ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОСТЬ ОДНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА Н. ТЕСЛА

Полный текст

Введение Уже более века жизнь человечества, во всех своих проявлениях, буквально «пронизана» электричеством… От сложнейших электронно-вычислительных устройств, разнообразных средств связи, промышленной автоматики до кухонных и осветительных приборов. От электрогенераторов на электростанциях различных типов, систем передачи электрической энергии до электромоторов в заводских цехах, электромобилях, электроскутерах, электросамокатах и т.д. В настоящее время подобное перечисление может быть невероятно длинным. Но если мы проследим генезис наиболее употребительных устройств, то наверняка обнаружим, что у их истоков, как правило, стоял один и тот же человек - Никола Тесла. Как отмечается в [1], Тесла «…сделал более 800 изобретений и предопределил сотни важных открытий. Трудно перечислить заслуги Теслы перед наукой. Он создал первый в мире электродвигатель многофазного переменного тока, высокочастотный трансформатор, свою систему передачи сигналов с помощью электромагнитных волн, построил первое управляемое по радио судно и многое, многое другое» [1. С. 3]. Говоря о «многом», перечисление можно продолжить словами [2]: «Спектр научных открытий и предвидений Теслы огромен, среди них упомянем лишь генераторы, моторы, трансформаторы и сети переменного тока, гидроэнергетику, дисковые турбины и центробежный насос, передачу сигналов без проводов (радио), в том числе и многоканальную связь, телевидение, беспроводное управление движущимися объектами, радионавигацию и радиолокацию, роботронику, исследование гамма-лучей и направленных потоков заряженных частиц, космическую связь…» [2]. «Следы» Тесла, его первенство, причастность зачастую обнаруживаются в совершенно неожиданных областях. Так, например, в одном из исследований на стеклянную колбу был нанесен фосфоресцирующий состав, благодаря чему Тесла наблюдал на нем увеличенное изображение находящегося в центре колбы раскаленного шарика. Спустя более пятидесяти лет на основе этого явления «…был построен прибор для изучения электронной эмиссии, что в свою очередь, стало исходным моментом для создания электронного микроскопа» [1. С. 108]. Мало кому известна роль Теслы в создании электронного микроскопа, так же как, например, его первенство в открытии рентгеновских лучей еще до того, как в конце 1895 года В. Рентген обнаружил эти лучи. С 1887 года Тесла начал проводить опыты с неизвестным науке излучением. В ходе изучения свечения вакуумных трубок он обнаружил, что кроме видимого света существует еще два вида излучений, которые впоследствии были названы ультрафиолетовым и рентгеновским. Ввиду занятости Тесла не закончил эти исследования и вернулся к этому вопросу только после опубликования статьи Рентгена в начале 1896 года [3]. Много экспериментируя с этими лучами, Тесла предложил использовать их для изучения предметов, невидимых глазом, а также в медицине для обнаружения и лечения опухолей и воспалений. В ряде статей он подробно рассмотрел возможное будущее использования рентгеновских лучей и технику работы с ними, а также правила техники безопасности при обращении с трубками Рентгена и Ленарда [1]. После лекции «Новая система двигателей переменного тока и трансформаторов», прочитанной 16 мая 1888 года видный американский конструктор электрических машин Б.А. Беренд, бывший одним из слушателей этой лекции Теслы, позднее говорил: «Со времени появления экспериментальных исследований Фарадея в области электротехники никогда ни одна экспериментальная истина не была представлена так просто и понятно, как описание Теслой его способа получения и использования многофазных переменных токов. Его имя делает эпоху в развитии науки об электричестве. В результате его исследований произошла революция в электротехнике» [1. С. 46]. Возможно, что наиболее полно вклад Теслы отражают слова лорда Кельвина, сказанные им в 1896 году: «Тесла дал больше науке об электричестве, чем кто бы то ни был до него» [2]. И вот этот человек, высочайший профессионал, стоявший у истоков современной электротехники, руководивший строительством первой гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде и первой высоковольтной линии электропередачи в Нью Йорк, большую часть жизни посвятил работам, которые по сегодняшний день этой электротехникой до конца не поняты и не приняты. В первую очередь это относится к беспроводной передаче электрических сигналов, которая была впервые продемонстрирована Н. Тесла на публичной лекции в городе Сент-Луисе в 1892 году еще до работ А.