Кто придумал переменный ток | Электрик в Киеве

Электропроводка в квартире, доме стала обязательным атрибутом в наше время. Кажется все просто: звоним мастеру-электрику, говорим, где и сколько установить розеток и светильников и всё. Мы уже не задумываемся, как электрическое освещение пришло в наш дом. При этом, с каждым годом все больше инноваций входят в нашу повседневную жизнь. Например, взять системы освещения с помощью светодиодных ламп. Еще совсем недавно это было новшество.

В данной статье, хотелось бы заострить внимание лишь на небольшой отрезок времени, а именно середину — конец 19 века. Именно в это время был открыт переменный многофазный ток, которым мы пользуемся до сих пор.

Реклама лампы Эдисона: никакой опасности, дыма или запаха

Начнем с времени, когда уже существовали генераторы электрического тока, которые устанавливались для подачи электроэнергии отдельно взятого дома (домов), для освещения улиц.

В 19 веке были широко распространены электродвигатели и генераторы постоянного тока.

В те времена, Т. Эдисон, ученый, изобретатель и предприниматель, зарегистрировавший большое количество патентов, завоевывал Американский континент.Кстати, это он создал компанию General Electric, которая благополучно существует и до сих пор.

В 1884 году произошла первая встреча еще никому неизвестного Н.Теслы и Т.Эдисона. Но удачного тандема двух талантливых людей не получилась, а превратилась в антагонизм.

Тесла и Эдисон

Когда Тесла уволился, несколько лет жил в нищете, после чего его дела постепенно пошли в гору. Суть в том, что у Никола Тесла были разногласия с Томасом Эдисоном по поводу типа тока, который использовать для эксплуатации. Эдисон делал упор на использование постоянного тока, а Тесла – переменного. С этого момента и началась так называемая война токов.

Переменный ток, в отличие от постоянного, непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению. Эти изменения называются частотой.
Но самое важное в том, что электростанции постоянного тока, используя обычное напряжение, могут передавать электроэнергию в радиусе не больше мили. Это означает, что для того, чтоб осветить город, нужно было бы построить целую сеть местных электростанций. С переменным током все иначе: для того, чтоб осветить город, нужна одна большая электростанция.

К 1887 году, в Америке уже работало около сотни электростанций постоянного тока. Постоянный ток не имеет частоты и не меняет направление, его генераторы гораздо легче подключаются и он удобнее для аккумулирующих станций. Но у постоянного тока есть один огромный недостаток: из-за потерь мощности в проводах, его крайне сложно и дорого передавать на большие расстояния.

Многофазный генератор переменного тока, мощностью 500 л.с.

Тесла начал разрабатывать новый тип генератора и двигателя с другим видом тока. Кстати, он же придумал использовать землю как проводник. Этими его открытиями мы пользуемся до сих пор.

Известный промышленник, Джорж Вестингауз, хорошенько изучив патент Эдисона, пришел к выводу, что разработанные Теслой, который был менее известным, генераторы переменного тока более рентабельны.

Поэтому, он предложил Тесле 1 млн долларов за все полученные им патенты, а также обещал платить по 1 доллару за каждую одну лошадиную силу сделанных на основе патентов генераторов. В те времена единица измерения мощности. С тех времен переменный ток и начал внедряться человечеством.

К слову, приблизительно в то же время, была принята новая единица измерения мощности, которой мы пользуемся до сих пор : Ватт.

Кроме вышеизложенного, хотелось бы упомянуть некоторые любопытные открытия Тесла, о которых мало кто знает.

Тесла выполнял много экспериментов с током высокой частоты и доказал, что ток с частотой выше 700 герц, то ток протекает по поверхности тела и является безопасным для человека.

Он же первый продемонстрировал модель радиоуправляемой лодки

Также, на видео можно увидеть, как работает фактически никуда не подключенная лампа благодаря трансформатору Тесла

Никола Тесла умер 7 января 1943 года при загадочных обстоятельствах. По официальным данным, смерть ученого наступила вследствие сердечной недостаточности. Однако, существует мнение, что Тесла не умер, а был похищен. И для похорон использовали тело двойника, которое впоследствии тайно кремировали.

В номере отеля спецслужбы провели обыск, в ходе которого были изъяты все бумаги Теслы. Позже было объявлено, что записи содержат исключительно философские размышления ученого. Однако до сих пор многие исследователи считают, что наиболее важные изобретения Николы Теслы были засекречены. Среди них бестопливный генератор энергии, беспроводная передача энергии, телепортация, искусственный интеллект, боевые лазеры

Статья создана по мотивам документального фильма:
Свободная энергия Теслы SIGNAL RED

история открытия. Ученый с большой буквы

Переменный ток – род тока, направление протекания которого непрерывно меняется. Становится возможным, благодаря наличию разницы потенциалов, подчиняющейся закону. В повседневном понимании форма переменного тока напоминает синусоиду. Постоянный способен изменяться по амплитуде, направление прежнее. В противном случае получаем переменный ток. Трактовка радиотехников противоположна школьной. Ученикам говорят – постоянный ток одной амплитуды.

Как образуется переменный ток

Начало переменному току положил Майкл Фарадей, читатели подробнее узнают ниже по тексту. Показано: электрическое и магнитное поля связаны. Ток становится следствием взаимодействия. Современные генераторы работают за счет изменения величины магнитного потока через площадь, охватываемую контуром медной проволоки. Проводник может быть любым. Медь выбрана из критериев максимальной пригодности при минимальной стоимости.

Статический заряд преимущественно образуется трением (не единственный путь), переменный ток возникает в результате незаметных глазу процессов. Величина пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, охваченную контуром.

История открытия переменного тока

Впервые переменным токам стали уделять внимание ввиду коммерческой ценности после появления на свет изобретений, созданных Николой Тесла.

Материальный конфликт с Эдисоном отметил сильным отпечатком судьбы обоих. Когда американский предприниматель забрал назад обещания перед Николой Тесла, потерял немалую выгоду. Выдающемуся ученому не понравилось вольное обращение, серб выдумал двигатель переменного тока промышленного типа (изобретение сделал намного раньше). Предприятия пользовались исключительно постоянным. Эдисон продвигал указанный вид.

Тесла впервые показал: переменным напряжением можно достичь гораздо больших результатов. В особенности, когда энергию приходится передавать на большие расстояния. Использование трансформаторов без труда позволяет повысить напряжение, резко снижая потери на активном сопротивлении. Приемная сторона параметры вновь возвращает к исходным. Неплохо сэкономите на толщине проводов.

Сегодня показано: передача постоянного тока экономически выгоднее. Тесла изменил ход истории. Придумай ученый преобразователи постоянного тока, мир выглядел бы иначе.

Начало активному использованию переменного тока положил Никола Тесла, создав двухфазный двигатель. Опыты передачи энергии на значительные расстояния расставили факты по своим местам: неудобно переносить производство в район Ниагарского водопада, гораздо проще проложить линию до места назначения.

Школьный вариант трактовки переменного и постоянного тока

Переменный ток демонстрирует ряд свойств, отличающих явление от постоянного. Вначале обратимся к истории открытия явления. Родоначальником переменного тока в обиходе человечества считают Отто фон Герике. Первым заметил: заряды природныедвух знаков. Ток способен протекать в разном направлении. Касательно Тесла, инженер больше интересовался практической частью, авторские лекции упоминают двух экспериментаторов британского происхождения:

1. Вильям Споттисвуд лишен странички русскоязычной Википедии, национальная часть – замалчивает работы с переменным током. Подобно Георгу Ому, ученый – талантливый математик, остается сожалеть, что с трудом можно узнать, чем именно занимался муж науки.
2. Джеймс Эдвард Генри Гордон намного ближе практической части вопроса применения электричества. Много экспериментировал с генераторами, разработал прибор собственной конструкции мощностью 350 кВт. Много внимания уделял освещению, снабжению энергией заводов, фабрик.

Считается, первые генераторы переменного тока созданы в 30-е годы XIX века. Майкл Фарадей экспериментально исследовал магнитные поля. Опыты вызывали ревность сэра Хемфри Дэви, критиковавшего ученика за плагиат. Сложно потомкам выяснить правоту, факт остается фактом: переменный ток полвека просуществовал невостребованным. В первой половине XIX-го века выдуман электрический двигатель (авторство Майкла Фарадея). Работал, питаемый постоянным током.

