Marcos Sanchez - Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток

Искра вылетает из разрядника с очень высоким напряжением, порядка нескольких тысяч вольт (хотя данная величина зависит от степени разведения электродов), поэтому для питания контура необходим источник с высоким напряжением. В эпоху, когда Тесла разрабатывал первые катушки, единственным имеющимся источником высокого напряжения была индукционная катушка Румкорфа — предшественница современных трансформаторов, генерирующая высокое напряжение и пульсирующий ток от исходного постоянного тока. Эту катушку придумал в 1851 году французский инженер немецкого происхождения Генрих Даниэль Румкорф (1803-1877), хотя тогда переменный ток практически не использовался.

Первая часть катушки Теслы состоит из обычных элементов катушки Румкорфа (см. рисунок 7). Питание идет от основного источника постоянного тока (G), а вторичная обмотка (S) подключена к двум конденсаторам высокого напряжения (С). Стойки разрядника (А В) располагаются параллельно катушке перед конденсаторами, а контакты разрядника — металлические шарики диаметром меньше 3 см (хотя Тесла использовал для разрядников разные материалы и формы). Конденсаторы состоят из подвижных пластин, опущенных в масло. Чем меньше пластины, тем больше генерируемая частота первых катушек (так как емкость конденсатора меньше). Пластинки, кроме того, помогают компенсировать высокую самоиндукцию вторичной обмотки, добавляя ей емкость. Также на разрядник установлены пластинки из слюды (М), чтобы с их помощью получить поток воздуха, который тушит электрическую дугу, когда уменьшается напряжение между электродами и разряд становится более резким.

РИС. 7 Схема катушки Теслы.

С этого места начинается то, что считается непосредственно катушкой Теслы. Конденсаторы катушки Румкорфа соединены с цепью из двух обмоток (р), разделенных разрядником (b) и разделителем из твердого каучука. Каждая из обмоток выполнена из 20 витков проволоки, покрытой изолятором из каучуковых трубок толщиной 3 мм. Напротив обмоток первичной цепи находится вторичная обмотка (s), значительно более длинная, чем другие. Она состоит из 300 витков металлической проволоки, покрытой шелком и обернутой каучуковой трубкой, а концы ее вставлены в стеклянные трубки. К ним подключены электроды (К), в последующих моделях замененные тороидом, который часто идентифицируют с катушкой Теслы (см. рисунок 8 на следующей странице).

В позднейших устройствах катушка Румкорфа не использовалась, питание шло от высокочастотных трансформаторов с применением нескольких конденсаторов из бутылочного стекла, погруженных в масло, чтобы избежать потерь от разрядов. В отличие от обычных трансформаторов, в которых увеличение напряжения ограничено соотношением количества витков на первичной и вторичной обмотках, в катушке Теслы напряжение пропорционально квадратному корню соотношения первичной и вторичной индуктивности в связи с применением электрического резонанса.

РИС. 8

Идея о том, что необходимо погрузить высоковольтную установку в масло для изоляции, быстро распространилась и стала универсальной системой изоляции для всех аппаратов высокого напряжения. Для уменьшения сопротивления обмоток, значение которого увеличивается вместе с частотой до такой степени, что может стать сильным ограничивающим фактором для высоких частот, Тесла использовал закрученные проводники с двумя отдельными изолированными проводами. Ему постоянно не хватало времени запатентовать свои аппараты и методы, так что и эта находка распространилась, не предоставив своему создателю никаких выгод, а через несколько лет уже другие люди стали ее продавать. Скрученный провод сегодня известен как литцендрат.

Тесла разработал несколько катушек: одни — большие для высокого напряжения, другие (новые конфигурации катушек) были сделаны специально для распространения токов и колебаний по окружающей среде от одной точки в пространстве до другой, находящейся далеко. Были и катушки, принимающие передаваемые сигналы. Использование катушек в качестве передающих и принимающих устройств стало отправной точкой для исследований возможности радиопередач. В начале 1890-х годов Тесла смог создать устройства для генерирования и улавливания радиоволн, хотя это достижение обычно связывают с именем Гульельмо Маркони (1874-1937).

Катушки Теслы для передачи сигнала на расстоянии стали прообразом первых беспроводных радиоаппаратов — искровых передатчиков. Искры, возникающие на электродах катушек Теслы, создают короткий импульс радиочастоты (РЧ) из-за самоколеблющегося разряда, который вызывается при накоплении заряда конденсатором. В искровых беспроводных передатчиках вторичная обмотка подключена к длинному проводу, подвешенному в воздухе и используемому как передающая антенна. Электрические характеристики (индуктивность и емкость) вторичной обмотки и антенны определяют частоту испускания сигнала искровым передатчиком.

Для приема сигнала Тесла применял схожую с передатчиком катушку, используя взаимоиндукцию. Электрическое поле, создаваемое катушкой-передатчиком, могло индуцировать ток в катушке-приемнике, находящейся на расстоянии. После улавливания сигнала вторичной обмоткой приемника он использовался как трансформатор напряжения для того, чтобы получить на выходе первичной обмотки меньшее напряжение и большую силу тока.

В результате этих экспериментов весной 1893 года Тесла представил детальный доклад о принципах радиосвязи в Институте Франклина в Филадельфии. Через некоторое время в Сент-Луисе, перед членами Национальной ассоциации электрического света, он провел первую экспериментальную демонстрацию системы радиосвязи — со всеми элементами, которые впоследствии использовали в усовершенствованных версиях другие изобретатели. Все это происходило за три года до экспериментов Маркони. Именно Тесла впервые описал основные компоненты радио. Это антенна, заземление, контур земля- воздух для настройки, установка для получения сигнала и еще одна — для передачи сигнала, которые должны были быть настроены на одну частоту, а также устройства для улавливания волн.

На рисунке А начинается заряд конденсатора С током высокого напряжения, подаваемым на цепь. Когда достигается напряжение пробоя на разряднике, происходит разряд конденсатора С через разрядник с образованием искры (см. рисунок В). Ток проходит по обмотке L и снова заряжает конденсатор С; даже при измененной полярности (см. рисунок С) цикл разряда повторяется, хотя моментальное напряжение при нем ниже. Так продолжается много раз, пока, после нескольких циклов с уменьшающейся амплитудой, не затухает импульс радиочастоты.