Nikola Teslas World Wireless System
I juni 1899, en vetenskapsman av serbiskt ursprung, Nikola Tesla, börjar experimentellt arbete i sitt laboratorium i Colorado Springs (USA). Teslas mål vid den tiden var en praktisk studie av möjligheten att överföra elektrisk energi genom den naturliga miljön.
Teslas laboratorium är uppfört på en enorm platå, som ligger på en höjd av tvåtusen meter över havet, och området för hundratals kilometer runt är känt för ganska frekventa åskväder med mycket starka blixtar.
Tesla sa att han med hjälp av en finjusterad enhet kunde upptäcka blixtnedslag som inträffade på ett avstånd av sju eller åttahundra kilometer från hans laboratorium. Ibland väntade han nästan en timme på ljudet av åska från nästa blixtladdning, medan hans apparat exakt bestämde avståndet till där urladdningen hade inträffat, samt den tid efter vilken ljudet skulle nå hans laboratorium.
Forskaren ville studera elektriska vibrationer i världen och installerade den mottagande transformatorn så att dess primärlindning jordades med en av dess terminaler, medan dess andra terminal var ansluten till en ledande luftterminal, vars höjd kunde justeras.
Transformatorns sekundärlindning är ansluten till en känslig självreglerande anordning. Oscillationer i primärlindningen gjorde att strömpulser uppstod i sekundärlindningen, som i sin tur drev inspelaren.
En dag observerade Tesla blixtar från ett åskväder som rasade inom en radie av mindre än 50 kilometer från hans laboratorium, och sedan lyckades han med hjälp av sin enhet registrera cirka 12 000 blixtarladdningar på bara två timmar!
Under observationerna blev forskaren till en början förvånad över att blixtnedslag längre bort från hans laboratorium ofta hade en starkare inverkan på hans inspelningsenhet än de som träffade närmare. Tesla slog otvetydigt fast att skillnaden i styrka på utsläppen inte var orsaken till skillnaderna. Men vad då?
Den tredje juli gjorde Tesla sin upptäckt. När han observerade ett åskväder den dagen, noterade forskaren att stormmolnen som rusade i hög hastighet från hans laboratorium genererade nästan regelbundna (återkommande med nästan jämna mellanrum) blixtnedslag. Han började titta på sin bandspelare.
När åskvädret flyttade bort från laboratoriet försvagades strömpulserna i den mottagande transformatorn till en början, men ökade sedan igen, en topp kom, sedan passerade och ersattes av en minskning av intensiteten, men sedan kom en topp igen, sedan en minskning igen .
Han observerade detta distinkta mönster även när åskvädret redan hade flyttat sig cirka 300 kilometer från hans laboratorium, intensiteten av de resulterande störningarna förblev ganska betydande.
Forskaren tvivlade inte på att det var vågor som spred sig från de platser där blixten slog ner till marken, som längs en vanlig tråd, och han observerade deras toppar och dalar i just de ögonblick då platsen för mottagningsspolen träffade dem.
Tesla började sedan bygga en enhet som skulle generera liknande vågor. Det måste vara en krets med mycket hög induktans och så lite motstånd som möjligt.
En sändare av detta slag kan sända energi (och information), men i huvudsak inte på samma sätt som implementeras i Hertz-enheter, det vill säga inte genom elektromagnetisk strålning… Dessa är tänkta att vara stående vågor som fortplantar sig längs jorden som en ledare och genom en elektriskt ledande atmosfär.
Som vetenskapsmannen tänkt, måste frekvensen i hans energiöverföringssystem reduceras till en sådan grad att utsläppet (!) av energi i formen minimeras elektromagnetiska vågor.
Sedan, om villkoren för resonans är uppfyllda, kommer kretsen att kunna ackumulera den elektriska energin från många primärpulser som en pendel. Och effekten på mottagningsstationer som är inställda på resonans skulle vara harmoniska svängningar, vars intensitet i princip skulle kunna överstiga de naturliga elektricitetsfenomen som Tesla observerade under åskväder i Colorado.