Никола Тесла впервые догадался реализовать теорию Араго о вращающемся магнитном поле. Понадобились две фазы переменного тока (сдвиг 90 градусов). Попутно Тесла отметил: возможны более сложные конфигурации (текст патента). Позднее изобретатель трехфазного двигателя, Доливо-Добровольский, тщетно силился запатентовать детище плодотворного ума.

Продолжительное время переменный ток оставался невостребованным. Эдисон противился внедрению явления в обиход. Промышленник боялся крупных финансовых потерь.

Никола Тесла изучал электрические машины

Почему переменный ток используется чаще постоянного

Ученые доказали недавно: передавать постоянный ток выгоднее. Снижаются потери излучения линии. Никола Тесла перевернул ход развития истории, правда восторжествовала.

Никола Тесла: вопросы безопасности и эффективности

Никола Тесла посетил конкурирующую с эдисоновской компанию, продвигая новое явление. Увлекся, часто ставил эксперименты на себе. В противовес сэру Хемфри Дэви, который укоротил жизнь, вдыхая различные газы, Тесла добился немалого успеха: покорил рубеж 86 лет. Ученый обнаружил: изменение направления течения тока со скоростью выше 700 раз в секунду делает процесс безопасным для человека.

Во время лекций Тесла брал руками лампочку с платиновой нитью накала, демонстрировал свечение прибора, пропуская через собственное тело токи высокой частоты. Утверждал: явление безвредно, даже приносит пользу здоровью. Ток, протекая по поверхности кожи, одновременно очищает. Тесла говорил, экспериментаторы прежних дней (смотрите выше) пропускали удивительные явления по указанным причинам:

• Несовершенные генераторы механического типа. Вращающееся поле использовалось в прямом смысле: при помощи двигателя раскручивался ротор. Подобный принцип бессилен выдать токи высокой частоты. Сегодня проблематично, невзирая на нынешний уровень развития технологии.
• В простейшем случае применялись ручные размыкатели. Вовсе нечего говорить о высоких частотах.

Сам Тесла использовал явление заряда и разряда конденсатора. Подразумеваем RC-цепочку. Будучи заряжен до определённого уровня, конденсатор начинает разряжаться через сопротивление. Параметров элементов определяют скорость процесса, протекающего согласно экспоненциальному закону. Тесла лишен возможности использовать методы управления контуров полупроводниковыми ключами. Термионные диоды были известны. Рискнем предположить, Тесла мог использовать изделия, имитируя стабилитроны, оперируя с обратимым пробоем.

Однако вопросы безопасности лишены почетного первого места. Частоту 60 Гц (общепринятая США) предложил Никола Тесла, как оптимальную для функционирования двигателей собственной конструкции. Сильно отличается от безопасного диапазона. Проще сконструировать генератор. Переменный ток в обоих смыслах выигрывает у постоянного.

Через эфир

Поныне безуспешно ведутся споры, касаемо первооткрывателя радио. Прохождение волны через эфир обнаружил Герц, описав законы движения, показав, сродство оптическим. Сегодня известно: переменное поле бороздит пространстве. Явление Попов (1895 год) использовал, передавая первое Земное сообщение «Генрих Герц».

Видим, ученые мужи дружны между собой. Сколько уважения демонстрирует первое сообщение. Дата остается спорной, каждое государство первенство хочет присвоить безраздельно. Переменный ток создает поле, распространяющееся через эфир.

Сегодня общеизвестны диапазоны вещания, окна, стены атмосферы, различных сред (вода, газы). Важное место отводится частоте. Установлено, каждый сигнал можно представить суммой элементарных колебаний-синусоид (согласно теоремам Фурье). Спектральный анализ оперирует простейшими гармониками. Суммарный эффект рассматривается, как равнодействующая элементарных составляющих. Произвольный сигнал раскладывается преобразованием Фурье.

Окна атмосферы определяются аналогичным образом. Увидим частоты, проходящие сквозь толщу хорошо и плохо. Не всегда последнее оказывается негативным эффектом. Микроволновые печи используют частоты 2,4 ГГц, ударно поглощаемые парами воды. Для связи волны бесполезны, зато хороши кулинарными способностями!

Новичков тревожит вопрос распространения волны через эфир. Обсудим подробнее неразрешенную поныне учеными загадку.

Вибратор Герца, эфир, электромагнитная волна

Взаимосвязь электрического, магнитного полей впервые продемонстрировал в 1821 году Майкл Фарадей. Чуть позднее показали: конденсатор пригоден для создания колебаний. Нельзя сказать, чтобы связь двух событий немедленно осознали. Феликс Савари разряжал лейденскую банку через дроссель, сердечником которому служила стальная игла.

Неизвестно доподлинно, чего добивался астроном, результат оказался любопытным. Иногда игла оказывалась намагниченной в одном направлении, иногда – противоположном. Ток генератора одного знака. Ученый правильно сделал вывод: затухающий колебательный процесс. Толком не зная индуктивных, емкостных реактивных сопротивлений.

Теорию процесс подвели позже. Опыты повторены Джозефом Генри, Вильямом Томпсоном, определившим резонансную частоту: где процесс продолжался максимальный период времени. Явление позволило количественно описать зависимости характеристик цепи от элементов составляющих (индуктивность и емкость). В 1861 году Максвелл вывел знаменитые уравнения, одно следствие особенно важно: «Переменное электрическое поле порождает магнитное и наоборот».

Возникает волна, векторы индукции взаимно перпендикулярны. Пространственно повторяют форму породившего процесса. Волна бороздит эфир. Явление использовал Генрих Герц, развернув обкладки конденсатора в пространстве, плоскости стали излучателями. Попов догадался закладывать информацию в электромагнитную волну (модулировать), что используется сегодня повсеместно. Причем в эфире и внутри полупроводниковой техники.

Где используется переменный ток

Переменный ток лежит в основе принципа действия большинства известных сегодня приборов. Проще сказать, где применяется постоянный, читатели сделают выводы:

1. Постоянный ток применяется в аккумуляторах. Переменный порождает движение – не может храниться современными устройствами. Потом в приборе электричество преобразуется в нужную форму.
2. КПД коллекторных двигателей постоянного тока выше. По этой причине выгодно применять указанные разновидности.
3. При помощи постоянного тока действуют магниты. К примеру, домофонов.
4. Постоянное напряжение применяется электроникой. Потребляемый ток варьируется в некоторых пределах. В промышленности носит название постоянного.
5. Постоянное напряжение применяется кинескопами для создания потенциала, увеличения эмиссии катода. Случаи назовем аналогами блоков питания полупроводниковой техники, хотя иногда различие значительно.

В остальных случаях переменный ток выказывает весомое преимущество. Трансформаторы – неотъемлемая составляющая техники. Даже в сварке далеко не всегда господствует постоянный ток, но в любом современном оборудовании этого типа имеется инвертор. Так гораздо проще и удобнее получить достойные технические характеристики.

Хотя исторически первыми получены были статические заряды. Вспомним шерсть и янтарь, с которыми работал Фалес Милетский.

«Человек, который изобрёл 20 век!» — так Теслу называют современные биографы, и делают они это без каких-либо преувеличений. Свою известность он получил благодаря прогрессивным взглядам и умению доказывать их состоятельность. Тесла проводил опаснейшие эксперименты во имя науки, и в определённых кругах считается фигурой, связанной с мистикой. В последнем случае, скорее всего, мы имеем дело с домыслами, но что известно точно, так это то, что изобретения Николы Теслы способствовали прогрессу во всём мире.

Наследие Николы Теслы

Сначала рассмотрим важные с научной точки зрения изобретения, но редко встречающиеся в повседневной жизни современного человека.

Речь пойдёт об одном из самых известных и зрелищных изобретений Николы. Катушка Теслы является разновидностью резонансной трансформаторной схемы. Использовалось это приспособление для производства высокого напряжения высокой частоты .

Катушка Теслы была одним из инструментов изучения природы электрического тока и возможностей его использования

Тесла задействовал катушки во время проведения инновационных экспериментов в области:

• электрического освещения;
• фосфоресценции;
• рентгеновской генерации;
• высокочастотного переменного тока;
• электротерапии;
• радиотехники;
• передачи электрической энергии без проводов.

Кстати, Никола Тесла был одним из тех людей, кто предсказал появление Интернета и современных гаджетов.

