Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток
Шрифт:
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
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.
Тесла в своих идеях относительно радио шел не совсем по верному направлению. Для экспериментов он использовал те же принципы и то же оборудование, что и для беспроводной передачи электрической энергии. Он считал, что радио основано на проводимости, а не на излучении, и что передача и прием могут быть достигнуты при электрическом резонансе и емкостных разрядах. Изобретатель часто оказывался в плену более общих рассуждений из-за пристрастия к простоте, контрастировавшей с невероятной амбициозностью его проектов.
На самом деле изобретение радио невозможно приписать какому-то одному исследователю. Над вопросом одновременно работали несколько ученых, они проводили демонстрации своих результатов и получали патенты. В 1894 году, после демонстрации Теслы, но до Маркони, английский физик Оливер Лодж (1851-1940) стал первым человеком, передавшим телеграфный сигнал без проводов, используя герцевые волны, на расстояние 150 м. Лоджу удалось сделать передатчик и приемник: таким образом он передал сигнал с помощью азбуки Морзе между двумя зданиями в Оксфорде.
Два года спустя, в 1896-м, молодой Гульельмо Маркони представил в Лондоне беспроводной передатчик, аналогичный тому, который был у Лоджа. Аппарат включал заземление и антенну, с его помощью Маркони провел простейшие эксперименты в Болонье. Скоро он увидел, что его оборудование как две капли воды похоже на аппараты Теслы, представленные в 1893 году, — подробные данные о них были опубликованы на разных языках.
Затем, когда разгорелся конфликт относительно авторства изобретения, Маркони отрицал, что прочел статьи про систему Теслы. Однако на самом деле вряд ли он оставался в неведении, поскольку на лекции, прочитанной Теслой в Лондонском королевском обществе в 1892 году, присутствовал и инженер- электрик Уильям Генри Прис, который в тот момент как раз занимался проектом системы беспроводного телеграфа для британской почты, а затем стал работать и тесно общаться с Маркони. В своем убеждении, что знание должно служить человечеству, Тесла на лекции рассказал о своих последних экспериментах, которые включали также изобретение радио. Он ловко обошел некоторые моменты, но опытный инженер в данной сфере мог без особого труда заполнить лакуны.
Когда Маркони в 1901 году передал радиосигнал через Атлантику, букву S на азбуке Морзе, прошедшую путь с Новой земли (Канада) до Корнуолла (Соединенное Королевство), то для своего оборудования он использовал 14 патентов, зарегистрированных Теслой и включавших описание ключевых устройств для системы радиопередачи. Вопрос о том, кто первым придумал радио, годы спустя вновь заставил разгореться жаркие споры, но об этом мы поговорим далее.