Двустороннее движение электричества. Тесла. Переменный ток

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.

РИС. 3

Колебательное движение частицы, обладающей электрическим или магнитным зарядом, вызывает возмущение вокруг нее, то есть волну. Эта волна зависит от скорости, с которой движется частица, потому что она определяет амплитуду и расстояние между началом и концом волны.

В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором говорилось также о теории силовых линий Фарадея и доказывалось наличие неразрывных связей между этими двумя областями. На самом деле существует только одно поле, объединяющее электрические и магнитные явления, — электромагнитное. Из этого можно сделать несколько важнейших выводов: изменение интенсивности электрического тока вызывает электромагнитное возмущение, распространяющееся в виде волн. Переменное электрическое поле передает свое возмущение магнитному полю, которое, в свою очередь, индуцирует переменное электрическое поле: так, после многочисленных повторений, возмущение распространяется во всех направлениях. Электрические и магнитные волны продвигаются вперед шаг за шагом, перенося энергию, полученную у источника излучения. При появлении нового поля его можно расширить, уменьшить или каким-либо другим способом изменить — в зависимости от того, синхронизированы вершины и ложбины волны или накладываются на другие. Предполагалось наличие широкого спектра электромагнитных колебаний, различающихся по длине волны, то есть по расстоянию между вершинами волны, которые более точно называют «гребнями» (см. рисунок 4).

Максвелл смог рассчитать скорость распространения электромагнитных волн в вакууме и был поражен, обнаружив, что она равна 315300 км/с и совпадает со скоростью света (сейчас принятая величина — 299792 км/с), рассчитанной французским астрономом Ипполитом Физо (1819-1896) в 1849 году. Не могло быть и речи о совпадении. Это означало, что свет является электромагнитной волной, что объединяло оптику с электромагнетизмом. В ту эпоху понять такие вещи было очень трудно.

РИС. 4 Длина волны — это расстояние между двумя вершинами. Амплитуда — максимальное возмущение волны. Частота — количество повторений волны за единицу времени, то есть количество колебаний за секунду.

Эти невидимые волны дразнили исследователей: казалось невероятным, что волна может распространяться в вакууме без какой-либо материальной среды. Тогда ошибочно утверждалось, будто волны являются следствием распространения флюида. Сегодня мы знаем, что механические волны, такие как звук и сейсмическая активность, распространяются в упругой среде, твердой, жидкой и газообразной, но электромагнитным волнам для распространения среда не нужна — они могут распространяться в вакууме. При этом скорость распространения электромагнитных волн в действительности зависит от среды; в вакууме она равна скорости света.

Отец электромагнетизма преждевременно скончался в 1879 году в возрасте 48 лет, не увидев подтверждения своих теорий, хотя это подтверждение было получено довольно скоро — в 1885 году. Когда Герц исследовал длину волны, превышавшую длину волны света, ему удалось получить в лаборатории электромагнитные волны с характеристиками, предсказанными Максвеллом. Герц доказал, что они могут перемещаться со скоростью света даже в вакууме; свет на самом деле был электромагнитной волной. Для своих экспериментов он использовал осциллятор (аппарат, вызывавший периодические колебания электрического тока) и резонатор, улавливавший колебания и присоединявшийся к ним, то есть начинавший колебаться, следуя циклу. Он доказал, что энергия перемещается от одного аппарата к другому через пространство, и даже смог определить форму волны, устанавливая резонатор в разных точках лаборатории. Для эксперимента был использован переменный высокочастотный ток.

РИС. 5 Электрические и сопутствующие им магнитные волны создают электромагнитную волну и лежат в перпендикулярных областях; если электрические волны вертикальны, то магнитные будут горизонтальны. Обе плоскости продвигаются вместе, перенося энергию, полученную у источника излучения.