Катушка Теслы является ранним предшественником (наряду с индукционной катушкой) более современного устройства, называемого трансформатором обратного хода. Он обеспечивает напряжение, необходимое для питания электронно-лучевой трубки телевизоров и компьютерных мониторов. Версии этой катушки широко используются сегодня в радио, телевидении и другом электронном оборудовании.

В всей красе катушку можно увидеть в научных музеях или на специальных шоу.

Катушка Теслы в действии – это всегда зрелище:

Эта конструкция, известная также как Башня Теслы, была построена с целью осуществления беспроводной телекоммуникации и демонстрации возможности передачи электроэнергии без проводов .

По задумке Теслы Башня Ворденклиф должна была стать шагом к созданию Всемирной беспроводной системы . В его планах было установить несколько десятков приемо-передающих станций по всему миру. Таким образом, отпала бы необходимость использования высоковольтных линий электропередач. То есть фактически мы получили бы одну всемирную электростанцию. К слову, Тесле удавалось передавать электричество «по воздуху» от одной катушке к другой, так что его амбиции были небезосновательны.

Сегодня Ворденклиф – закрытый объект

Проект Ворденклиф требовал больших капиталовложений и на начальных этапах получил поддержку влиятельных инвесторов. Однако, когда работа над строительством башни была практически завершена, Тесла лишился финансирования и оказался на гране банкротства. А всё потому, что Ворденклиф могла быть предпосылкой к бесплатным поставкам электричества по всему миру, а это могло разорить некоторых инвесторов, чей бизнес был завязан на продаже электроэнергии.

Любители различных теорий заговоров связывают падение Тунгусского метеорита в Сибири и эксперименты Теслы с Башней.

Рентгеновские лучи

Вильгельм Рентген 8 ноября 1895 года официально открыл излучение, названное в честь его. Но фактически это явление первым наблюдал Никола Тесла. Ещё в 1887 году он начал проводить исследования с использованием вакуумных трубок. В ходе экспериментов Тесла фиксировал «особые лучи», способные «просвечивать» предметы . Поначалу учёный не предавал особого значения этому явлению, учитывая, что длительное воздействие рентгеновских лучей опасно для человека.

Никола Тесла первым обратил внимание на опасность рентгеновского излучения

Однако Тесла продолжал исследования в этом направлении и даже провел несколько экспериментов до открытия Вильгема Рентгена, включая фотографирование костей его руки.

К сожалению, в марте 1895 года в лаборатории Теслы произошёл пожар, и записи об этих исследованиях были утрачены. После открытия Рентгена, Никола, используя устройство с вакуумными трубками, сделал снимок своей ноги и отправил коллеге вместе с поздравлениями. Рентген похвалил Теслу за качественную фотографию.

Тот самый снимок ноги в ботинке

Вопреки расхожему мнению, Вильгем Рентген не был знаком с работами Теслы и к своему открытию пришёл самостоятельно, чего не скажешь о Гульельмо Маркони…

Радио и дистанционное управление

Инженеры разных стран работали над технологией радиосвязи, при этом исследования были независимыми друг от друга. Самый яркий пример: советский физик Александр Попов и итальянский инженер Гульельмо Маркони, которые в своих странах считаются изобретателями радио. Однако Маркони получил большую мировую известность, впервые установив радиосвязь между двумя материками (1901 г.) и получив патент на изобретение (1905 г.). Поэтому считается, что он в развитие радиосвязи внёс наибольший вклад. Но причём тут Тесла?

Радиоволны сегодня повсюду

Как выяснилось, первым природу радиосигналов выявил именно он и в 1897 году запатентовал передатчик и приёмник . Маркони взял за основу технологию Теслы и совершил свою знаменитую демонстрацию в 1901 году. Уже в 1904 году Патентное бюро лишает патента на радио Николу, а через год присуждает его Маркони. Судя по всему, тут не обошлось без финансового влияния Томаса Эдисона и Эндрю Карнеги, которые были в конфронтации с Теслой.

В 1943 году, уже после смерти Николы Теслы, Верховный суд США разобрался в ситуации и признал более значительный вклад этого учёного в качестве изобретателя радиотехнологий.

Отмотаем немного назад. В 1898 году на электротехнической выставке в Мэдисон-Сквер-Гарден Тесла продемонстрировал изобретение, которое он назвал «телеавтоматикой». Фактически это была модель лодки, перемещением которой можно управлять дистанционно через пульт.

Так выглядела радиоуправляемая лодка Теслы

Никола Тесла на деле показал возможности использования технологии передачи радиоволн. Сегодня дистанционное управление сплошь и рядом, начиная от телевизионного пульта и заканчивая полётами беспилотников.

Асинхронный двигатель и электромобиль Теслы

В 1888 году Тесла получил патент на электрическую машину, в которой под воздействием переменного тока создаётся вращение.

Не будем вдаваться в технические особенности работы асинхронного двигателя – те, кому это интересно, могут ознакомиться с соответствующим материалом на Википедии . О чём нужно знать, так это о том, что двигатель имеет простую конструкцию, не требует высоких затрат на изготовление и надёжен в эксплуатации.

Тесла намеревался использовать своё изобретение как альтернативу двигателям внутреннего сгорания . Но так уж случилось, что в этот период никто в подобных инновациях не был заинтересован, да и финансовое положение самого учёного не позволяло ему особо разгуляться.

Интересный факт! В Силиконовой долине великому изобретателю установлен памятник. Символично, что он раздаёт бесплатный Wi-Fi.

Нельзя не упомянуть и об окутанном тайной электромобиле Теслы . Именно из-за сомнительности этой истории не будем выводить её отдельным пунктом. Тем более, что тут не обошлось без электродвигателя.

1931 год, Нью-Йорк. Никола Тесла провёл демонстрацию работы автомобиля, в котором якобы вместо двигателя внутреннего сгорания был установлен двигатель переменного тока мощностью 80 л.с. Учёный колесил на нём около недели, разгоняясь до 150 км/ч. А загвоздка в следующем: двигатель работал без видимого источника питания , да и на подзарядку машина якобы никогда не ставилась. Единственное, к чему мотор был подключён, это коробочка, собранная из лампочек и транзисторов, которые Тесла купил в ближайшем магазине радиоэлектроники.

Для демонстрации был использован автомобиль Pierce Arrow1931 года

На все расспросы Никола отвечал, что энергия берётся из эфира. Газетные скептики начали обвинять его чуть ли не в чёрной магии, и раздосадованный гений, забрав свою коробочку, вообще отказался что-либо комментировать и объяснять.

Подобное событие в биографии Теслы действительно имеет место, но всё же эксперты ставят под сомнение, что он нашёл способ получать энергию для авто из «воздуха». Во-первых, в записях учёного нет и намёка на двигатель, работавший от эфира, а во-вторых, есть предположения, что Никола таким образом одурачил общественность, чтобы привлечь внимание к самой идее электрических автомобилей. А непосредственно для передвижения данного прототипа мог использоваться либо скрытый аккумулятор, либо ДВС с модернизированной системой выхлопа.

В наше время преимущества переменного тока кажутся более чем очевидными, но в 80-х годах XIX века из-за вопроса, какой ток лучше и как выгоднее передавать электрическую энергию, разразилось острое противостояние. Главными фигурантами этой нешуточной битвы стали две конкурирующие фирмы — Edison Electric Light и Westinghouse Electric Corporation. В 1878 году гениальный американский изобретатель Томас Алва Эдисон основал свою собственную компанию, которая должна была решить проблему электрического освещения в быту. Задача стояла простая: вытеснить газовый рожок, но для этого электрический свет должен был стать более дешевым, ярким и доступным для всех.

Предвосхищая свои будущие открытия, Эдисон написал: «Мы сделаем электрическое освещение настолько дешевым, что только богачи будут жечь свечи». Вначале ученый разработал план центральной электростанции, начертил схемы подводки линий электропередач к домам и фабрикам. В то время электричество получали с помощью динамо-машин, приводящихся в движение паром. Затем Эдисон приступил к усовершенствованию электрических лампочек, стремясь продлить их действие с имевшихся тогда 12 часов. Перебрав более 6 тысяч различных образцов для нити накаливания, Эдисон наконец остановился на бамбуке. Его будущий коллега Никола Тесла иронично отметил: «Если бы Эдисону пришлось найти иголку в стоге сена, он не стал бы терять время на то, чтобы определить ее более вероятное местонахождение. Напротив, он немедленно, с лихорадочным прилежанием пчелы начал бы осматривать соломинку за соломинкой, пока не отыскал бы искомое». 27 января 1880 года Эдисон получил патент на свою лампу, срок жизни которой был поистине фантастическим — 1200 часов. Чуть позже ученый запатентовал всю систему производства и распространения электроэнергии в Нью-Йорке.

