Струми високої частоти. Резонансний трансформатор. Чи безпечний електричний струм? Лекція Тесли про токах високої частоти.

За твердженням Тесли, рік, проведений ним у Пітсбурзі, був втрачений для дослідницьких робіт в області багатофазних струмів. Можливо, що це твердження близьке до істини, але можливо і те, що саме цей рік став початком подальших творчих успіхів винахідника. Дискусія з інженерами заводу Вестінгауз не пройшла безслідно. Обгрунтування запропонованої їм частоти змінного струму в 60 періодів вимагало більш ретельного аналізу економічної ефективності застосування як менших, так і більш високих частот. Наукова сумлінність Тесли не дозволяла йому залишити це питання без ретельної перевірки.

Повернувшись в 1889 році з Європи, він взявся за конструювання генератора змінного струму великої частоти і незабаром створив машину, статор якої складався з 348 магнітних полюсів. Цей генератор давав можливість отримувати змінний струм з частотою в 10 тисяч періодів в секунду (10 кГц). Незабаром йому вдалося створити і ще більш високочастотний генератор і розпочати вивчення різних явищ при частоті 20 тисяч періодів в секунду.

Дослідження показали, що в міру збільшення частоти змінного струму можна значно зменшити обсяг заліза в електромагнітних електродвигунах, а починаючи з певної частоти, можна створювати електромагніти, що складаються з одних тільки обмоток, взагалі без заліза в котушках. Двигуни, створені з таких електромагнітів без заліза, були б надзвичайно легкими, але в багатьох інших відносинах неекономічні, і зменшення витрат металу не окупалося б через значне збільшення споживання електроенергії.

Досліджуючи широкий діапазон частот змінного струму спочатку в межах, які могли б бути застосовані в багатофазної системі (25-200 періодів в секунду), Тесла незабаром перейшов до вивчення властивостей і можливостей практичного використання струмів підвищених (10-20 тисяч періодів в секунду) і високих (20-100 тисяч періодів в секунду) частот. Для отримання значно більшого числа періодів і значно більш високих напруг, ніж це могло бути досягнуто створеними ним генераторами струмів високої частоти, необхідно було знайти і спертися на інші принципи. Добре знайомий зі світовою літературою по електрофізики і електротехніці, Тесла вивчив роботу знаменитого американського фізика Джозефа Генрі, який висловив ще в 1842 році припущення, що при деяких електричних розрядах (в тому числі і розряді лейденської банки) є не тільки "головні розряди", але і зустрічні, причому кожний наступний дещо слабше попереднього. Так було вперше помічено існування затухаючого двостороннього електричного розряду.

Тесла знав і про те, що через одинадцять років після Генрі англійський фізик лорд Кельвін експериментально довів, що електричний розряд конденсатора є процес двосторонній, що триває до тих пір, поки енергія її буде витрачена на подолання опору середовища. Частота цього двостороннього процесу досягає 100 мільйонів коливань в секунду. Іскра між кульками розрядника, що здається однорідною, в дійсності складається з декількох мільйонів іскор, що проходять в короткий проміжок часу в обидві сторони.

Кельвін дав математичний вираз процесу двостороннього розряду конденсатора. Пізніше Феддерсон, Шиллер, Кірхгоф, Гельмгольц та інші дослідники не тільки перевірили правильність цього математичного виразу, а й значно доповнили теорію електричного розряду. Знаком був Тесла і з роботами Антона Обербанка, котрий спостерігав явище електричного резонансу, тобто процес різкого зростання амплітуди (розмаху) коливань при наближенні частоти зовнішнього коливання до частоті власні внутрішніх коливань системи.

Добре відомі були йому і досліди Герца і Лоджа, що займалися вивченням електромагнітних хвиль. Особливо велике враження на Теслу справили експерименти Генріха Герца, підтвердивши теоретичні припущення Джемса К. Максвелла про хвильову природу електромагнітних явищ. Треба зауважити, що в роботах Герца Тесла вперше знайшов вказівку на явище так званих "стоячих електромагнітних хвиль", тобто хвиль, що накладаються одна на іншу так, що вони в одних місцях підсилюють один одного, створюючи "пучности", а в інших зменшують до нуля, створюючи "вузли".

Знаючи все це, Нікола Тесла в 1891 році закінчив конструювання приладу, який відіграв виняткову роль у подальшому розвитку самих різних галузей електротехніки і особливо радіотехніки. Для створення струмів високої частоти і високої напруги він вирішив скористатися відомим властивістю резонансу, тобто явищем різкого зростання амплітуди власних коливань будь-якої системи (механічної або електричної) при накладенні на них зовнішніх коливань з тією ж частотою. На підставі цього відомого явища Тесла створив свій резонансний трансформатор.

