Никола Тесла - Статьи
Итак, обозначим поверхностный элемент, длина которого стремится к нулю, через dx, величина переносимого им заряда будет равна qdx = 220 dx электростатических единиц, а заряд на сфере Q = 3 700 000 электростатических единиц, отталкивающая сила, действующая на поверхностный элемент на расстоянии от центра сферы, будет равна Qq/x²dx. Интегрируя это выражение в пределах границ r и d и подставляя значения для Q и q, найдем силу, отталкивающую заряженную сторону ленты, по формуле
или 2,81093 килограмма. При скорости 100 футов, или 30 метров в секунду, работа равна 84,3279 кг·м/с, что эквивалентно 0,82691 киловатта. Следовательно, обе ленты будут совершать работу, требующую 1,65382 киловатта. Это на 33 процента меньше, чем гипотетическая электрическая работа установки, а поскольку энергия, переносимая лентами, должна быть по крайней мере равна электрической энергии, то кто-то с легкостью приходит к заключению, что съемные острия не забирают весь заряд полностью, как принято считать, и ток, вместо того чтобы иметь силу 0,00022 ампера, будет, соответственно, слабее, то есть сила тока составит 0,0001654 ампера. Но эта точка зрения несостоятельна, так как пределы рабочих параметров определяются физическими законами, а не дефектами устройства, которые к тому же можно с легкостью устранить. Несоответствие расчетной мощности лент и электрической активности установки тем более озадачивало, что обе эти величины не могут быть приведены в соответствие с помощью умозрительного эксплуатационного режима. Тем не менее я в конечном итоге согласился с тем, что заряд не может распределяться на ленте равномерно, но должен усиливаться по мере прохождения снизу вверх. Действительно, на такой эффект можно рассчитывать, несмотря на то что поверхностный заряд на изоляционном веществе малоподвижен.
Предположим, что лента покрыта масляной пленкой, подвергающейся воздействию нисходящего воздушного потока. Очевидным результатом будет постепенное утолщение слоя по мере приближения к верхней части. Подобным же образом электрический слой на ленте «утолщается» вследствие отталкивания, производимого терминалом, и происходит накопление заряда, из этого следует лишь то, что точное равновесие между механической и электрической энергией можно, при всех условиях, устанавливать автоматически (см. пояснение в конце статьи). Равенство этих двух величин является безусловным и неизбежным следствием закона сохранения энергии, при этом отличительное свойство этого процесса динамоэлектрического преобразования проявляется в том, что он осуществляется с высочайшим КПД, по всей видимости, без выделения тепла. Конечно, имеют место огромные потери в работе установки, но они не имеют отношения к самому процессу.
В приборе, предназначенном главным образом для научных исследований, коэффициент полезного действия имеет сравнительно небольшое значение, и я остановлюсь на этом единственно с целью показать, что при любом применении в качестве источника энергии генератор такого типа был бы безнадежно непригодным. Трение воздуха о ленты, движущиеся со скоростью 30 метров в секунду, потребляет 3,73 киловатта. С учетом отталкивания нагрузка на них составит 5,93 киловатта. При этих, изложенных вкратце, условиях эксплуатации коэффициент полезного действия ленточной передачи может составить 90 процентов, в двигателе — 85 процентов, так что расход энергии в электросети составит 7,75 киловатта. Полезная работа «распылителя» при напряжении 20 000 вольт потребует 1,324 киловатта, но, учитывая эффективность всей установки, следует, вероятно, допустить по крайней мере 1,6 киловатта. К тому же имеются диэлектрические, магнитные и радиационные потери, доводящие совокупные энергетические затраты, пожалуй, до 9,5 киловатта, в то время как выходная мощность составляет лишь 2,2 киловатта. Если этот приблизительный расчет достаточно близок к истине, суммарный коэффициент полезного действия всей установки 23 процента — это тот предел, какой можно ожидать от любого электростатического генератора такого типа.
