Джон О'Нил - Гений, бьющий через край. Жизнь Николы Теслы
Разработанные Теслой высокочастотные трансформаторы работали просто замечательно. В них не применялось ни грамма железа, которое, как выяснилось, только мешало их работе. Они имели воздушный сердечник и состояли лишь из концентрических первичных и вторичных обмоток. С помощью этих трансформаторов, которые стали известны как трансформаторы Теслы, он смог получать очень высокое напряжение. В первых экспериментах он достигал потенциалов, пробивавших воздух пятисантиметровой искрой, но уже очень скоро он достиг огромного прогресса, и разряды получались уже в виде пламени. Работая с такими напряжениями, он столкнулся с трудностями с изоляцией своих аппаратов и разработал способ изолирования, который применяется теперь в высоковольтных устройствах во всем мире: устройство погружается в масло, в результате чего воздух из катушек полностью устраняется. Это изобретение имело огромное коммерческое значение.
Был, однако, определенный предел, выше которого использование роторных генераторов высокочастотных токов становилось непрактичным, поэтому Тесла приступил к конструированию генератора нового вида. В идее, которую он положил при этом в основу, не было ничего нового. В роторном генераторе ток вырабатывается при вращении провода, который последовательно перемещается через ряд магнитных полей. Того же эффекта можно добиться, если перемещать провод вперед-назад в колебательном движении в одном магнитном поле. Никто, однако, до тех пор не создал еще возвратно-поступательный генератор, Тесле же удалось создать его, причем весьма практичный для его конкретной цели. Но больше он нигде применяться не мог, и позднее Тесла пришел к выводу, что мог бы с гораздо большей пользой потратить потерянное на него время. Это была оригинальная одноцилиндровая машина без клапанов, способная приводиться в действие сжатым воздухом или паром и имевшая два окна, как у двухтактного судового двигателя. С обеих сторон к поршню присоединялся шток, проходивший сквозь головку цилиндра, а на каждом конце штока плашмя крепилась катушка, которая при возвратно-поступательном движении поршня совершала такое же движение в поле электромагнита. А магнитное поле своим смягчающим действием служило маховиком.
Тесле удалось добиться частоты в 20000 герц и такой замечательной стабильности в работе генератора, что он предложил поддерживать столь же постоянную частоту и в своей многофазной системе в 60 герц с синхронными двигателями, где с помощью редуктора она снижается до нужной величины, как в часах, показывающих правильное время при подключении к переменному току. Эта идея и легла в основание современных электронных часов. Как и во многих других случаях его практичных и полезных новаций, он не позаботился о патенте и не получил никакой финансовой выгоды из своего предложения.
*Работая над своей многофазной системой, Тесла хорошо понял ту роль, что играют в цепях переменного тока два таких фактора, как емкость и индуктивность: первую можно уподобить пружине, вторую бензобаку. Его расчеты показывали, что при токах достаточно высокой частоты можно получать резонанс при относительно небольших значениях индуктивности и емкости. Резонанс получается в колебательном электрическом контуре, а посредством получения резонанса производится электрическая настройка цепи. В качестве механического аналога электрическому резонансу можно привести постепенное раскачивание маятника, которое производится очень легкими ударами через равные по длительности промежутки времени, заставляющими его совершать все более широкие колебания; или разрушение моста марширующими по нему солдатами. Каждая легкая вибрация усиливает предыдущую, и процесс идет по нарастающей.
В колебательном электрическом контуре роль емкости играет конденсатор, а индуктивности — проволочная катушка. Обычно конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин (обкладок), отделенных друг от друга тонким диэлектриком. Каждая обкладка соединена с одним из концов катушки индуктивности. Емкость конденсатора и размер катушки определяются частотой тока. В электрическом контуре при протекании тока может возникнуть резонанс. Выглядит это так: ток течет в одну из обкладок конденсатора, пока не заполнит его емкость целиком, а затем плавно перетекает обратно в катушку, которая накапливает энергию в создаваемом ею магнитном поле. Таким образом вся энергия конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. Далее благодаря свойствам катушки энергия магнитного поля переходит в ток, который поступает в другую обкладку конденсатора и перезаряжает его. Процесс повторяется снова. Для создания резонанса нужно, чтобы частота питающего тока совпала с частотой колебаний в контуре. Каждый раз, когда это происходит, питающий ток дает добавочное напряжение, и амплитуда колебаний возрастает до весьма значительных величин.