Дія резонансного трансформатора засновано на налаштуванні в резонанс його первинного і вторинного контурів. Первинний контур, що містить як конденсатор, так і індукційну котушку, дозволяє отримати змінні струми дуже високої напруги з частотами в кілька мільйонів періодів в секунду. Іскра між кульками розрядника викликає швидкі зміни магнітного поля навколо первинної котушки вібратора. Ці зміни магнітного поля викликають виникнення відповідного високої напруги в обмотці вторинної котушки, що складається з великої кількості витків тонкого дроту, причому частота змінного струму в ній відповідно до кількості іскрових розрядів досягає декількох мільйонів змін в секунду.

Найбільшою величини частота сягає в момент, коли періоди первинної і вторинної ланцюга збігаються, тобто коли спостерігається явище резонансу в цих ланцюгах.

Тесла розробив дуже прості методи автоматичної зарядки конденсатора від джерела струму низької напруги і розрядки його через трансформатор з повітряним сердечником. Теоретичні розрахунки винахідника показали, що навіть при самих незначних величинах ємності і індукції в створеному ним резонансному трансформаторі при відповідній настройці можна отримати шляхом резонансу вельми високі напруги і частоти.

Відкриті їм в 1890 році принципи електричної настройки резонансного трансформатора і можливість змінювати ємність для зміни довжини хвилі електромагнітних коливань, створюваних трансформатором, стали одним з найбільш важливих підстав радіотехніки, а думки Тесли про величезну роль конденсатора і взагалі ємності і самоіндукції в розвитку електротехніки виправдалися.

При створенні резонансного трансформатора довелося вирішити ще одну практичну задачу: знайти ізоляцію для котушок надвисокої напруги. Тесла зайнявся питаннями теорії пробою ізоляції і на підставі цієї теорії знайшов найкращий спосіб ізолювати витки котушок - занурювати їх в парафиновое, лляне або мінеральне масло, зване тепер трансформаторних. Пізніше Тесла ще раз повернувся до розробки питань електричної ізоляції і зробив дуже важливі висновки зі своєї теорії.

Щойно розпочавши досліди з струмами високої частоти, Нікола Тесла ясно уявив собі величезні перспективи, що відкривалися перед людством при широкому використанні струмів високої частоти. Напрямок робіт Тесли свідчить про надзвичайно різнобічних висновках, які він зробив зі свого відкриття.

Перш за все, він прийшов до переконання, що електромагнітні хвилі грають виключно важливу роль в більшості явищ природи. Взаємодіючи один з одним, вони або посилюються, або послаблюються, або викликають нові явища, походження яких ми іноді приписуємо зовсім інших причин. Але не тільки електромагнітні випромінювання відіграють величезну роль в самих різних явищах природи. Тесла інтуїцією великого вченого зрозумів значення різних випромінювань ще до чудових відкриттів радіоактивних елементів. Коли пізніше, в 1896 році, Анрі Беккерель, а потім П'єр і Марія Кюрі відкрили це явище, Тесла знайшов в цьому підтвердження своїх передбачень, висловлених ним ще в 1890 році.

Величезне значення змінних струмів в розвитку промисловості, що отримала, нарешті, необхідний їй електродвигун, стало ясно Николе Теслі при першому ж знайомстві з перевагами трифазного струму, що вимагає для його передачі всього лише три дроти. Для Тесли вже в той час було безсумнівно, що повинен бути відкритий спосіб передачі електроенергії і зовсім без проводів, за допомогою електромагнітних хвиль. Ця проблема привернула увагу Тесли, стала предметом його занять ще в Наприкінці 1889.

Однак практичне застосування струмів високої частоти для найрізноманітніших цілей вимагало вивчення на перший погляд самих різних, не пов'язаних між собою питань. Ці експерименти в широкому масштабі і почав проводити в своїй лабораторії Нікола Тесла.

Почавши систематичні досліди з струмами високої частоти і високої напруги, Тесла мав перш за все розробити заходи захисту від небезпеки ураження електричним струмом. Ця приватна, допоміжна, але вельми важливе завдання привела його до відкриттів, що заклав основу електротерапії - великої області сучасної медицини.

Хід думок Ніколи Тесли був надзвичайно оригінальний. Відомо, міркував він, що постійний струм низької напруги (до 36 вольт) не робить шкідливих дій на людину. У міру підвищення напруги можливість ураження швидко зростає.

