| Головна » Статті » Фізика | [ Додати статтю ] |
Нікола Тесла. Вклад в електротехніку
|
Відомий югославський вчений-електрик і шаховий гросмейстер Мілан Відмір вдало назвав свого знаменитого земляка Ніколу Тесла «поетом електротехніки». Сам же Тесла вважав себе насамперед винахідником. Так, він був винахідником, але з великої букви, саме в тому розумінні, яке вкладав у поняття inventore Леонардо да Вінчі, і навряд чи після Фарадея хто-небудь зробив більше для становлення й розвитку всього того, що ми тепер називаємо електротехнікою, ніж людина, що народилася в хорватському селищі. Він був великим інженером, але прагнув стати ще і «надлюдиною» — запрограмовано творити наукові й технічні чудеса. Діяльність свою він будував винятково на раціональних принципах, у розквіті він назавжди видалився в замкнутий світ, куди з того часу нікого не допускав. Н.Тесла народився 10 липня 1856 р. у хорватському селищі Сміляни. Батько Ніколи був сільським священиком, писав вірші, філософські статті й друкував їх у місцевих газетах і журналах. Мати не вміла ні читати, ні писати, але була розумна та практична: змайструвала безліч пристосувань, що полегшили їй домашню працю. Нікола стверджував, що свої винахідницькі здібності він успадкував не від батька, який мав освіту, а від неписьменної матері. Закінчивши навчання, Н.Тесла їде до США, де був зарахований в лабораторію Едісона і його допускають до проектування. Він працював по вісімнадцять годин на день, включаючи неділі, і побачив, як можна поліпшити конструкцію едісоновських динамо-машин, збільшити їх КПД. Едісон схвалив його ідеї. Двадцять чотири типи динамо-машин спроектував для нього Тесла, зумів зменшити габарити магнітних сердечників, обладнав машини деякою автоматикою. Однак, Тесла не одержав ані цента – ні за винаходи, ні за сотні понаднормових – і заявив про звільнення. Це було навесні 1885 року. Зате він устиг придбати репутацію в електротехнічних колах, настільки добру, що група ділків вирішила організувати компанію під його керівництвом. Побачивши в цьому шанс здійснити, нарешті, систему на перемінному струмі, Тесла погодився. Він поділився з ділками своїми планами, і йому було заявлено, що перемінний струм нікого не цікавить. Усе, що потрібно від Тесли, - це розробити економічні дугові ліхтарі для освітлення вулиць і фабричних цехів. Ліхтарі він сконструював, налагодив їхнє виробництво, одержав на них кілька патентів. Технічно підприємство увінчалося успіхом, але слідом за тим, ділки витиснули Теслу з компанії. Знову він залишився без коштів і цілий рік пробавлявся лагодженням електричних апаратів, копав канави. Як тільки Тесла одержав стерпні умови для роботи, він прийнявся конструювати відразу цілу серію нових пристроїв. Були виготовлені три комплекти динамо-машин і електромоторів, до них автоматика — для однофазної, двохфазної та трифазної систем, проведені досліди з чотири- і шестифазними струмами, з різними сполученнями цих систем. Через кілька місяців Тесла передав свій двохфазний мотор у Корнельський університет для випробувань, а сам зайнявся загальною математичною теорією електроапаратури. Теорія вийшла універсальною, охопила широкий діапазон високих і низьких частот. А 12 жовтня 1887 року, через півроку після відкриття лабораторії і через п'ять з половиною років після того, як він додумався до принципу обертового магнітного поля, повірені Тесли подали на всі його винаходи єдину заявку. Експерти, однак, зажадали розбити її на сім окремих, оскільки винаходи були складними, важливими, буквально піднімали електричну цілину. Ще через півроку Тесла одержав сім патентів на одно- і багатофазні мотори, трансформатори, а також на розподільну систему. В квітні 1888 р. він одержав наступні п'ять патентів — на чотири- й трипроводні трифазні системи, потім ще вісімнадцять... У травні 1888 р. його запросили прочитати в Американському інституті інженерів-електриків лекцію про теоретичні передумови і практичне застосування перемінного струму в енергетиці. Як гігантська припливна хвиля, потік винаходів Тесли одним махом переніс тодішню енергетику в світ зовсім нових потужностей і масштабів. У едісоновських системах на постійному струмі, говорив Тесла, через складність трансформаторних перетворень немає рації піднімати напругу вище 220 В, практично ж воно вдвічі нижче і швидко падає в мережі. Щоб хоч частково компенсувати ці втрати, динамо-машини доводиться проектувати на 120 В замість стандартних 110 В, на які розраховані лампи. Як результат поблизу електростанції напруга підвищена, а вже за півмилі від неї — лише 90 В, і лампочки, що не дуже яскраво світили навіть при 110 В, при 90 В ледь жевріють. Великими також є теплові втрати в мережі: вони пропорційні квадрату сили струму, а струми при низьких напругах виходять великими... Таким чином, електростанція Едісона може обслуговувати район радіусом у милю, це її межа. Щоб освітити велике місто, у ньому потрібно побудувати десятки електростанцій. А як бути вдалині від великих міст? Залишити гасові лампи?