Несколько лет спустя, рассуждая в своей лекции о колебательном электрическом контуре, Тесла сказал:
Первый вопрос, на который надо ответить, это возможность получения эффектов чистого резонанса. Теория и эксперимент показывают, что природа не допускает такой возможности, поскольку, чем сильнее становятся колебания, тем быстрее растут потери в самих вибрирующих телах и окружающей среде. В результате колебания неизбежно затухают, но без этих потерь они продолжали бы расти до бесконечности. К счастью, чистый резонанс недостижим, иначе трудно сказать, какая опасность может ждать невинного экспериментатора.
Но в какой-то степени резонанса все же можно добиться, но он будет ограничен проводимостью и упругостью среды, или, грубо говоря, потерями на трение. Чем меньше эти потери, тем больше резонанс.
Тесла приложил принципы электрического резонанса к своим катушкам и стал получать такой резонанс, что смог поднимать напряжение до очень высоких значений. Благодаря исследованию им в 1890 году принципов резонанса стало возможным современное радио и развитие его предшественника-«беспроводной связи». Он работал с этими принципами и демонстрировал их раньше тех, кого потом стали считать пионерами в изучении электричества.
Ища новый источник высокочастотных токов, более высоких, чем можно было получить с помощью механических аппаратов, Тесла воспользовался открытием, сделанным в 1856 году — в год его рождения — в Англии лордом Кельвином, которое дотоле не находило применения. До открытия Кельвина считалось, что при разряде конденсатора энергия перетекает с одной обкладки на другую, подобно воде, вытекающей из стакана, и в результате устанавливается равновесие. Кельвин же показал, что процесс, который при этом происходит, гораздо интереснее и сложнее и больше напоминает подпрыгивание растянутой пружины с грузом, когда ее отпускают. Энергия устремляется с одной обкладки на другую, затем обратно, и это продолжается до тех пор, пока весь накопленный заряд не израсходуется из-за потерь на преодоление сопротивления. Перетекание происходит с огромной частотой — в сотни миллионов герц — в сотни миллионов периодов в секунду.
Процессы в разряжающемся конденсаторе и резонансном контуре легли в основу нового направления в электротехнике, столь же важного, как и многофазная система Теслы. Он разработал удивительно простые способы автоматической зарядки конденсаторов низким напряжением (постоянного и переменного токов) и их разрядки через бессердечниковые трансформаторы, или трансформаторы Тесла, для получения токов очень высоких напряжений и чрезвычайно высоких частот. Свойства этих токов отличались от всего, что было тогда известно. И вновь Тесла был первооткрывателем совершенно новой области с самыми широкими возможностями. Он лихорадочно работал в своей лаборатории и, отправляясь ночью на свои пять часов отдыха, лишь два из которых отводил на сон, уже обдумывал новые эксперименты.
В 1890 году Тесла объявил о тепловом воздействии высокочастотных токов на организм и предложил использовать их в лечебных целях. Здесь он тоже был пионером, но скоро и в Америке, и в других странах у него появились подражатели, заявлявшие о своем приоритете в этой области. Он же не сделал ничего, чтобы защитить свое открытие и пресечь дальнейшие покушения на свои авторские права. Когда тридцатью пятью годами позже то же наблюдение было сделано в лабораториях, где в качестве источников токов высокой частоты использовались ламповые генераторы, это провозгласили новым открытием и причислили к современным чудесам науки. Однако первоначальное открытие Теслы составляет основу огромного ряда самых последних разработок в области электротехники с применением высокочастотных токов для получения тепла в промышленных целях.
На первой лекции на данную тему для Американского института инженеров-электриков в Колумбийском университете (Columbia College) в мае 1891 года он демонстрировал пятисантиметровые искровые разряды с потенциалом около 100000 вольт, но, что еще важнее, показывал такие явления, как огненная электрическая стена, а также несколько новых осветительных приборов — электрических ламп, подобных которым мир еще не видел и о которых, даже в самых диких своих фантазиях, не мечтал ни один экспериментатор.