С. Попова и Г. Маркони. «Заходя» на американский рынок, Маркони попытался оспорить первенство Тесла, но Верховный суд США, после долгой патентной тяжбы в 1943 году признал приоритет Н. Тесла. В упомянутых работах речь идет о передаче сигналов с использованием привычных нам поперечных электромагнитных волн или, как часто говорили в начале двадцатого века, - волн Герца. Со времени первых демонстраций Тесла человечество довело до совершенства технологии такой радиосвязи, которые в виде, например, мобильных телефонов, систем позиционирования, линий интернет-связи сопровождают современного человека практически круглосуточно. Но, наряду с передачей сигналов волнами Герца, Тесла создал систему беспроводной передачи не только информационных сигналов, но и электрической энергии самой по себе, которая основывалась на использовании резонансных трансформаторов различных типов [4]. Из наиболее известных мест, где подобная передача была реализована, можно отметить лабораторию на плато в Колорадо-Спрингс, содержащую деревянную башню высотой 60 м с установленным в ней высокочастотным резонансным трансформатором (рис. 1). Первые опыты в этой лаборатории были начаты в районе 1898 года. а б Рис. 1. Экспериментальная станция в Колорадо-Спрингс, 1899 год (а); Центральная электростанция и передающая башня Теслы (Башня Ворденклиф) для «Всемирной телеграфии», о. Лонг-Айленд, Нью-Йорк, 1904 года (б) В дальнейшем, в 1900 году, строится более мощный передатчик на о. Лонг-Айленд, неподалеку от Нью-Йорка. Этот проект получил название Ворденклиф и некоторое время его финансировал миллиардер Дж.П. Морган. Передатчик планировался как центр всемирной связи и энергетики. Причем, основной задачей проекта Тесла видел не столько связь, сколько передачу энергии в самые удалённые уголки земного шара. Предварительные эксперименты подтверждали осуществимость плана Тесла. Но прекращение финансирования в 1906 году остановило дальнейшее развитие этого масштабного проекта, а в годы Второй мировой войны башня передатчика была взорвана, что вернуло исследования Теслы от планетарных масштабов обратно к лабораторным. Многие исследователи научного наследия Н. Тесла связывают Тунгусскую катастрофу с работой передатчика на о. Лонг-Айленд [2; 5-6]. Патент Н. Тесла: «Устройство для передачи электрической энергии» На рис. 2 представлена система для передачи электрической энергии, описанная в патенте Н. Тесла [7]. Настоящая статья в основном посвящена данному устройству и истории попыток репликации работ Тесла с этой системой. Устройство (рис. 2) состоит из передатчика и приемника, которые имеют аналогичную конструкцию. Основными элементами обоих устройств являются металлические сферы (D и D´), имеющие большую площадь поверхности, которые соединены со спиральными катушками (A и A´), включенными во вторичную цепь резонансных трансформаторов. Внешний конец спиральных катушек заземлен, другой - внутренний конец катушек - соединен с металлическими сферами при помощи проводников (B и B´). Первичная цепь резонансного трансформатора передатчика подключена к источнику высокой частоты и низкого напряжения (G), создающего во вторичной цепи высокий электрический потенциал. Первичная цепь приемника устроена аналогично. Она является выходной цепью, к которой в качестве нагрузки подключено множество ламп (L) и моторов (M), соединенных параллельно. Очень важным моментом представленной на рис. 2 системы является настройка обеих катушек в резонанс. При этом в каждой катушке ее волновой резонанс должен быть согласован с обычным LC-резонансом (L и C - индуктивность и емкость спиральных катушек соответственно) и также катушки должны быть настроены в резонанс друг к другу. Как отмечается в [8]: «При помощи такой установки Тесла продемонстрировал то, что немыслимо осуществить за счет обычных радиоволн. В Колорадо-Спрингс он построил две башни, одна с передатчиком мощностью 10 кВт, другая с приемником, была расположена на расстоянии 25 миль. Он показал, что энергия в этой системе передается практически без потерь. Принимаемой энергии было достаточно, чтобы обеспечить свечение 200 люминесцентных ламп мощностью в 50 Вт каждая» [8. С. 2]. То есть принимаемая мощность (10 кВт) фактически равнялась мощности передатчика. Рис. 2. Страница из американского патента Н. Тесла № 649621 [7], на которой представлена система для передачи электрической энергии Необходимо отметить, что представленная на рис. 2 система передачи электрической энергии встречается не только в [7], но и в ряде других патентов. В качестве примера можно привести, например, [9] и [10]. Репликация работ Н. Тесла: эксперименты К. Мейла и Сакко-Томилина Необычные результаты, полученные в экспериментах Н. Тесла, послужили причиной многочисленных попыток их репликации. Большая часть таких попыток носит любительский характер и, как правило, не сопровождается публикацией полученных результатов. Дальнейшее развитие экспериментов Тесла связано, с одной стороны, с созданием лабораторных установок, в основных чертах повторяющих описанные в патентах Тесла [7; 9-10], а с другой - использованием современной измерительной базы для контроля и исследования особенностей функционирования этих устройств. Рис. 3. Внешний вид экспериментальной установки К. Мейла [8] Говоря о повторении экспериментов, описанных в предыдущем разделе, хотелось бы отметить работы Константина Мейла [11], который использовал две идентичные установки, использующие резонансные трансформаторы Тесла на спиральных катушках и повторяющие в основных деталях схемы, показанные на рис. 2. Установки К. Мейла (рис. 3), в сравнении с установками Тесла (рис. 1), были миниатюрными - высота «башен» составляла около 30 см. Каждая из них имела в основании плоскую катушку Теслы, состоящую из двух спиральных обмоток. Центры вторичных спиральных катушек соединялись с металлическими сферами, а их вторые концы - с «заземлением» - соединялись между собой проводником, как показано на рис. 3 и 4. При этом, как очевидно из рис. 4, вся схема была изолирована от земли. Рис. 4. Схема установки К. Мейла [8] Первичная обмотка