Эдисон. (Pinterest)

В тот год, когда Эдисон занялся освещением американского мегаполиса, Никола Тесла поступил на философский факультет Пражского университета, но проучился там всего один семестр — на дальнейшее обучение не хватило денег. Затем он поступил в Высшее техническое училище в Граце, где стал изучать электротехнику и начал задумываться о несовершенстве электродвигателей постоянного тока. В 1882 году Эдисон запустил две электростанции постоянного тока — в Лондоне и Нью-Йорке, наладив производство динамо-машин, кабелей, лампочек и осветительных приборов. Спустя два года американский изобретатель создает новую корпорацию — Edison General Electric Company, куда вошли десятки компаний Эдисона, разбросанные по всей Америке и Европе.

В том же году Тесла придумал, как использовать явление вращающегося электромагнитного поля, а значит он мог попытаться сконструировать электродвигатель переменного тока. С этой идеей ученый отправился в парижское представительство Continental Edison Company, но в тот момент компания была занята выполнением крупного заказа — сооружения электростанции для железнодорожного вокзала Страсбурга, в ходе выполнения которого возникли многочисленные ошибки. Теслу отправили спасать ситуацию, и в требуемые сроки электростанция была достроена. Сербский ученый отправился в Париж, чтобы получить обещанную премию в 25 000 долларов, однако компания отказалась выплачивать деньги. Оскорбленный Тесла решил больше не иметь ничего общего с предприятиями Эдисона. Он поначалу хотел даже отправиться в Петербург, ведь Россия славилась в то время своими научными открытиями в области электротехники, в частности изобретениями Павла Николаевича Яблочкова и Дмитрия Александровича Лачинова. Однако, один из работников Континентальной компании уговорил Теслу отправиться в США и дал ему рекомендательное письмо к Эдисону: «Было бы непростительной ошибкой дать возможность уехать в Россию подобному таланту. Я знаю двух великих людей: один из них Вы, второй — этот молодой человек».

Edison General Electric Company. (Pinterest)

Прибыв в Нью-Йорк в 1884 году, Тесла приступает к работе в компании Edison Machine Works в качестве инженера по ремонту двигателей — генераторов постоянного тока. Тесла сразу же поделился с Эдисоном своими мыслями насчет переменного тока, но американского ученого идеи сербского коллеги не вдохновили — он очень неодобрительно отозвался и посоветовал Тесле заниматься на работе сугубо профессиональными делами, а не личными изысканиями. Год спустя Эдисон предлагает Тесле конструктивно улучшить машины постоянного тока и за это обещает премию в 50 тысяч долларов. Тесла тут же принялся за работу и очень скоро предоставил 24 варианта новых машин Эдисона, а также новый коммутатор и регулятор. Эдисон работу одобрил, но деньги платить отказался, пошутив при этом, что эмигрант плохо понимает американский юмор. С этого момента Эдисон и Тесла стали непримиримыми врагами.

На счету Эдисона значилось 1093 патента — такого количества изобретений не было ни у кого в мире. Неутомимый экспериментатор, он однажды провел в лаборатории 45 часов, не желая прерывать опыт. Эдисон был к тому же весьма умелым предпринимателем: все его компании приносили прибыль, правда богатство как таковое его мало интересовало. Деньги были нужны для работы: «Мне не нужны успехи богачей. Мне не нужно ни лошадей, ни яхт, на все это у меня нет времени. Мне нужна мастерская!» Однако, в 1886 году у корпорации Эдисона появился очень мощный конкурент — компания Westinghouse Electric Corporation. Первую 500-вольтную электростанцию переменного тока Джордж Вестингауз запустил в 1886 году в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс.

Так, монополии Эдисона пришел конец, ведь преимущества новых электростанций были очевидны. В отличие от американского изобретателя-любителя, Вестингауз основательно знал физику, поэтому прекрасно понимал слабое звено электростанций постоянного тока. Все изменилось, когда он познакомился с Теслой и его изобретениями, выдав сербу патент на счетчик переменного тока и многофазный электромотор. Это были те самые изобретения, с которыми в свое время Тесла обращался в парижскую компанию Эдисона. Теперь Вестингауз выкупил у сербского ученого в общей сложности 40 патентов и заплатил 32-летнему изобретателю 1 миллион долларов.

Электрический стул. (Pinterest)

В 1887 году в США уже работало более 100 электростанций постоянного тока, однако процветанию компаний Эдисона должен был наступить конец. Изобретатель понимал, что находится на грани финансового краха, а потому решил подать в суд на Westinghouse Electric Corporation за нарушение патентных прав. Однако, иск был отклонен, и тогда Эдисон развернул антипропагандистскую кампанию. Его главным козырем был тот факт, что переменный ток очень опасен для жизни. Вначале Эдисон занялся публичной демонстрацией убийств животных электрическими разрядами, а потом ему подвернулся очень удачный случай: губернатор Нью-Йорка захотел найти гуманный способ казни, альтернативу повешенью — Эдисон тут же заявил, что самой человечной считает смерть от переменного тока. Хотя лично он выступал за отмену смертной казни, тем не менее решить проблему удалось.

Для создания электрического стула Эдисон нанял инженера Гарольда Брауна, который приспособил для карательных целей генератор переменного тока Вестингауза. Ярый оппонент Эдисона был категорически против смертных казней и отказался продавать свое оборудование тюрьмам. Тогда Эдисон купил три генератора через подставных лиц. Вестингауз нанял приговоренным к смерти самых лучших адвокатов, одного из преступников удалось спасти: смертную казнь ему заменили пожизненным заключением. Нанятый Эдисоном журналист опубликовал огромную разоблачительную статью, обвиняя Вестингауза в тех мучениях, которые претерпел казненный.

Westinghouse Electric Corporation. (Pinterest)

«Черный пиар» Эдисона принес свои плоды: ему удалось отсрочить поражение, правда ненадолго. В 1893 году Вестингауз и Тесла выиграли заказ на освещение Чикагской ярмарки — 200 тысяч электрических лампочек работали от переменного тока, а спустя три года тандем ученых смонтировал на Ниагарском водопаде первую гидросистему для непрерывного питания переменным током города Баффало. Кстати, электростанции постоянного тока строились в Америке еще 30 лет, вплоть до 1920-х годов. Затем их строительство было прекращено, но эксплуатация продолжалась вплоть до начала XXI века. Тесла и Вестингауз выиграли «войну токов». А Эдисон отреагировал так: «Я никогда не терпел поражений. Я просто нашел 10 000 способов, которые не работают».

Печатающий телеграф (слева), фонограф (справа), лампа накаливания и еще более тысячи изобретений, защищенных патентами…

…сделали Томаса Эдисона королем изобретателей

Генератор переменного тока, ставший основой современной электроэнергетики и экзотическая высоковольтная высокочастотная катушка — изобретения другого «электрического» гения…

Телефон и фонограф, системы радиолокации и кинокамера, диктофон и электрогенераторы, телеуправляемые механизмы, высокочастотная техника, паровые турбины и магнитный способ сепарации железной руды — буквально ко всему два этих великих изобретателя — Томас Эдисон и Никола Тесла — приложили свои руки и головы. Но, пожалуй, главная их заслуга — свет на улицах и в домах. Они заложили основы всей системы электрификации, от электростанций и до ламп накаливания, от генераторов и до небольших остроумных деталей — цоколей, патронов, предохранителей и счетчиков. Именно электрические устройства стали полем битвы двух гениев.

Сверхчеловек

Родившийся в Хорватии Никола Тесла довольно рано проявил признаки своего научного гения: уже в детстве его переполняли самые фантастические грезы. Он читал запоем, и герои книг будили в нем желание стать сверхчеловеком: в распорядке дня на сон отводилось не более четырех часов, Тесла изнурял себя учебой, уделяя внимание не только техническим наукам, но и профессионально разбирался в музыке, лингвистике, философии, свободно общался на нескольких языках. Со стороны он, впоследствии названный Резерфордом «пророком электричества», походил на одержимого: таким и счел его профессор Пражского университета Пешль, которому 24-летний студент изложил свою идею генератора переменного тока. Пешль пренебрежительно пожал плечами, но авторитеты для молодого изобретателя перестали существовать. Распродав все свое имущество, он отправился в Америку, к легендарному «королю изобретателей» Томасу Эдисону.