Доказано, что при напряжении 5 000 000 вольт заряд на каждой сфере составляет 0,00145 кулона, но поскольку за секунду может проходить заряд величиной лишь 0,00022 кулона, потребуется 6,6 секунды для зарядки сфер до достижения максимально возможного потенциала. Я допускаю, что ток от распылителя поступает непрерывно, и он не является выпрямленным током, в противном случае отдача будет существенно меньше. Стримеры, исходящие от остроконечных электродов, считаются, по мнению многих, разновидностью коронного разряда, предполагающего незначительные потери энергии, но это суждение ошибочно. Это очень концентрированный разряд, к тому же настолько приближающийся по интенсивности к дуге, что иногда выделившаяся тепловая энергия накладывает ограничения на использование острий.
За неимением подробного описания невозможно точно определить рабочие характеристики этого сенсационного генератора, и фактические результаты могут отличаться от тех, на которые я указывал, но ненамного. Хотя выход энергии можно увеличить путем повышения напряжения на распылителе и большего количества разрядных и принимающих острий, существуют и ограничения. Совершенно очевидно, что такое хитроумное сооружение, каких бы крупных размеров оно ни было, представляется не более чем игрушкой по сравнению с промышленными установками, применяемыми для преобразования и передачи электрической энергии.
Ввиду этого, а также по причине низкого КПД его применение будет ограничиваться научными экспериментами, в которых практические результаты можно получить или путем применения слабого рабочего тока при высоком напряжении, или путем последовательных разрядов. Последний из названных способов представляется более перспективным, потому что при надлежащих условиях создается возможность разряжать сферы за промежуток времени, несравнимо более короткий, чем тот, который требуется на их зарядку, и это позволяет чрезвычайно увеличить интенсивность разрядов.
Любой прибор, работа которого зависит от статического электричества, перемещаемого движущейся лентой, подведет в сырую погоду, и, чтобы заставить его работать, необходимо иметь закрытое помещение, где воздушная среда должным образом кондиционирована. К тому же ленты имеют свойство разрушаться под воздействием озона, азотистой и азотной кислот, которые образуются при разрядах на остроконечных выступах.
Хотя в конструкцию и рабочие характеристики этого высоковольтного генератора не заложено ничего радикально нового, он тем не менее является определенным шагом вперед по сравнению с его предшественниками. Я, однако, считаю: то, что можно добиться с этим генератором благодаря преемственности исканий, может быть достигнуто, и даже с большим успехом, при использовании космических лучей. Более того, время, за которое заряженная частица перемещается от одного конца трубки до другого, столь коротко, что практически не имеет значения, является ток постоянным или переменным. Воспользовавшись последним, мы устраняем все ограничения в разности потенциалов и силы тока и, следовательно, интенсивности полезных эффектов, что и является основной целью.
Еще в 1899 году я проводил эксперименты при напряжении 18 000 000 вольт и в некоторых опытах я пропускал ток силой 1 100 ампер через воздух. Используя свои трансформаторы, беспрепятственно получал разность потенциалов 30 000 000 вольт или более того, а при теперешнем уровне развития технической мысли можно изготовить трубку или иное устройство, способное воспринимать весьма значительную энергию. Высказываю свое мнение не для того, чтобы дискредитировать электростатические генераторы, напротив, считаю, что когда появятся новые образцы и они будут в достаточной мере доработаны, их ожидает великое будущее.
На первый взгляд может показаться, что производительность такого генератора может быть удвоена путем использования свободной стороны ленты для удаления электричества с противоположным знаком. В этом случае отталкивание на одной стороне ленты будет уравновешиваться притяжением на другой, так что в идеале сферы могли бы заряжаться без энергетических затрат. Но это противоречит фундаментальным законам природы, и поэтому можно благополучно прийти к выводу, что такой проект нереален.
Статическое электричество можно в конечном счете приспособить для электропривода, и эта перспектива заманчива, принимая во внимание огромную выходную мощность такой машины при очень высоком напряжении. Генерирование с высоким КПД и управление энергией с такими характеристиками являются камнем преткновения в этой области. В качестве вызывающего интерес опыта можно выделить два блока описанного выше генератора и, таким образом, сымпровизировать электропривод. Это бы работало, но неэффективно.
