Svetovni brezžični sistem Nikole Tesle

Junija 1899 je znanstvenik srbskega rodu, Nikola Tesla, začne z eksperimentalnim delom v svojem laboratoriju v Colorado Springsu (ZDA). Teslin cilj je bil takrat praktična študija možnosti prenosa električne energije skozi naravno okolje.

Teslin laboratorij je postavljen na ogromni planoti, ki je na nadmorski višini dva tisoč metrov, območje na stotine kilometrov naokoli pa je znano po precej pogostih nevihtah z zelo močnimi strelami.

Tesla je dejal, da mu je s pomočjo natančno nastavljene naprave uspelo zaznati udare strele na razdalji sedemsto ali osemsto kilometrov od njegovega laboratorija. Včasih je na grmenje ob naslednji razelektritvi strele čakal skoraj celo uro, medtem ko je njegova naprava natančno določala razdaljo do mesta razelektritve in čas, po katerem bo zvok dosegel njegov laboratorij.

Znanstvenik je v želji po preučevanju električnih nihanj v zemeljski obli namestil sprejemni transformator tako, da je bilo njegovo primarno navitje ozemljeno z enim priključkom, drugi priključek pa je bil povezan s prevodnim zračnim priključkom, katerega višino je bilo mogoče nastaviti.

Sekundarno navitje transformatorja je povezano z občutljivo samoregulacijsko napravo. Nihanje v primarnem navitju je povzročilo pojav tokovnih impulzov v sekundarnem navitju, ki je poganjalo snemalnik.

Nekega dne je Tesla opazoval udare strele iz nevihte, ki je divjala v radiju manj kot 50 kilometrov od njegovega laboratorija, nato pa mu je s pomočjo naprave uspelo zabeležiti okoli 12.000 razelektritev strele v samo dveh urah!

Med opazovanji je bil znanstvenik sprva presenečen, da so strele, ki so udarile dlje od njegovega laboratorija, pogosto močneje vplivale na njegovo snemalno napravo kot tiste, ki so udarile bližje. Tesla je nedvoumno ugotovil, da razlika v jakosti razelektritev ni vzrok za razlike. Toda kaj potem?

Tretjega julija je Tesla odkril. Ko je tistega dne opazoval nevihto, je znanstvenik opazil, da nevihtni oblaki, ki so z veliko hitrostjo drveli iz njegovega laboratorija, povzročajo skoraj redne (ponavljajoče se v skoraj rednih intervalih) udarce strele. Začel je gledati svoj magnetofon.

Ko se je nevihta oddaljila od laboratorija, so tokovni impulzi v sprejemnem transformatorju sprva oslabili, nato pa so se spet povečali, prišel je vrh, nato minil in ga nadomestilo zmanjšanje intenzivnosti, potem pa je spet prišel vrh, nato spet zmanjšanje .

Ta razločen vzorec je opazil, tudi ko se je nevihta že premaknila približno 300 kilometrov od njegovega laboratorija, intenzivnost posledičnih motenj je ostala precejšnja.

Znanstvenik ni dvomil, da gre za valove, ki se širijo od mest udarca strele do tal, kot po navadni žici, in je opazoval njihove grebene in vdolbine prav v trenutkih, ko jih je zadelo mesto sprejemne tuljave.

Tesla se je nato lotil izdelave naprave, ki bi generirala podobne valove. To je moralo biti vezje z zelo visoko induktivnostjo in čim manjšim uporom.

Tovrsten oddajnik lahko prenaša energijo (in informacijo), vendar v bistvu ne tako, kot je to implementirano v napravah Hertz, torej ne preko elektromagnetno sevanje… To naj bi bili stoječi valovi, ki se širijo po zemlji kot prevodniku in skozi električno prevodno atmosfero.

Kot si je zamislil znanstvenik, je treba frekvenco v njegovem sistemu za prenos energije zmanjšati do te mere, da se minimizira emisija (!) energije v obliki elektromagnetni valovi.

Potem, če so izpolnjeni pogoji za resonanco, bo vezje lahko akumuliralo električno energijo številnih primarnih impulzov kot nihalo. In učinek na sprejemne postaje, uglašene na resonanco, bi bila harmonična nihanja, katerih intenzivnost bi načeloma lahko presegla po obsegu pojave naravne elektrike, ki jih je Tesla opazil med nevihtami v Koloradu.