Король изобретателей

Будучи старше Теслы на девять лет, Эдисон уже гремел по всему миру. Он был самоучкой: после того, как однажды учитель назвал Томаса «полным тупицей», возмущенная мать забрала его из школы, и тот продолжил образование самостоятельно. Томас много читал и, не имея достаточно средств на восхитительные игрушки, которыми обладали сверстники, конструировал их сам, попутно дорабатывая и совершенствуя механизмы. На всю жизнь он сохранит такой подход к работе: беря за основу уже существующие принципы и изобретения, улучшать их, доводя до ума.

Гульельмо Маркони признан новатором в радио, Александр Белл сконструировал первый телефон, Луи Жан и Огюст Люмьеры — киноаппарат, но коммерческую выгоду от этих изобретений сумел получить только Томас Альва Эдисон, усовершенствовав их, сделав удобными, популярными и продаваемыми.

Эдисон усовершенствовал телеграфный аппарат и «мимеограф», самопишущее электронное перо: специальная игла наносила на лист бумаги едва заметные отверстия, а типографский валик оттискивал по этому трафарету необходимое число копий. В наши дни этот механизм используется в машинках для татуировок, а во времена Эдисона мимеограф, «дедушка ксерокса», был чрезвычайно популярен среди бизнесменов. Это позволило молодому инженеру не только встать на ноги, но и организовать собственную лабораторию в Менло-Парке, в короткий срок превратив ее в настоящую «фабрику изобретений», на которой трудились десятки ученых и техников. Патенты на микрофон, динамо-машину и другие изобретения сыпались, как из рога изобилия.

Переменный и постоянный

Сюда и направился Никола буквально прямиком с борта трансатлантического лайнера. В те годы Эдисон, уже запатентовавший лампу накаливания и генератор постоянного тока, совершенствовал свою систему электрификации города, опытная модель которой успешно действовала в деловой части Манхэттена. Изучив проект Теслы, Эдисон решил отложить его «под сукно», тем временем предложив молодому сербу поработать над его системой на основе постоянного тока. Тот согласился, однако в тайне продолжил работу над совершенствованием собственного генератора переменного тока и уже через год получил на него патент. Но ревнивый начальник развернул против проекта Теслы настоящую войну, и Тесле пришлось покинуть Менло-Парк.

Тормозные деньги

К счастью, известный промышленник и изобретатель Джордж Вестингауз оказался более сметливым человеком. Присутствуя на одном из докладов Теслы, он сразу оценил его идеи и, потратив миллион долларов, выкупил у него патенты на генераторы, электродвигатели, трансформаторы и другие механизмы. Вскоре принадлежавшая фирме Вестингауза Ниагарская ГЭС начала генерировать переменный ток. Казалось бы, успех полный, однако Эдисон не оставил попыток одолеть строптивого «ученика».

Потерпев фиаско в доказательстве экономической нецелесообразности использования переменного тока, он обратился к другим аргументам — создавал образ смертельной опасности, которой подвергает себя всякий, кто рискнет воспользоваться приборами и механизмами, питающимися переменным электричеством. Действительно, вопрос стоял нешуточный — прежде всего, с финансовой стороны.

Собачьи аргументы

Как раз в те годы парламентом штата Нью-Йорк была создана специальная комиссия для выбора «наиболее гуманного способа приведения в исполнение смертных приговоров». Воспользовавшись моментом, Эдисон устроил показательную демонстрацию: нескольких кошек и собак при большом стечении народа заманили на металлическую пластину, находящуюся под напряжением в 1000 вольт (разумеется, переменным). Пресса подробно живописала смерть несчастных животных.

В борьбу включились и «птенцы гнезда Эдисононова», бывшие и нынешние работники Менло-Парка: инженеры Браун и Питерсон пропустили через собаку постоянный ток напряжением до 1000 вольт — собака мучилась, но не умирала, но переменный ток даже 330 вольт убивал ее мгновенно. Вестингауз использовал все свое влияние, пытаясь опротестовать такие «показательные выступления». В New York Times он опубликовал открытое письмо, в котором обвинил Брауна в том, что тот действует «в интересах и на средства» принадлежащей Эдисону компании — но было уже поздно. Джозеф Шапл стал первым в истории преступником, приговоренным к смертной казни на электрическом стуле, а Эдисон, по слухам, лично сконструировал первый такой аппарат, работавший от генераторов «убийственного» переменного тока компании Westinghouse. Приговор был приведен в исполнение в августе 1890 года. «Топором бы у них получилось лучше», — резюмировал Вестингауз.

Человек-молния

Но неутомимый Никола Тесла придумал эффектный ответный ход. Через несколько лет его представление, состоявшееся на Всемирной выставке в Чикаго, потрясло весь мир. С совершенно спокойным видом он пропускал через себя переменный ток напряжением в миллионы вольт — молнии плясали на поверхности его кожи, но сам он оставался невредимым. А когда объятый электрическими разрядами «сумасшедший» брал в руки не подключенные ни к каким проводам лампы накаливания, они послушно загорались в его руках. Это казалось настоящим волшебством. И вскоре Эдисону пришлось пойти на перемирие: эдисоновская компания General Electric вынуждена была приобрести лицензии на электрическое оборудование у компании Westinghouse.

Сумасшедший гений

Если за Эдисоном с годами все больше закреплялась репутация «изобретателя-предпринимателя», то Никола Тесла приобретал славу сумасшедшего гения. Он мог часами в одиночестве прохаживаться по парку, декламируя наизусть «Фауста», в гостиничную комнату соглашался вселиться лишь в том случае, если ее номер был кратен трем, а микробов боялся панически. Большинство своих изобретений он совершал в голове, так говоря об этом: «Когда появляется идея, я начинаю дорабатывать ее в своем воображении: меняю конструкцию, усовершенствую и «включаю» прибор, чтобы он зажил у меня в голове. Мне совершенно все равно, подвергаю ли я тестированию свое изобретение в лаборатории или в уме». Но на практике не все проходило гладко. Однажды в ходе одного из экспериментов Теслы на расстоянии нескольких километров от его лаборатории в Нью-Йорке стены окружающих домов принялись вибрировать — и только вмешательство полиции спасло их от обрушения. «Я мог бы обрушить Бруклинский мост за час», — признавался позже изобретатель. Но современники с готовностью прощали ему и не такие «шалости». Ведь то, что он делал, действительно далеко опережало все, что умела тогда наука.

В 1915 году New York Times сообщила, что Николе Тесле и Томасу Эдисону могут присудить Нобелевскую премию в области физики. Но ни один из них так и не стал нобелевским лауреатом. Оба великих изобретателя отказались получать эту престижную премию: они не смогли простить друг другу прошлых обид.

В этой большой обзорной статье мы поговорим о том, что изобрёл Никола Тесла, выдающийся изобретатель и учёный. Мы постараемся описать все наиболее важные из его изобретений, а также расскажем о тех, о которых вы могли и не знать.

Никола Тесла — это, пожалуй, один из в мире наравне с или , чей вклад в мировую науку крайне трудно переоценить. Родился и вырос Тесла в Сербии, где и получил образование. Уже со студенческих лет он проявлял самостоятельность мышления и тягу к изобретательству. Позже он переезжает во Францию, а затем в США, где и проживает большую часть своей жизни, занимаясь изобретательством. Количество его патентов включает в себя более 150 изобретений и различных усовершенствований. Некоторые даже считают, что именно Никола Тесла изобрёл 20-й век, так как он был не просто практиком, но и теоретиком.

Интересы Теслы лежали в основном в сфере радиотехники и электротехники, а также в области изучения свойств электромагнетизма и передачи электричества на большие расстояния. Основные его изобретения связаны с переменным током и электрическими машинами, использующим его. Также в нашей статье мы поговорим об изобретениях Теслы в области беспроводного освещения и беспроводной передачи электроэнергии.

Жизнь Теслы в целом была трудной и порой крайне неудачной. Далеко не все его изобретения были коммерчески успешными, он часто становился банкротом или жертвой обмана (Эдисон кинул его на большую сумму) или обстоятельств (например, известный пожар в его лаборатории уничтожил множество прототипов).