Система Тесли звільняла електроенергетику від просторового пута. Пристрої, що працюють на перемінному струмі, явно простіші та зручніші в користуванні; напруга в них легко змінюється за допомогою елементарних трансформаторів. Підвищуючи її за методом Тесли до багатьох тисяч вольт і одночасно знижуючи силу струму, можна було практично необмежено збільшувати пропускну здатність ліній. Тесла уможливив дешеву передачу енергії на величезні відстані. Стало вигідним будувати електростанції поблизу вугільних шахт чи на великих ріках і звідти передавати енергію до місць споживання. Сам Тесла, занурений в експерименти і дослідження, не дуже замислювався в той час про комерційну сторону своїх винаходів. Він розумів, що організаційні справи змусять його відкласти дослідження; і вибрав те, що було йому до душі: експерименти, технічні пошуки — доти, поки його фінансують. Працюючи над багатофазною системою він вивчив досить широку область частот і помітив, що в міру їхнього збільшення устаткування стає все легшим, усе менше на нього потрібно заліза, і вирішив досліджувати такі частоти, при яких, як він вважав, можна буде обійтися взагалі без заліза в магнітному ланцюзі. В цій думці його впевнили роботи Максвелла й досліди Герца з метровими радіохвилями. Тесла впевнився, що цікаві відкриття чекають на нього на кожній сходинці частотної шкали, що, плавно підвищуючи частоту електричних коливань аж до світлового діапазону, він зрештою отримає світло прямим способом, набагато більш ефективним, ніж за допомогою ламп накалювання, де корисне випромінювання буквально тоне в тепловому. І він виготовив багатополюсні динамо-машини перемінного струму. 384-полюсна машина давала частоти до 10 тисяч герц, при яких електроенергія передавалася на великі відстані ще краще, ніж при 60 герцах. Такі струми було складно трансформувати, але він вирішив і цю задачу: сконструював високочастотні трансформатори без залізних сердечників, тільки з «повітряними», що складаються лише з концентричних первинної й вторинної обмоток. Згодом їх охрестили «котушками Тесли». В них збуджувалися коливання з частотою 150 кілогерц, напругою 7 млн вольт, що пробивали повітряний проміжок шириною два дюйми. І знайшов для високовольтних пристроїв надійну ізоляцію, що стала потім загальновживаною. Одночасно він розробив високочастотний генератор без обертових частин – зі зворотно-поступальним рухом поршня, що приводиться паром чи стисненим повітрям. Ця машина давала струм з недосяжною на звичайному генераторі стабільною частотою 20 тисяч герц, вона навела Теслу на серію нових експериментів, про які докладна розповідь попереду, на важливі, але небезпечні і, почасти, комічні експерименти з механічними коливаннями. А попутно – на ідею електрогодинників, яку, втім, ні розвивати, ні патентувати він не став, вважаючи її дрібницею. Гігантські напруги при високих частотах Тесла зумів одержати, доводячи електроколивання до резонансів, підбираючи для цього значення для основних параметрів контуру ємності й індуктивності, налаштовуючи контур. Досягнутий резонанс – значить кожна порція енергії, введена в ланцюг, підхльостує електровібрації, швидко підвищує амплітуду. А завчасно проведені розрахунки показали Теслі, що резонанси на високих частотах досягаються при невеликих емностях і індуктивностях. У лекціях, що озаглавлені «Експерименти з перемінними струмами високого потенціалу й високої частоти», Тесла описав, зокрема, свої винаходи, що тільки зараз майже століття по тому входять у життя, а деякі з них, наприклад, лампочки накалювання з одним живильним проводом, ще чекають своєї години. На своїх лекціях Тесла показував електромотори, до яких струм подавався теж по одному проводі, взагалі «бездротові» лампи й трубки, що світяться... А головним експонатом була чуттєва електронна лампа — прототип усіх сучасних. Винахідник пророчив тоді, що цей прилад дозволить приймати бездротові телеграфні повідомлення через Атлантичний океан. Публічна демонстрація багатофазної системи перемінного струму відбулася на Всесвітній виставці в Чикаго, влаштованої в 1893 р., з нагоди 400-річчя з дня відкриття Америки. Це була перша Всесвітня виставка з електричним освітленням, і архітектори постаралися скористатися новими можливостями для створення ефектної ілюмінації. Постачання всього освітлювального устаткування й енергопостачання виставки взяла на себе компанія Вестингауза, продемонструвавши до речі широкі можливості системи Тесли. Були там у Тесли й власні стенди. Один з його експонатів — металеве яйце, що крутиться. Воно лежало на невеликій круглій підставці, покритої оксамитом; Тесла клацав вимикачем, і яйце ставало «на попа», на загострений кінець, і починало стрімко обертатися. Публіці подобалося чудо, але навряд чи вона розуміла, що це просто ілюстрація принципу обертового магнітного полю, що збуджувалося багатофазними перемінними струмами. Показували також на виставці скляні трубки Тесли, ні до чого не підключені, які раптом загорялися «чарівним» образом.