Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток

Следующую часть спектра занимают микроволны. Несмотря на название, они не так малы, как показывает приставка (10-⁶); их длина находится в диапазоне от 1 мм до 1 м. Микроволны достаточно длинные для распространения сигналов по воздуху, как и радиоволны, но, в отличие от радиоволн, их можно сконцентрировать в направленный пучок для безопасной и конфиденциальной передачи. В качестве примера возьмем радар, работающий на микроволнах: микроволны отражаются от твердых тел и возвращают передатчику эхо первоначального сигнала, то есть происходит возврат замедленной волны, оказавшей воздействие на тело. Для точной локализации объекта нужно знать скорость распространения волны в воздухе и время, необходимое микроволне для перемещения на расстояние от передатчика до тела, положение которого требуется определить, и возвращения к передатчику.

РИС. 6 Диаграмма электромагнитного спектра.

В средней зоне спектра находится самый известный тип электромагнитного излучения — свет или видимый спектр с длиной волны от 400 до 700 нанометров. Нанометр (нм) равен одной миллиардной части метра, то есть 10^{– 9} метра. Название «видимый свет» может сбивать с толку, потому что если это излучение человек и может видеть, то только потому, что его зрение эволюционировало, чтобы улавливать его. На самом деле многие животные могут видеть не только в этой части спектра. Змеи воспринимают менее энергетические виды излучения, например инфракрасное, длина волны которого — от 0, 7 до 1000 микрометров. С другой стороны, пчелы способны прекрасно видеть более энергетические виды излучения, такие как ультрафиолетовое: длина его волны — от 40 до 15 нанометров.

После диапазона волн, доступных для восприятия человеку и некоторым животным, находится диапазон волн с очень короткой длиной, несущих много энергии. В первую очередь, мы говорим о рентгеновских лучах с длиной волны, равной одной десятимиллионной части миллиметра, то есть одному ангстрему (А); это примерно размер атома. Рентгеновские лучи способны практически насквозь проходить через тело человека, мускулы, органы и так далее, не взаимодействуя с окружающим и не подвергаясь значительному ослаблению; при этом они поглощаются плотными тканями, такими как кости.

Далее следует диапазон гамма-лучей, длина волны которых не превышает размер протона. Это электромагнитное излучение имеет наименьшую длину волны, которую способно измерить определенное оборудование. Подобные лучи характеризуются очень мощной энергетической составляющей до такой степени, что важно контролировать их присутствие около человека, потому что они проникают глубоко в материю и наносят вред ядрам клеток. Возникающие в космосе гамма- лучи не доходят до поверхности Земли, но если, например, какая-нибудь звезда взорвется и превратится в сверхновую на расстоянии 25 000 световых лет от Земли, поток освобожденных гамма-лучей выведет из строя все телекоммуникационные системы нашей планеты (см. рисунок 6).

Космические лучи занимают крайнюю часть спектра, их длина волны самая короткая, а частота — самая высокая. Они являются высокоэнергетическими субчастицами, и их происхождение до сих пор спорно. При этом подтверждено наблюдениями, что Солнце испускает космические лучи, обладающие более низкой энергией. Большая часть таких лучей отклоняется магнитным полем Земли, и они не достигают поверхности планеты, однако это не означает, что их эффект не заметен. В ходе реакции с азотом в верхних слоях атмосферы они образуют углерод-14 — радиоактивный изотоп углерода, использующийся для датировки органических образцов. При отклонении магнитным полем от поверхности Земли лучи скапливаются на полюсах, где вызывают ионизацию атмосферы, которая, в свою очередь, является причиной невероятно зрелищных северных сияний.

КАТУШКА ТЕСЛЫ

Тесла был убежден в большом потенциале герцевых волн. Уже в те годы, когда он осмысливал понятие вращающегося магнитного поля (до экспериментов Герца), Тесла описывал Вселенную как «симфонию переменных токов» широкого спектра: его переменный ток в 60 Гц был нижней точкой, восходящая от которой линия достигала значений в тысячи миллионов герц. Изобретатель был уверен, что для понимания и освоения космоса необходимо глубоко изучить необъятную территорию электрических колебаний.

Благодаря триумфу, связанному с переменным током, в десятилетие блеска своего гения Тесла имел достаточно финансовых возможностей, чтобы целиком погрузиться в исследования, для которых ему требовалось доработать используемые им инструменты и прототипы. Чтобы добиться очень высоких значений мощности — порядка нескольких мегаватт, — он разработал знаменитую катушку, носящую его имя. Это высокочастотный резонансный трансформатор, быстро ставший незаменимым устройством во всех научных лабораториях, так как он позволяет усилить слабые волны простейшей цепи Герца и выдерживает токи практически любого напряжения.

Тесла разработал разные модели, испытывая много всяких конфигураций. Обычно катушки Теслы вырабатывают ток радиочастот очень высокого напряжения, и благодаря этому в воздухе можно увидеть потрясающе зрелищные электрические разряды, достигающие нескольких метров. С точки зрения современных технологий напряжение катушек Теслы совсем невелико, но в ту эпоху они намного превосходили имевшиеся в распоряжении источники высокого напряжения — электростатические машины.

КАТУШКА РУМКОРФА

Катушка Румкорфа состоит из двух обмоток с сердечником из мягкой стали (С): первичная (А) обмотка из толстой изолированной проволоки состоит из всего лишь нескольких десятков витков, вторичная (В) — из очень тонкой, покрытой хорошим изолятором проволоки, имеет сотни и даже тысячи витков. Для работы с постоянным током катушка сделана как электромагнит, использующий электрический контакт (Е), закрепленный на металлическом ярме (D); контакт расположен с торца сердечника. Е включен последовательно с А. Когда на обмотку А подается постоянный ток, сердечник притягивает ярмо D. Контакт Е размыкается, ток перестает проходить по А, сердечник перестает притягивать D. Тогда ток от источника постоянного тока (G) снова начинает проходить по А, и так процесс запускается много раз. Ток становится пульсирующим, действует как переменный и индуцирует пульсирующий ток в обмотке В. Напряжение этого тока может составлять несколько сотен или тысяч вольт и зависит от соотношения количества витков на двух обмотках. Далее это напряжение подается на два контакта разрядника (Н). Первичная катушка и подключенный к ней последовательно контакт образуют подобие осциллятора, генерирующего импульсы постоянного тока на частоте, зависящей от механических характеристик электрического контакта (ярма, его упругости и так далее), но всегда равной нескольким десяткам импульсов в секунду. Каждый раз при размыкании Е образуются искры, становящиеся со временем причиной износа, поэтому параллельно добавляют конденсатор (F), функция которого заключается в устранении этих искр.

 В первых устройствах использовался разрядник (по- английски spark-gap), состоящий из двух противопоставленных, как правило сферических электродов: между ними образовывался разряд при подаче на них напряжения, которое начинало превышать определенную величину электрической прочности воздуха, соответствующую расстоянию между электродами.

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.