Зі збільшенням напруги, оскільки опір тіла людини практично незмінно, сила струму так само збільшується і досягає при 120 вольтах загрозливою величини. Більш висока напруга стає небезпечним для здоров'я і життя людей.

Інша річ струм змінний. Для нього межа небезпечної напруги значно вище, ніж для постійного, і ця межа відсувається з підвищенням частоти. Відомо, що електромагнітні хвилі дуже високої частоти не мають жодного хворобливого дії на людину ^10. Приклад тому світло, що сприймається при нормальній яскравості здоровим оком без всяких хворобливих відчуттів. У межах яких же частот і напруг змінний струм небезпечний? Де починається зона безпечного струму?

Крок за кроком досліджував Тесла дію змінного електричного струму на людину при різних частотах і напругах. Досліди він проводив на самому собі. Спочатку через пальці однієї руки, потім через обидві руки, нарешті, через все тіло пропускав він струми високої напруги і високої частоти. Дослідження показали, що дія електричного струму на людський організм складається з двох складових: дії струму на тканини і клітини нагріванням і безпосереднього впливу струму на нервові клітини.

Виявилося, що нагрівання далеко не завжди викликає руйнівні і хворобливі наслідки, а вплив струму на нервові клітини припиняється при частоті понад 700 періодів, аналогічно тому, як слух людини не реагує на коливання понад 2 тисяч в секунду, а очей - на коливання за межами видимих кольорів спектра.

Так була встановлена ​​безпека струмів високих частот навіть при високій напрузі. Більш того, теплові дії цих струмів могли бути використані в медицині, і це відкриття Ніколи Тесли знайшло широке застосування; діатермія, лікування УВЧ і інші методи електротерапії є прямий наслідок його досліджень. Тесла сам розробив ряд електротермічних апаратів і приладів для медицини, які набули великого поширення як в США, так і в Європі. Його відкриття було потім розвинене іншими видатними електриками і лікарями.

Одного разу, займаючись дослідами з струмами високої частоти і довівши напруга їх до 2 мільйонів вольт, Тесла випадково наблизив до апаратури мідний диск, пофарбований чорною фарбою. В ту ж мить густе чорне хмара огорнула диск і негайно піднялося вгору, а сам диск заблищав, немов чиясь невидима рука зішкребла всю фарбу і відполірувати його.

Здивований Тесла повторив досвід, і знову фарба зникла, а диск сяяв, піддражнюючи вченого. Повторивши десятки разів досліди з різними металами, Тесла зрозумів, що він відкрив спосіб їх очищення струмами високої частоти.

"Цікаво, - подумав він, - а не подіють ці струми і на шкіру людини, чи не вдасться з їх допомогою знімати з неї різні, важко піддаються видаленню фарби".

І цей досвід вдався. Шкіра руки, пофарбована фарбою, миттєво стала чистою, як тільки Тесла вніс її в полі струмів високої частоти. Виявилося, що цими струмами можна видаляти з шкіри обличчя дрібну висип, очищати пори, вбивати мікроби, завжди в достатку покривають поверхню тіла людини. Тесла вважав, що його лампи надають особливе благотворну дію не тільки на сітківку ока, а й на всю нервову систему людини. До того ж лампи Тесли викликають озонування повітря, що також може бути використано в лікуванні багатьох хвороб. Продовжуючи займатися електротерапією, Тесла в 1898 році зробив докладне повідомлення про свої роботи в цій галузі на черговому конгресі Американської Електротерапевтичне асоціації в Буффало.

У лабораторії Тесла пропускав через своє тіло струми напругою в 1 мільйон вольт при частоті 100 тисяч періодів в секунду (струм досягав при цьому величини в 0,8 ампера). Але, оперуючи з струмами високої частоти і високої напруги, Тесла був дуже обережний і вимагав від своїх помічників дотримання всіх їм самим вироблених правил безпеки. Так, при роботі з напругою в 110 50 тисяч вольт при частоті в 60-200 періодів він привчив їх працювати однією рукою, щоб запобігти можливості протікання струму через серце. Багато інших правила, вперше встановлені Теслой, міцно увійшли в сучасну техніку безпеки при роботі з високою напругою.

Створивши різноманітну апаратуру для виробництва дослідів, Тесла в своїй лабораторії почав дослідження великого кола питань, що відносяться до абсолютно нової галузі науки, в якій його найбільше цікавили можливості практичного використання струмів високої частоти і високої напруги. Роботи його охоплювали все різноманіття явищ, починаючи від питань генерування (створення) струмів високої частоти і закінчуючи детальним вивченням різних можливостей їх практичного використання. З кожним новим відкриттям виникали все нові і нові проблеми.