Безусловно, что теоретический вклад Теслы огромен, но нас в этой статье будут интересовать прежде всего практические реализации его идей и задумок, поэтому давайте посмотрим на список изобретений Николы Тесла. Для удобства навигации по статье предоставляем небольшое содержание:

Переменный ток

DC — постоянный ток, AC — переменный ток

Прежде чем научиться использовать переменный ток, его необходимо сначала получить. В общем-то о переменном токе физики знали уже давно (со времён открытия электромагнитной индукции) и Тесла его как таковой не открывал, но тогда все полагали, что переменный ток — это попросту «мусор», который вряд ли как-то получится использовать. Тесла же был другого мнения и сразу увидел весь потенциал переменного тока.

Постоянный ток непрерывно течёт в одном направлении; переменный ток меняет своё направление 50 или 60 раз в секунду и у него можно изменять напряжение до высоких уровней, минимизируя при этом потери мощности на больших расстояниях. Позже напряжение переменного тока можно понижать, чтобы использовать его на заводах или в жилых домах. Тесла понял, что будущее принадлежит переменному току.

Тесла описал свои двигатели и электрические системы в статьей «Новая система двигателей переменного тока и трансформаторов», которую он презентовал в Американском институте инженеров-электриков в 1888 году. Именно тогда Джордж Вестингауз заинтересовался разработками Теслы, и однажды он посетил его лабораторию и поразился увиденному. Никола Тесла построил модель многофазной системы из понижающих и повышающих трансформаторов переменного тока, а также двигателя переменного тока. Так началось партнёрство Ветсингауза и Теслы. Позже Никола Тесла получил 40 патентов на свои изобретения в США, а Вестингауз выкупил их все, чтобы обеспечить себя богатством, а Америку переменным током.

Ниже мы как раз и поговорим об этих машинах и о том, как в США внедрялась многофазная система электроснабжения.

Генератор переменного тока

Генератор переменного тока — это электрическая машина, которая является составной частью полифазной системы электроснабжения Теслы, о которой речь пойдёт ниже. Генератор создаёт переменный ток, используя механическую работу (например, генераторы, установленные на дамбах, использующие падающую на их лопасти воду).

Мы не будем объяснять принцип работы генератора. Посмотрите видео ниже, если хотите понять подробнее.

Альтернатор Теслы (другое название генератора переменного тока) превосходил все другие по той простой причине, что он был действительно эффективен на практике. Свой генератор Тесла изобрёл ещё будучи на 2 курсе и уже тогда обращался к своим преподавателям с идеей использования переменного тока, но от его идей все отмахивались, как от бредовых. Некоторые профессора даже просто смеялись над его изобретениями.

В 1882 году Тесла работает в Париже и создаёт первый рабочий прототип своего генератора.

Приехав в 1884 году в США, Тесла направился к тогда уже известному изобретателю и коммерсанту в области электричества Томасу Эдисону и устроился к нему на работу. Попутно Тесла предлагал Эдисону свои идеи по использованию переменного тока, но Эдисон считал, что он сошёл с ума, раз думает, что переменный ток можно хоть как-то использовать. Дошло даже до того, что Тесла, не поняв сарказма Эдисона, подумал, что получит большую сумму от Эдисона, если сделает несколько десятков определённых изобретений на заказ. Тесла их сделал, а Эдисон сказал, что пошутил, а Тесле рекомендовал научиться понимать американский юмор.

В 1891 году Тесла получает в США патент на первый в мире альтернатор.

Многофазный генератор Теслы мощностью 500 л.с. (около 370 кВт) на выставке Вестингауза

Двигатель переменного тока

Двигатель переменного тока или асинхронная машина — это ещё один этап в развитии идей применения переменного тока. Генератор переменного тока мы уже обсудили, значит электричество мы получаем, но что с ним делать дальше? У нас ведь нет машин, которые бы работали от переменного тока! Вот Тесла их и изобрёл.

Патент Теслы на электрический двигатель 1888 года

В 1880-е года множество изобретателей пыталось изобрести рабочие варианты двигателей переменного тока, но сделать этого не удавалось. Галилео Феррарис занимается теоретическим исследованием создания двигателей переменного тока и приходит к ошибочному выводу, что они попросту не могут быть эффективными и коммерчески успешными. Это добавило мотивации изобретателям всего мира, это звучало как вызов — создать эффективный двигатель переменного тока. Тесла отвечает на этот вызов и демонстрирует в 1887 году свой первый вариант двигателя, работающего на переменном токе, а в 1887 году совершенствует свою модель, выпуская вторую машину.

Один из оригинальных электрических моторов Теслы 1888 года.

Основная причина, по которой рациональное использование двигателей переменного тока казалось невозможным, заключалась в том, что они были однофазовыми. Тесла же обосновал теоретически и доказал практически, что можно не ограничиваться одной фазой, а делать две или больше фаз.

На картинке ниже показано схематически устройство двух- и трёхфазных двигателей переменного тока:

Позже Тесла изобретает и патентует множество модифицированных моторов и двигателей переменного тока. Все эти патенты, как писалось выше, Тесла продаёт Вестингаузу.

Двухфазный электрический двигатель переменного тока из коллекции Вестингауза.

4-х фазный электрический двигатель переменного тока из коллекции Вестингауза.

Полифазный электрический двигатель переменного тока из коллекции Вестингауза.

Многофазная система электроснабжения

Тесла обратил внимание, что электрические станции постоянного тока Эдисона неэффективны, а Эдисон уже застроил ими всё Атлантическое побережье США. Чтобы преодолеть недостатки постоянного тока, надо было, по идее Теслы, использовать переменный ток. Многофазной такая система называется потому, что двигатели и генераторы имеют несколько фаз (см. пояснения выше).

Лампы Эдисона были слабыми и неэффективными при использовании постоянного тока. Вся эта система имела один большой недостаток в том, что она не могла транспортировать электричество на расстояние более 3 км из-за неспособности изменять напряжение до высокого уровня, необходимого для передачи на большие расстояния. Поэтому электростанции постоянного тока устанавливались с интервалом в 3 км.

Схема работы многофазных систем электроснабжения

Переменный ток, как писалось выше, мог достигать больших напряжений и поэтому его можно было передавать на огромные расстояния (выйдите из дома и посмотрите на ближайшие высоковольтные линии электропередач, это оно самое).

Когда Эдисон узнал, что у него появился столь мощный конкурент, он понял, что может потерять свою империю постоянного тока. Именно так и началась война между Вестингауза вместе с Теслой против Эдисона, которую назовут войной токов. Эдисон начал усиленно пытаться дискредитировать изобретение Теслы, показывая, что переменный ток более опасен для жизни, чем постоянный.

Стоит также отметить, что когда Тесла приехал в США, то сначала он предложил свои разработки Эдисону, но он назвал всё это вздором и сумасшествием.

Эдисон бил переменным током животных на публике, чтобы привести их в ярость и доказать, что этот вид тока опасен. Однажды Эдисон узнал об идее одного врача, об использовании переменного тока для умерщвления людей. Реализация не застала себя ждать. Так был изобретён электрический стул, который впервые применили к Уильяму Кеммлеру, виновному в убийстве своей любовницы.

Эдисон долго не мог придумать для своего нового изобретения название, но ему больше всего нравилось слово «увестингаузить», правда ни один из них, как мы теперь видим, не прижился.

Тесла тоже не сидел без дела и отвечал на все попытки дискредитации Эдисона. Он стремился наоборот показать, что переменный ток не опасен и показывал это, при помощи скин-эффекта.

Австралийский любитель электрического эксгибиционизма Питер Террен бьёт себя в течение 15 секунд током в 200 000 вольт при помощи катушки Тесла, демонстрируя скин-эффект.

Как мы знаем, Тесла и Вестингауз в конечном итоге победили, поэтому переменный ток стал повсеместным явлением. Понадобилась целая экономическая и юридическая война, чтобы обеспечить Америку и весь мир более прогрессивным изобретением.

