Ян Шнейберг - История выдающихся открытий и изобретений (электротехника, электроэнергетика, радиоэлектроника)
Открытие «эффекта Эдисона» послужило толчком к созданию первых двух и трехэлектродных ламп – диода и триода, сыгравших важную роль в развитии радиотехники и не случайно называвшихся «радиолампами».
В 1904 г. английский физик и радиотехник Д.А. Флеминг (1849-1945) – член Лондонского королевского общества, изобрел первую электронную двухэлектродную лампу – диод. Он предложил его использовать для выпрямления переменного тока: металлическая нить, накаленная током от гальванической батареи, – катод – испускала электроны, устремлявшиеся к положительно заряженной металлической пластинке — аноду. В лампе возникал электрический ток, и этот прибор оказался весьма чувствительным детектором. Как указывалось в одной монографии, «диоду Флеминга, благодаря ряду последующих конструктивных усовершенствований, предстояла долгая жизнь в радиотехнике».
Рис. 9.3. Триод Ли де Фореста, как усилитель сигналов
Спустя три года, в 1907 г., американский радиотехник Ли де Форест (1873-1961), проведя множество экспериментов с вакуумными лампами, создал новый прибор – трехэлектродную лампу, поместив между анодом и катодом третий электрод, названный им «сеткой». Эта проволочная металлическая сетка располагалась ближе к катоду и управляла потоком электронов: при отрицательном потенциале на сетке она уменьшала поток электронов, а при положительном потенциале усиливала электронный поток, т.е. текущий через лампу анодный ток возрастал. Ли де Форест назвал свою лампу «аудионом», позднее она стала называться триодом. Лампа могла усиливать электрический сигнал, и с этой целью она устанавливалась в линиях связи через определенные расстояния и обеспечивала необходимую дальность связи (рис. 9.3).
У истоков техники СВЧ
Когда знакомишься только с частью опубликованных трудов Н. Теслы[*К сожалению, как недавно было установлено, в Национальном музее Н. Теслы в Белграде, где хранятся его ценнейшие рукописи и документы, а также модели созданных им машин и аппаратов, тысячи страниц его рукописей по разным причинам еще не изучены.], получившим более 800 патентов на изобретения в области электротехники, радиотехники и телемеханики, невольно поражаешься тому, как одному человеку удалось сделать столько открытий, большая часть которых до сих пор служит человечеству. Невольно вспоминаются строки одного сербского поэта, что «в голове Теслы исполинских мыслей рой»! Никола Тесла стоял и у истоков техники СВЧ.
Создание резонанс-трансформатора
Работая над созданием электрических машин, ученый впервые обратил внимание на особенности переменного тока высоких частот, и в 1889 г. построил первый высокочастотный генератор, дающий ток частотой 1000 периодов в секунду, а вскоре – еще более мощный – с частотой 20 тыс. периодов. Н. Тесла установил, что при дальнейшем увеличении частоты ухудшаются характеристики машин и пришел к выводу о необходимости изыскания немашинного способа генерирования высоких частот.
Ученому было известно, что еще в 1842 г. выдающийся американский физик Дж. Генри обнаружил колебательный характер электрических разрядов конденсатора, он знал и о катушке Румкорфа, и о первых простейших трансформаторах. С огромным интересом он следил за сенсационными исследованиями Г. Герца, доказавшего возможность получения электромагнитных волн, не оставил без внимания и появившиеся публикации о резонансных явлениях в электрических цепях.
Анализ всех этих открытий подсказал Н. Тесле удивительно перспективную идею: соединить в одном приборе свойства трансформатора и явление резонанса. И в 1891 г. он создает свой знаменитый резонанс-трансформатор, сыгравший огромную роль в развитии различных отраслей электротехники и радиотехники и широко известный по названием «трансформатор Теслы». Между прочим, с легкой руки французских электриков и радистов этот трансформатор стал называться просто «Тесла».
В приборе Н. Теслы (рис. 9.4, а) первичная обмотка L1 (настроенная в резонанс со вторичной L2) была включена через разрядник В с индукционной катушкой J, батареей лейденских банок и конденсаторами C1 и С2 . При разряде изменение магнитного поля в первичной цепи вызывало во вторичной обмотке L2 , состоящей из большого числа витков, ток весьма большого напряжения и частоты. Изменяя емкость конденсаторов, можно было получить электромагнитные колебания с различной длиной волны.