Як одна з приватних завдань Теслу зацікавила можливість використовувати відкриття Максвеллом і Герцем електромагнітної природи світла. У нього виникла думка: якщо світло являє собою електромагнітні коливання з певною довжиною хвилі, чи не можна штучно отримати його не шляхом нагрівання нитки електричної лампи розжарювання (що дає можливість використовувати лише 5 відсотків енергії, що перетворюється в світловий потік), а шляхом створення таких коливань, які викликали б появу світлових хвиль? Це завдання і стала предметом досліджень в лабораторії Тесли на початку 1890 року.

Незабаром він накопичив величезну кількість фактів, що дозволили перейти до узагальнень. Однак обережність Тесли змусила його перевіряти десятки і сотні разів кожне своє твердження. Він повторював сотні разів кожен досвід, перш ніж робив з нього будь-які висновки. Необичайность всіх відкриттів Ніколи Тесли і величезний авторитет його привернули увагу керівників Американського інституту електроінженерії, знову, як і три роки тому, запросили Теслу прочитати лекцію про свої роботи. Тесла обрав тему: "Досліди зі змінними струмами вельми високої частоти і їх використання для штучного освітлення".

За традицією, яка встановилася з перших років існування інституту, було розіслано обмежене число запрошень лише найвидатнішим електротехнікам. Перед такою обраної аудиторією 20 травня 1892 Тесла і прочитав одну зі своїх найбільш натхненних лекцій і продемонстрував досліди, вже здійснені ним в своїй лабораторії.

- Немає нічого, що в більшій мірі могло б привернути увагу людини і заслужило б бути предметом вивчення, ніж природа. Зрозуміти її величезний механізм, відкрити її творчі сили і пізнати закони, управляючі нею, - найбільша мета людського розуму, - цими словами розпочав Тесла свій виступ.

І ось він уже демонструє перед слухачами результати своїх досліджень в новій, ще ніким не вивченою області струмів високої частоти.

- Розсіювання електромагнітної енергії в просторі, що оточує джерело струмів високої частоти, дозволяє використовувати цю енергію для самих різних цілей, - переконано каже вчений і тут же показує чудовий досвід. Він висуває геніальне положення про можливість передачі електроенергії без проводів і в доказ змушує як звичайні лампи розжарювання, так і спеціально їм створені лампи без ниток всередині світитися, вносячи їх у змінне електромагнітне поле високої частоти. - Освітлення лампами подібного роду, - каже Тесла, - де світло виникає не під дією нагрівання ниток струмом, що протікає, а з причин особливих коливань молекул і атомів газу, буде простіше, ніж освітлення сучасними лампами розжарювання. Освітлення майбутнього, - підкреслював учений, - це освітлення струмами високої частоти.

Особливо докладно зупинився Тесла на описі свого резонансного трансформатора як джерела хвиль дуже високої частоти і знову підкреслив значення розряду конденсатора в створенні таких коливань. Тесла правильно оцінив велике майбутнє цієї найважливішої деталі сучасних радіотехнічних засобів. Він висловив цю думку такими словами:

- Я думаю, що розряд конденсатора буде в майбутньому відігравати важливу роль, так як він не тільки надасть можливість отримувати світло більш простим способом в тому сенсі, який вказує викладена мною теорія, але виявиться важливим і в багатьох інших відносинах.

Докладно виклавши результати експериментів з струмами високої частоти, які отримуються за допомогою резонансного трансформатора, Тесла завершив лекцію словами, свідчать про його ясному представленні значення подальшого вивчення явищ, над якими його роботи ледь привідкрили завісу таємниці:

- Ми проходимо з незбагненною швидкістю через нескінченний простір; все навколишнє нас знаходиться в русі, і енергія є всюди. Повинен знайтися більш прямий спосіб утилізувати цю енергію, ніж відомі в даний час. І коли світло вийде з навколишнього нас середовища і коли таким же чином без зусиль будуть виходити всі форми енергії з свого невичерпного джерела, людство піде вперед гігантськими кроками.

Одне споглядання цієї чудової перспективи піднімає наш дух, зміцнює нашу надію і наповнює наші серця великою радістю.

Під бурхливі оплески Тесла закінчив своє чудове виступ. Необичайность всього показаного і особливо сміливі висновки вченого, який бачив революційні наслідки своїх відкриттів, вразили слухачів, хоча далеко не всі зрозуміли зміст лекції так глибоко, як того хотілося б Миколі Теслі.