Pri takšnem prenosu znanstvenik predvideva, da bo uporabil prevodne lastnosti naravnega medija, za razliko od Hertzove metode s sevanjem, kjer se veliko energije preprosto razprši in le zelo majhen del oddane energije doseže sprejemnik.

Če sinhronizirate Teslin sprejemnik z njegovim oddajnikom, potem lahko pridobivate energijo z izkoristkom do 99,5 % (Nikola Tesla, članki, str. 356), kot če bi prenašali tok po žici z nizkim uporom, čeprav v praksi prenos napajanje se pridobiva brezžično. Zemlja deluje kot edini prevodnik v takem sistemu. Tehnologija, verjame Tesla, omogoča izgradnjo svetovnega sistema za brezžični prenos električne energije.

Analogija, ki jo je Tesla dal v primerjavi svojega sistema s Hertzovim sistemom v smislu učinkovitosti prenosa energije (ali informacij), je naslednja.

Predstavljajte si, da je planet Zemlja gumijasta žoga, napolnjena z vodo. Oddajnik je batna črpalka, ki deluje na neki točki na površini krogle - voda se črpa iz krogle in se vanjo vrača z določeno frekvenco, vendar mora biti obdobje dovolj dolgo, da se krogla kot celota razširi in skrči pri to frekvenco.

Potem bodo senzorji tlaka na površini žoge (sprejemniki) obveščeni o premikih, ne glede na to, kako daleč od črpalke se nahajajo, in z enako intenzivnostjo.Če je frekvenca nekoliko višja, vendar ne zelo visoka, se bodo nihanja odbijala od nasprotne strani krogle in tvorila vozlišča in antinode, medtem ko če delo poteka v enem od sprejemnikov, se bo energija porabila, vendar njena prenos se bo izkazal za zelo varčnega ...

V Hertzovem sistemu, če nadaljujemo analogijo, se črpalka vrti z enormno frekvenco, odprtina, skozi katero se voda dovaja in vrača, pa je zelo majhna. Ogromen del energije se porabi v obliki infrardečih toplotnih valov, majhen del energije pa se prenese na kroglo, zato lahko sprejemniki opravijo zelo malo dela.

V praksi Tesla predlaga doseganje resonančnih pogojev v svetovnem brezžičnem sistemu na naslednji način. Oddajnik in sprejemnik sta navpično ozemljeni večobratni tuljavi z visoko površinsko prevodnostjo na sponkah, pritrjenih na njune zgornje vodnike.

Oddajnik se napaja iz primarnega navitja, ki vsebuje znatno manj ovojev kot sekundar in je v močni induktivni povezavi z dnom ozemljene večobratne sekundarne tuljave.

Izmenični tok v primarnem navitju dobimo s pomočjo kondenzatorja. Kondenzator se napolni z virom in izprazni skozi primarno navitje oddajnika. Frekvenca nihanja tako oblikovanega primarnega nihajnega kroga je enaka frekvenci prostih nihanj sekundarnega kroga, dolžina žice sekundarnega navitja od tal do sponke pa je enaka eni četrtini nihanja sekundarnega kroga. valovna dolžina nihanj, ki se širijo vzdolž nje.

Pod pogojem, da skoraj vsa lastna električna zmogljivost sekundarnega tokokroga pade na sponko, se na sponki dobi antinoda (vedno največje nihanje) napetosti in vozlišče (vedno nič) toka, in na ozemljitveni točki - antinoda toka in vozlišče napetosti.Sprejemnik ima podobno zasnovo kot oddajnik, z edino razliko, da je njegova glavna tuljava večobratna, kratka na dnu pa je sekundarni.

Z optimizacijo vezja sprejemnika je Tesla prišel do zaključka, da je za njegovo najučinkovitejše delovanje treba popraviti napetost iz sekundarnega navitja. Za to je znanstvenik razvil mehanski usmernik, ki omogoča ne le korekcijo napetosti, temveč tudi prenos energije na breme le v tistih trenutkih, ko je napetost sekundarnega navitja sprejemnega vezja blizu vrednosti amplitude.