О)
б)
Рис. 9.4. Резонанс-трансформатор Теслы
При проведении экспериментов ученый столкнулся с проблемой надежности изоляции катушек при сверхвысоких напряжениях и предложил погружать витки катушек в льняное масло (на рис. 9.4, б видна ванночка с маслом), которое позднее стали называть трансформаторным.
Н. Тесла предложил использовать резонанс-трансформатор для возбуждения проводника-излучателя, поднятого высоко над землей и способного передавать энергии высокой частоты без проводов. Очевидно, что излучатель ученого был первой антенной, нашедшей вскоре широчайшее применение в радиосвязи.
Говоря о практическом использовании высокочастотных колебаний, Н. Тесла в своей лекции «О световых и других высокочастотных явлениях», прочитанной им в 1893 г. во Франк- линовском институте в Филадельфии, утверждал: «Я хотел бы сказать… о предмете, который все время у меня на уме и который затрагивает благосостояние даже всех нас. Я имею в виду передачу осмысленных сигналов и, может быть, даже энергии на любое расстояние вовсе без помощи проводов. С каждым днем я все более убеждаюсь в практической осуществимости этой схемы… Мое убеждение установилось так прочно, что я рассматриваю этот проект передачи энергии или сигналов без проводов уже не просто как теоретическую возможность, а как серьезную проблему электротехники, которая должна быть решена со дня на день».
Н. Тесле принадлежит заслуга и в создании первых газосветных ламп, которым он предрекал большое будущее. Проводя эксперименты с высокочастотными колебаниями, Тесла пришел к выводу о возможностях их практического использования.
Можно понять восторженный прием, оказанный Н. Тесле во время его выступлений и демонстраций удивительных для того времени явлений в различных городах Америки и Европы. В феврале 1892 г., будучи в Лондоне, Н. Тесла был приглашен в зал Королевского общества, где он был удостоен высочайшей чести: его усадили в кресло Фарадея и налили в бокал виски из бутылки, которую в свое время не допил Фарадей. Со времени смерти выдающегося английского физика ни одному из ученых не оказывали таких почестей.
Работая с высокочастотным источником напряжения, Тесла положил начало использованию СВЧ в медицине – диатермии и аппаратам УВЧ, им было разработано несколько типов медицинских аппаратов. В 1898 г. он с успехом выступил с докладом на Конгрессе американской электротерапевтиче- ской ассоциации.
Ранее мы уже писали о докладе Теслы в 1893 г. в Филадельфии «О световых и других высокочастотных явлениях», в которых он впервые указал на возможность практического использования высокочастотных колебаний «для передачи энергии или сигналов без проводов». В 1900 г. Тесла начал строительство уникальной мощной радиостанции «для всемирной передачи электроэнергии». Проект, названный, мировой системой, предусматривал сооружение гигантской каркасной 47-метровой башни. Он опубликовал в одном из известных журналов Америки «Манифест Николы Теслы», в котором надеялся на материальную помощь и кредиты банкиров, предлагал всем, кто будет использовать его изобретения, техническую помощь и подчеркивал: «Ближайшее будущее, в этом я уверен, станет свидетелем революционного переворота в производстве, превращении и передаче энергии, в области транспорта, освещения, телеграфа, телефона и других областях промышленности и искусства. По моему мнению, эти успехи должны будут последовать в силу всеобщего принятия токов высокого напряжения и высокой частоты и новых регенеративных процессов охлаждения при очень низких температурах…».
К сожалению, создание «Мировой системы» реализовать не удалось, монтаж электрооборудования задерживался из-за недостатка средств, и после начала Первой мировой войны все работы были прекращены, а башню во избежание использования ее в целях шпионажа пришлось взорвать.
Статью Теслы о передаче электроэнергии без проводов с большим интересом встретили электротехники разных стран.
Один из русских электротехников писал в 1905 г. в журнале «Электричество»: «Быть может, мысли Теслы – утопия, но это утопия гениальная». Как мы уже указывали в предыдущих главах, многое из того, о чем мечтал Тесла, свершилось в наши дни, но ряд его поистине фантастических идей пока реализовать не удалось.