Med en sådan överföring antar forskaren att han kommer att använda det naturliga mediets ledningsegenskaper, till skillnad från Hertz metod med strålning, där mycket energi helt enkelt försvinner och endast en mycket liten del av den överförda energin når mottagaren.
Om du synkroniserar Teslas mottagare med hans sändare, kan energi erhållas med en verkningsgrad på upp till 99,5% (Nikola Tesla, artiklar, s. 356), som om man överför ström genom en tråd med lågt motstånd, även om överföringen i praktiken ström erhålls trådlöst. Jorden fungerar som den enda ledaren i ett sådant system. Tekniken, menar Tesla, gör det möjligt att bygga ett världsomspännande system för trådlös överföring av elektrisk energi.
Analogin som Tesla gav för att kontrastera sitt system till det Hertziska systemet när det gäller effektiviteten av energi (eller information) överföring är detta.
Föreställ dig att planeten Jorden är en gummiboll fylld med vatten. Sändaren är en fram- och återgående pump som arbetar någon gång på bollens yta — vatten dras från bollen och återförs till den med en viss frekvens, men perioden måste vara tillräckligt lång för att bollen som helhet ska expandera och dra ihop sig vid den frekvensen.
Då kommer trycksensorerna på kulans yta (mottagarna) att informeras om rörelser, oavsett hur långt från pumpen de är placerade, och med samma intensitet.Om frekvensen är något högre, men inte särskilt hög, kommer svängningarna att reflekteras från bollens motsatta sida och bilda noder och antinoder, medan om arbete utförs i en av mottagarna, kommer energin att förbrukas, men dess överföring kommer att visa sig vara mycket ekonomisk...
I det hertziska systemet, om vi fortsätter analogin, roterar pumpen med en enorm frekvens, och öppningen genom vilken vattnet införs och återförs är mycket liten. En kolossal del av energin spenderas i form av infraröda värmeböljor, och en liten del av energin överförs till bollen, så mottagarna kan göra väldigt lite arbete.
I praktiken föreslår Tesla att uppnå resonansförhållanden i världens trådlösa system enligt följande. Sändaren och mottagaren är vertikalt jordade flervarvsspolar med hög ytkonduktivitet vid terminalerna som är anslutna till deras övre ledningar.
Sändaren drivs av en primärlindning, som innehåller betydligt färre varv än den sekundära, och är i stark induktiv anslutning till botten av en jordad flervarvs sekundärspole.
Växelströmmen i primärlindningen erhålls med hjälp av en kondensator. Kondensatorn laddas av källan och laddas ur genom sändarens primärlindning. Svängningsfrekvensen för den primära oscillerande kretsen som sålunda bildas görs lika med frekvensen för fria svängningar i sekundärkretsen, och längden på ledningen för sekundärlindningen från marken till terminalen görs lika med en fjärdedel av våglängden för de svängningar som utbreder sig längs den.
Förutsatt att nästan all den självelektriska kapaciteten hos sekundärkretsen faller på terminalen, är det vid terminalen som antinoden (alltid maximalt sväng) för spänningen och noden (alltid noll) för strömmen erhålls, och vid jordpunkten - antinoden för strömmen och noden för spänningen. Mottagaren har en liknande design som sändaren, med den enda skillnaden att dess huvudspole är multi-turn, och den korta längst ner är en sekundär.
Genom att optimera mottagarkretsen kom Tesla till slutsatsen att spänningen från sekundärlindningen måste korrigeras för dess mest effektiva drift. För detta utvecklade forskaren en mekanisk likriktare, som gör det möjligt att inte bara korrigera spänningen, utan också överföra energi till belastningen endast i de ögonblick då spänningen i den sekundära lindningen av den mottagande kretsen är nära amplitudvärdet.