резонансного трансформатора передатчика запитывалась от генератора с выходным напряжением 2 В. К выходу генератора передатчика и в цепь первичной обмотки приемника параллельно-встречно включались светодиоды, по свечению которых можно было судить об уровне сигнала (рис. 4). В ходе выполненных экспериментов, согласно [8; 11], были получены следующие результаты: 1) беспроводная передача электрической энергии; 2) влияние приемника на передатчик; 3) появление в системе «приемник-передатчик» дополнительной энергии; 4) обнаружено излучение скалярных волн, имеющих скорость 1,5 скорости света; 5) показано, что скалярные волны не экранируются клеткой Фарадея. а б Рис. 5. Внешний вид установки Сакко - Томилина (а). Резонансный трансформатор на спиральных катушках (б) [8] Эксперименты Мейла были повторены и детально исследованы в работе [8]. При этом использовалась установка, полностью аналогичная установке К. Мейла (рис. 5). Отмечается, что большинство утверждений Мейла были подтверждены за исключением утверждения о сверхсветовой скорости распространения электроскалярных волн. Основные выводы [8] следующие: 1) распространение сигнала между передатчиком и приемником осуществляется при помощи волнового электромагнитного процесса, происходящего между сферическими антеннами; 2) показано, что в данной системе электромагнитные волны отличаются по своим свойствам от поперечных волн Герца; 3) экспериментальные результаты объяснены на основе обобщенной (четырехмерной) электромагнитной теории, объединяющей вихревые и потенциальные электродинамические процессы [12]; 4) доказано, что передача сигнала между сферическими антеннами происходит посредством электроскалярных волн; 5) экспериментально установлено, что передача сигнала происходит на большие расстояния, что исключает гипотезу емкостной связи между антеннами; 6) теоретически описан принцип действия трансформатора Теслы, состоящего из двух спиральных катушек; 7) исследован механизм взаимодействия электроскалярных волн с клеткой Фарадея, определены условия экранирования и, наоборот, полного его отсутствия [8]. Подводная связь Наиболее интересной видится серия работ [13-15], в которых описан эксперимент по передаче на расстояние 470 м коротковолнового модулированного радиосигнала в морской среде при помощи шаровых антенн [13]. Также проведен детальный экспериментальный [14] и теоретический [15] анализ результатов этого эксперимента. В упомянутом эксперименте также используется схема, аналогичная упомянутым выше экспериментам Н. Тесла (см. рис. 2). Некоторые параметры эксперимента [13]. Частота, подаваемая на передающую антенну, - 27,4 МГц, мощность - 1,17 Вт. Глубина моря в месте проведения эксперимента - 13 м, при этом приемник находился на глубине 6 м, а передатчик - на глубине 4 м. Максимальное расстояние приемник-передатчик составляло 470 м. Анализируя эксперимент, авторы [13] отмечают, что «расчетное затухание уровня мощности радиосигнала для поперечных волн на расстоянии 1 м в морской среде с проводимостью 4,77 См/м на частоте 27,4 MГц составляет около 195 dB/м. Для расстояния 470 м суммарное затухание должно составлять около 91 650 dB…» [13. С. 50], что гарантированно исключает возможность связи с использованием поперечных волн. Тем не менее канал подводной радиосвязи на этом расстоянии функционирует. Поэтому высказывается предположение, что «…радиосигнал передается в морской воде при помощи продольных (электроскалярных) волн» [13. С. 50]. Также отмечается, что «обнаружен эффект передачи высокочастотного радиосигнала через границу раздела двух сред: морская вода-воздух» [13. С. 50]. Заключение Рассмотренные выше эксперименты, берущие свое начало в работах Н. Теслы, имеют то общее, что все они, практически без изменений, используют схему, представленную на рис. 2 и предложенную Теслой более века назад. В зависимости от исторического времени изменялись лишь способы подачи и съема сигнала с резонансного трансформатора на спиральных катушках. Эксперименты разных авторов, представленные в настоящей краткой статье, подтверждают как работоспособность рассматриваемой схемы, так и то, что связь, возникающая между приемником и передатчиком, не имеет отношения к поперечным электромагнитным волнам. Последнее обстоятельство наиболее убедительно представлено в эксперименте, демонстрирующем возможность подводной связи [13], феномен которой исключает возможность объяснения, основанного на действии поперечных волн. Кроме очевидного практического значения эксперименты [13-15] указывают на необходимость модификации существующей электродинамики. Один из вариантов такой модификация представлен в рамках так называемой обобщенной электродинамики [12], выводы которой использовались как на стадии планирования экспериментов [8; 13; 14], так и в ходе объяснения их результатов [15].

Об авторах

Виктор Анатольевич Панчелюга

Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: VictorPanchelyuga@gmail.com
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино). Российская Федерация, 142290, Московская обл., Пущино, ул. Институтская, д. 3

Мария Сергеевна Панчелюга

Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН

Email: VictorPanchelyuga@gmail.com
научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино). Российская Федерация, 142290, Московская обл., Пущино, ул. Институтская, д. 3

Список литературы