Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток

В 1889 году, за четыре года до оглушительного успеха в Чикаго его устройств переменного тока, Никола Тесла посетил Всемирную выставку в Париже, на которой провел множество встреч с учеными и исследователями. Немецкий физик и инженер Генрих Рудольф Герц (1857-1894) доказал существование электромагнитных волн, о которых говорил Максвелл, и научное сообщество было взбудоражено этой новостью. Общение в Париже с коллегами и теми, кто познакомился с трудами Герца, подогрело интерес Теслы, и он не мог не приняться за глубокое изучение данной темы. Вернувшись в США, он хотел немедленно провести опыты по обнаружению, генерированию и использованию электромагнитных волн, но некоторые обстоятельства помешали его исследованиям.

Жизнь Теслы сильно изменилась с тех пор, как Томас Мартин представил его Роберту Андервуду Джонсону, директору журнала The Century Magazine, и тот ввел его в высший свет Нью-Йорка. Тесла всегда лелеял мечту попасть в хорошее общество и посещать салоны в европейском стиле. Особняк Джонсонов на престижной Лексингтон-авеню был местом встреч американской богемы, интеллектуалов, блестящих политиков, а также знаменитых гостей из Старого Света. Там бывали писатель Редьярд Киплинг, композитор Антонин Дворжак, будущий президент Теодор Рузвельт, суфражистка и меценат Энн Морган, дочь Джона Моргана, которая, как говорили, долгое время была влюблена в Теслу.

Тесла жил в отелях и там организовывал шумные праздники в ответ на приглашения, которые получал. С каждым годом он перебирался во все более роскошные места. При этом надо сказать, что он попал в кружок беззаботных миллионеров, позволявших себе любые роскошные причуды, как, например, банкеты в «Дельмонико», знаменитом американском элитном ресторане. Тесла понял, что богачей интересует его успех, и он вынужденно посещал их компании, охотясь за инвестициями. Дело в том, что с ноября 1890 года изобретатель был убежден: он создает будущее человечества; а денег, которые заплатил ему Вестингауз, на задуманные проекты не хватало.

Деятельность Теслы в это десятилетие была очень бурной и необыкновенно разнообразной. Кроме проведения опытов в разных областях, он (убежденный в том, что цель науки — совершенствование мира, а знания должны быть доступны людям) начал ездить по главным городам США и научным столицам Европы, чтобы рассказывать о своем взгляде на будущее. Также Тесла занимался трудоемкой подготовкой к Всемирной выставке в Чикаго, что мешало ему продвигаться вперед в исследованиях. Но все-таки основной проблемой был слишком широкий спектр исследований, так как изобретатель занимался одновременно несколькими областями, перескакивая от теории к теории, от одной возможности практического применения к другой, несмотря на советы коллег сконцентрироваться на чем-то одном.

К 1890 году Тесла работал над усовершенствованной лампой, которая должна была превзойти лампу накаливания Эдисона. Для этого он взял за основу трубку Гейслера, названную в честь изобретателя Генриха Гейслера (1814-1879) и представлявшую собой заполненную газом под низким давлением стеклянную трубку, которая начинала светиться, если внутри нее происходил разряд.

Первый вариант лампы накаливания Теслы (первую схему ему удалось запатентовать в июне 1891 года) состоял из стеклянной колбы (b), заполненной разреженным газом, с установленным внутри жестким электродом из углерода (е), подключенным к проводнику, обмотанному изоляцией (k). Шейка лампы состояла из двух частей — проводящего материала (m) и изолирующего материала (n), контактировавших с металлической пластинкой (o). Эта цилиндрическая шейка была заключена в корпус, включающий изолирующий цилиндр (p) с металлической оболочкой (s), который вместе с проводящим цилиндром шейки (m) образовывал конденсатор.

Новая лампа Теслы состояла из проводника, соединенного с приемником, заполненным инертным газом, таким как неон. Подсоединенная к генератору высокочастотного тока, она давала свет совершенно новой и особой природы. Ее свечение было гораздо интенсивнее, чем у обычной лампочки, при этом не происходило нагревания, что было очень важно, так как у ламп накаливания до 95 % энергии уходит в тепло. В первом образце использовалась углеродная нить, которую Тесла заменил на диск из того же материала, а затем убрал вообще. Последние прототипы создавали свет от фосфоресценции разреженного (менее плотного) газа, свет от них был очень ярким, а нить накаливания отсутствовала, они не нагревались. В действительности это были предшественники современных флуоресцентных ламп.

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.