесла направил на свое тело, защищенное заземлением. Изобретатель рассчитал, что разряд должен быть равен 250000 вольт; для сравнения, на электрическом стуле Уильям Кеммлер испытывал на себе разряды около 2000 вольт. «Есть способ получить энергию не только в виде света, но и в виде энергии другого типа напрямую из окружающей среды»,— утверждал Тесла. Когда данное направление будет более развито и появится возможность напрямую пользоваться этой энергией из неисчерпаемого источника, человечество «сделает решающий шаг вперед».

О его лекции очень хорошо отзывалась пресса. Прогрессивный образ будущего с чистой, дешевой, естественной и безграничной энергией очень понравился журналистам и комментаторам. С самого начала Тесла беспокоился о дефиците энергетических ресурсов, который может со временем возникнуть, и говорил о необходимости исследовать новые источники энергии, известные сегодня как возобновляемые (солнце, ветер и геотермальные источники), — подобные идеи были приняты только спустя столетие. В этом смысле Теслу можно считать пионером развития экологической отрасли.

В те годы изобретатель собирал части головоломки, которые приближали его к исполнению цели. До конца не осознавая этого, в 1890-е годы он играл в кошки-мышки с историей науки, порой предвосхищая великие открытия того периода, порой приходя к финишу на секунду позже соперников. Чтобы хорошо понимать правильность выбранного им самостоятельно пути, нужно знать немного больше об одном из последних великих открытий XIX века — электромагнитных волнах.

Понятие волны — одна из самых интересных находок физики XIX века. Волна — распространение возмущения, вызванного какой-либо причиной (плотностью, давлением или электрическим и магнитным полями) в среде (воде, воздухе, металле или даже вакууме), предполагающее перемещение энергии без перемещения материи (см. рисунок 3). Материя не перемещается, но происходят ее колебания, передающиеся смежной материи, так что эффект распространения волны проходит некоторое расстояние. Простой пример для понимания волн — подземные толчки. Толчок представляет собой волны, передающиеся со скоростью 20000-30000 км/ч. Когда колебания от толчка ощущаются через несколько минут за пять тысяч километров от эпицентра, очевидно, что это не материя преодолела такое значительное расстояние, то есть колебание не принесло с собой никакой материи из эпицентра землетрясения.