Але цвяхом програми був струм під напругою в мільйон вольт, що Тесла безбоязно пропускав крізь себе. Вісім років тому Едісон оголосив високовольтний перемінний струм смертельно небезпечним, тепер наступила година переможної відповіді Тесли Едісонові. Наступним його грандіозним досягненням стало приборкання Ніагарських водоспадів. Їхній енергетичний потенціал — від 4 до 9 млн кінських сил, і спочатку його планували використовувати механічно, прямо на місці, за допомогою водяних коліс. Однак незабаром стало очевидним, що набагато раціональніше перетворювати енергію в електричну за допомогою динамо-машин, що приводяться від водяних коліс, і розподіляти по прилеглих районах. Вона була потрібна великому промисловому містові Буффало, розташованому в 22 милях від водоспадів, її можна було б передавати навіть у Нью-Йорк... Повернувшись у березні 1893 р. з Європи, Тесла з головою занурився в досліди з бездротовими системами. Відпрацьовуючи принцип резонансного настроювання ланцюга, він зібрав більше сотні різних коливальних контурів, безліч вібраторів, конденсаторів і котушок. Він довів, що може змусити ту чи іншу котушку вибірково реагувати на визначену довжину хвилі, випромінюваної осцилятором, у той час як інші котушки будуть «мовчати», і що настроєні електричні котушки, подібно музичним струнам, вібрують у відповідь не тільки на основну ноту, але й на численні обертони. Цю властивість можна була використовувати в прийомних і передавальних антенах, хоча воно заважало настроюванню котушок. У липні 1894 р. в інтерв'ю видавцю журналу «Ворлд» Тесла заявив: «Ви вважаєте мене мрійником, але я впевнений у можливості передачі бездротових повідомлень по всій земній кулі. У такий же спосіб можна буде передавати й електроенергію». За зимові місяці він спроектував і побудував передавальну та приймальну станції: вони вже працювали на невеликих відстанях, у лабораторії й у межах міста. Вирішальний експеримент, що, можливо, дав би Теслі пріоритет у винаході радіо, був запланований на весну 1895 р., але 13 березня будинок, де знаходилася лабораторія Тесли, згорів. Згоріли прилади, устаткування, а головне — записи й щоденники винахідника. Біля року пішло в нього на обладнання нової лабораторії. Свої експерименти Тесла почав у 1889 р. і незабаром винайшов електронну лампу - попередницю сьогоднішніх радіоламп. У 1892 р. він уже демонстрував її в радіоустановці на лекціях у Лондоні та Парижі. Електрони ще не були відкриті, а Тесла вже описав їх природу, настільки чуттєвих, що дюймовий магніт відхиляв їхній потік, промінь, на відстань до шести футів. У Тесли не залишалося часу на технічну розробку, впровадження й комерційне використання винаходів. Ідей була багато. Експериментуючи з котушками, він змінював їхні розміри, форми, конструкції, від звичайних циліндричних перейшов до конічних і навіть до плоских, млинцевоподібних, і знайшов буквально розсип невідомих до того дуже цікавих ефектів. Тесла не винайшов ідею електричного резонансу, вона вже містилася в математичному описі конденсаторного розряду, опублікованому лордом Кельвіном, і відповідала фізичній природі перемінних струмів. Але Тесла перетворив її з «таємничої» математичної структури в блискучу фізичну реальність, уперше практично здійснив резонанс, підібравши потрібні ємності й індуктивності, розробив спосіб посилення резонансу за допомогою індуктивного з'єднання двох настроєних ланцюгів і, нарешті, одержав резонанс у ланцюзі, настроєного на чверть довжини хвилі джерела первинного струму. Це була геніальна знахідка! Якщо взяти чвертьволнову котушку й ввести її в резонанс, один кінець проводу залишиться електрично нейтральним, а з іншого посиплеться дощ мілліоновольтних іскор, начебто спокійні води Ніагари, досягши уступу, обрушилися в прірву. Чвертьхвильова котушка — це електричний аналог зубця камертона, звичайного годинного чи маятника вібруючого язичка музичного інструмента. Зараз електричний маятник здається простою річчю, але винайти його могла тільки людина, широко і науково мисляча, не емпірик, не ремісник, що лише випадково натрапляє на що-небудь варте. В 1912 р. зі Шведської академії прибуло повідомлення, що кандидатами на Нобелівську премію з фізики за 1912 р. висунуті Нікола Тесла й Томас А. Едісон. Однак премія так і не була їм вручена, її присудили згодом шведському вченому Нільсу Далену. «Теслою» названа одиниця магнітної індукції в Міжнародній системі одиниць. Література 1. 100 видатних учених світу. – М., 2004. 2. Нікола Тесла // Новини енергетики. – 2006. - №5. 3. О’Нейл Дж. Изобретатель и рационализатор». – М., 1999. | |
| Переглядів: 570 | |
| Всього коментарів: 0 | |