Катушка или трансформатор Теслы

Тесла изобрёл свою катушку примерно в 1891 году. В то время он повторял эксперименты Герниха Герца, который обнаружил электромагнитное излучение тремя годами ранее. Тесла решил запустить его устройство вместе с высокоскоростным генератором переменного тока, который он разрабатывал в рамках улучшения системы дугового освещения, но он обнаружил, что ток высокой частоты перегревает стальной сердечник и плавит изоляцию между первичной и вторичной обмотками в катушке Румкорфа, которая использовалась по умолчанию в экспериментах Герца. Для устранения этой проблемы Тесла решает изменить конструкцию таким образом, чтобы образовался воздушный зазор между первичной и вторичной обмотками, вместо изоляционного материала. Тесла сделал так, что сердечник мог быть перемещён в различные положения в катушке. Тесла также установил конденсатор, который обычно используются в таких установках между генератором и его первичной катушкой обмотки, чтобы избежать выгорания катушки. Экспериментируя с настройками катушки и конденсатора, Тесла обнаружил, что он мог бы воспользоваться возникающим резонансом между ними для достижения более высоких частот.

В катушке трансформатора Теслы конденсатор, после пробивания короткой искры, подключался к катушке из нескольких витков (первичная катушка), формируя таким образом резонансный контур с частотой колебания, как правило, 20-100 кГц, определяемый ёмкостью конденсатора и индуктивностью катушки.

Конденсатор заряжался до напряжения, которое необходимо для пробоя воздушного искрового промежутка, при входном линейном цикле, что достигает примерно 10 киловольтам при использовании линейного трансформатора, который подключён через воздушный зазор. Линейный трансформатор был спроектирован так, чтобы иметь более высокую, чем обычно, индуктивность рассеяния (параметр, отражающий неидеальность трансформатора), чтобы выдерживать короткое замыкание, возникающее в то время, когда зазор оставался ионизированным, или в течение нескольких миллисекунд, пока ток высокой частоты не исчезал.

Искровой разрядник настраивался таким образом, чтобы его пробой происходил при напряжении, которое несколько меньше пикового выходного напряжения трансформатора, чтобы максимизировать напряжение на конденсаторе. Внезапный ток, проходящий через искровой промежуток, вызывает резонанс первичной резонансной цепи на её резонансной частоте. Кольцевая первичная обмотка магнитно соединяет энергию с вторичной обмоткой в течение нескольких радиочастотных циклов, пока вся энергия, которая первоначально была в первичной обмотке, не перенесётся на вторичную. В идеале зазор затем прекращает проведение тока (гашение), захватывая всю энергию в колебательный вторичный контур. Обычно промежуток снова начинает расти, а энергия вторичных передач возвращается к первичной цепи в течение ещё нескольких радиочастотных циклов. Цикл энергии может повторяться несколько раз, пока искровой промежуток окончательно не ослабнет. Как только зазор прекратит проводить ток, трансформатор начнёт заряжать конденсатор. В зависимости от напряжения пробоя искрового промежутка, он может срабатывать много раз на протяжении всего цикла переменного тока.

Применение можно разделить на практическое и чисто декоративное. Практическое применение тока катушки Тесла нашли в радиоуправлении, радио и беспроводной передачи энергии для питания различных устройств (например, лампочек). Генератор Теслы обнаружил и неожиданное применение в медицине. Арсен Д’Арсонваль применил токи, создаваемые генератором, для физиотерапевтического воздействия на поверхность кожи и слизистые различных органов человека. Ток проходил по поверхностным слоям кожи и оказывал тонизирующий и оздоровляющий эффект. Также катушки Тесла применяются для работы газоразрядных лапм и обнаружения течи внутри вакуумных систем.

Но гораздо большую распространённость катушки Тесла получили в сфере спецэффектов и декораций, ведь разряды, создающиеся трансформатором Тесла выглядят крайне эффектно и красиво.

Пример работы катушки Тесла можете посмотреть на видео:

Интересно также понаблюдать и за музыкальными свойствами данных катушек, которые достигаются за счёт изменения частоты:

Интересно, что в своё время в 20-м веке пытались продавать катушки Теслы, как эффективный способ защитить вашу машину от угона:

Также подобные катушки используются в различных центрах, чтобы развлечь посетителей и попытаться увлечь молодёжь красотой физических эффектов, а также в аттракционах:

Беспроводное освещение

В 1891 году Тесла усовершенствовал передатчик волн, изобретённый Герцом, который был необходим для радиочастотного снабжения энергией, переделав его в систему освещения, состоящую из газоразрядных ламп.

В этом же году он продемонстрировал в Колумбийском колледже своё изобретение.

Когда мы говорим о том, что освещение беспроводное, не имеются в виду радиоволны, речь идёт об электростатической индукции.

В руках у Теслы две длинные трубки Гейсслера, которые похожи на неоновые лампы.

В 1893 году в Чикаго проходит всемирная выставка, где Тесла демонстрирует своё изобретение. Лампы были не только беспроводными, но и люминесцентными.

В 1894 году новое достижение. Удаётся зажечь фосфорную лампу накаливания в своей лаборатории, используя резонансный метод взаимоиндукции.

Правда широкого коммерческого применения такая лампа найти не смогла, но резонансный метод индуктивной связи сейчас применяется повсеместно в электронике.

Башня Теслы

Тесла не остановился на беспроводной системе освещения и пошёл дальше. Он решил, что можно в принципе не использовать высоковольтные провода для передачи тока и передавать всю электроэнергию посредством воздуха. Для этого он хотел построить огромную экспериментальную установку в Нью-Йорке, известную как башня Теслы или башня Ворденклиф. Позже, проводя свои эксперименты и наблюдения над молниями, Тесла пришёл к ошибочному выводу, что может использовать весь земной шар, чтобы проводить ток.

Одна из страниц патента на башню Теслы

Деньги на строительство от получил от известного в то время финансиста Дж. П. Моргана, которому он сообщил, что башня будет использоваться для трансатлантической беспроводной телефонии и вещания, на чём Морган планировал заработать. По сути это была первая подобная башня в своём роде.

В 1901 году началось строительство башни и продолжалось до 1903 года. Вторую башню-приёмник планировалось построить около Ниагарского водопада. Когда первую башню в Ворденклифе почти достроили, Морган понял, что беспроводная передача электроэнергии может привести к обрушению всего рынка, в котором он имел вложения (ему принадлежала Ниагарская ГЭС), то он прекратил финансирование проекта Теслы. В мае 1905 года Тесла также потерял свой доход от патентов по истечению срока, поэтому он оказался банкротом и завершить строительство второй башни так и не удалось.

Как устроена башня Теслы

Башня в Ворденклифе представляла из себя огромную катушку Теслы высотой около 60 метров, на верхушки которой была большая медная сфера. Башня генерировала молнии длиной до 40 метров, а гром от высвобождаемой электроэнергии порождал гром, который можно было услышать за 24 километра от башни. Вес башни достигал 55 тонн, а диаметр 21-го метра.

Башня Уорденклифф изнутри

В 1905 году был произведён тестовый пуск, который произвёл шокирующий эффект. В газетах писалось, что Тесла сумел зажечь небо над океаном на тысячи миль. Вокруг же самой башни лошади получали удары током и даже крылья бабочек наэлектризовались до такой степени, что вокруг них можно было видеть «Огни Святого Эльма» (коронный разряд).

К сожалению, башню снесли в 1917-м году.

Изобретение радио и радиоуправления

Тесла демонстрирует свою радиоуправляемую лодку

20-й век крайне богат на различные изобретения и технические новинки. Многие изобретались параллельно в различных вариациях, при этом кто-то патентовал свои изобретения, а кто-то это сделать не мог или не хотел по каким-то причинам. Поэтому достаточно сложно установить, кто же первым изобрёл радио. Так, например, в США считают, что радио изобрели Дэвид Хьюз, Томас Эдисон и Никола Тесла, которые сделали соответствующий технический вклад для этого изобретения; в Германии полагают, что радио изобрёл Генрих Герц, а во Франции — Эдуард Бранли; В Белоруссии в изобретатели радио записывают Якова Наркевича-Иодку; В Бразилии полагают, что изобретателем радио был Ландель де Муру; в Англии — Оливер Джозеф Лоджа; в СССР же общепринятым было считать изобретателем радио Александра Степановича Попова и так далее ещё для многих стран. Гульермо Маркони же следует считать не изобретателем радио, как технологии или законченной системы, а как создателем первой успешной в коммерческом плане реализации системы радио.

Все их патенты и изобретения появлялись в промежутке 1880-1895 годов и все они занимались исследованием радиоволн. Попросту говоря, они все были изобретателями радио в той или иной степени, делая свой вклад в развитие теории передачи информации.

Но что же сделал Тесла? А он сделал тоже не мало. Он описал принципы, по которым можно было передавать радиосигнал на большие расстояния, провёл ряд собственных экспериментов по передаче сигналов, а также создал первую радиоуправляемую лодку, которую продемонстрировал на электротехнической выставке в 1898 году. Правда он не считал, что при помощи радиоволн возможно общение.

Радиоуправляемая лодка Николы Теслы

Одна из страниц патента на радиоуправляемую лодку Николы Тесла

На видео вы можете посмотреть лодку, которую собрали в 2015 году по подобию той, что была у Теслы:

Лодка контролировалась при помощи радиоуправления. Тесла продемонстрировал эту лодку в 1898 году на выставке электротехнике в Мэдисон Сквер Гарден. Там она произвела фурор. Представьте себе людей того времени, которые не понимали, каким образом Тесла управляет лодкой, приказывая ей плыть в то или иное место. Кроме слова «магия» здесь сложно что-то было подобрать для обывателя того времени.

Хотя газетчики того времени сразу начали называть изобретение Теслы «радиоуправляемой торпедой» (видимо, из-за того, что в то время Томас Эдисон пытался изобрести подобную торпеду и продать военным), сам же Тесла не нацеливался на войну. В 1900 году журнал Centure взял интервью у изобретателя, где тот сообщил, что целью его изобретения является попытка создать «искусственный интеллект», так как современные автоматы попросту заимствуют разум человека и откликаются только на его приказы. Тесла полагал, что однажды люди сумеют создать машину со своим собственным разумом. Что же, спустя более чем 100 лет мы пока можем утверждать, что такой машины мы не создали.

Позже во время Второй мировой войны нацисты догадаются использовать радиоуправления для создания дистанционно управляемых танков.

Безлопастная турбина Теслы

Турбина Теслы из музея

Эту турбину Тесла запатентовал в 1913 году. Изобретение турбины без лопастей по сути было вынужденным, так как для изготовления турбины с лопастями не было подходящих технологий, да и аэродинамическая теория ещё не была создана, поэтому Тесла решил использовать эффект пограничного слоя, а не давление вещества на лопатки, как сейчас широко распространено в традиционных турбинах.

Часто можно встретить утверждения, что КПД его турбины может теоретически достигать 95%, но на практике на заводах Вестингауза такая турбина показала КПД в районе 20%. Хотя позже различные модификации турбины другими изобретателями доводили КПД до 40% и более.

Очень хорошо принципы работы турбины Тесла на английском языке объяснены в этом видео:

По состоянию на 2016 год турбина Теслы так и не нашла широкого коммерческого использования с момента своего изобретения. Пока что ей удалось найти узкое применение в насосах. Связано это в первую очередь с тем, что диски внутри турбины сильно деформируются во время работы и это сказывается на общей эффективности применения турбины. Хотя сейчас продолжаются технологические поиски, чтобы решить все возникающие проблемы. Сравнительно недавно вопрос о деформации дисков частично был решён с использованием новых материалов, таких как углеродное волокно.

Клапан Тесла

Данный клапан был изобретён Теслой в 1920 году и почему-то многие даже не слышали об этом интересном изобретении. Суть в том, что этот однонаправленный клапан не имеет подвижных частей . Затор в клапане создаётся за счёт того, что основной поток ветвится и его ответвления направляются обратно, что постепенно замедляет основной поток.

Когда газ или жидкость течёт в прямом направлении, они слегка отклоняют и текут как бы по зигзагу, но не находя большого сопротивления. Можете посмотреть это на видео ниже, где для наглядности в поток добавлены шарики:

Однако, когда поток течёт в обратном направлении, то он ветвится таким образом, что ответвлённый поток направляется против основного, что вызывает сопротивление. И так повторяется на каждом ответвлении, из-за чего поток останавливается. Этот принцип вы можете наблюдать на видео ниже:

Конечно, нужно понимать, что данный клапан не предназначен для того, чтобы быть пробкой для бутылки или что-то в этом роде, так как он плохо работает при низком давлении потока. Однако, стоит начать использовать высокое давление, как соотношение давления между основным и ответвлённым потоком выравниваются.

Тесла изобрёл клапан, когда разрабатывал бесступенчатую турбину. Но так оказалось, что клапан стал самостоятельным изобретением, так как Тесла понял, что турбина лучше взаимодействует с ламинарным потоком, а клапан лучше работает с импульсным.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ …

Истоия откытия — переменный ток

       Конец XIX века можно однозначно назвать началом электрической эры. Именно тогда было сделано множество изобретений, которые можно считать прототипами современных устройств и приборов.
Начало электрической эры

       Из курса физики известно, что работа, которая совершается в электрической цепи, если в ней протекает переменный электрический ток, полностью превращается в тепло, если цепь имеет только активное сопротивление. Этот принцип лежит в основе работы всем известной электрической лампочки, запатентованной Томасом Эдисоном в 1879 году.

      В конце XIX века начали проводиться первые попытки внедрения электричества в повседневную жизнь: совершенствовались электрические генераторы, строились первые линии электропередач. Использовать электрический ток первоначально предполагалось для освещения в качестве альтернативы свечам, керосиновым лампам и газовым фонарям.
«Война токов» и ее победители

    Наличие в арсенале потребителей электрического тока только устройств для освещения заметно сужало массовость их применения. Постепенно назревала необходимость в надежном устройстве, способном преобразовывать электрическую энергию в механическую. Этот период теперь характеризуют как «Война токов». Дело в том, что первоначально распространение получил постоянный электрический ток. Именно он использовался в построенной Эдисоном схеме производства и потребления электроэнергии, которая была рассчитана на целый городской район и соединяла нужным образом электролампы, провода, электрогенераторы, розетки, вилки и т. п.

В противоположность Эдисону известный хорватский ученый Никола Тесла был по сути создателем переменного электрического тока и долгое время работал над созданием устройств его генерирующих и потребляющих. Какое-то время он даже работал в производственной компании Эдисона, но будучи сторонником идей, не признаваемых своим руководителем, вскоре был вынужден сменить место работы. В результате долгих теоретических изысканий и экспериментов ему удалось создать трансформатор, в котором переменный ток трансформировался до более высокого напряжения при сравнительно малой силе тока. В таком виде его можно было передавать на большие расстояния без существенных потерь. Для потребителей ток вновь понижался трансформатором до определенных значений. Таким образом, была заложена основа всех современных централизованных систем электроснабжения.

Такое преобразование возможно только в цепях переменного тока. В случае использования постоянного тока построение эффективной системы электроснабжения невозможно. Поэтому в электрических схемах Эдисона, использовавших постоянный ток, планировалось строительство электростанций в каждом городском районе во избежание больших потерь. Кроме того, Тесла открыл вращающееся магнитное поле и стал применять несколько электрических фаз. Эти открытия легли в основу созданного Никола Тесла в 1884 году асинхронного двигателя, который достаточно широко распространен в наше время и является одним из самых основных потребителей переменного электрического тока.Таким образом «Война токов» была, бесспорно, выиграна Никола Тесла, а вместе с ним выиграли и все мы, получив возможность пользоваться многочисленными удобствами, основой многих из которых стали изобретения великого ученого.

Переменный ток тесла

Никола Тесла и передача электроэнергии переменным током

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Почти весь XIX век в практических применениях безраздельно господствовал постоянный ток. Главным препятствием широкой электрификации в то время была невозможность передачи электроэнергии на большие расстояния, а переходу на переменные токи мешало отсутствие эффективных электродвигателей переменного тока. Решение было найдено в новаторских работах гениального электротехника Николы Тесла.

Причин популярности постоянного тока тогда было несколько. Прежде всего, источниками тока служили гальванические батареи, и все производимые генераторы и моторы также были постоянного тока. Инженеры мыслили электрогидравлическими аналогиями, в которые не укладывалась идея потоков, меняющих свое направление, поэтому, например, приверженность Эдисона постоянным токам казалась вполне оправданной. Между тем недостатки устройств постоянного тока становились все более очевидными в связи с плохой работой коллектора электрических машин (искрением и износом), проблемами освещения и, главное, невозможностью передачи электроэнергии на большие расстояния.

Электрическое освещение стали использовать после появления дуговых ламп, среди которых наиболее простой была свеча Яблочкова в виде двух вертикально расположенных угольных электродов, разделенных слоем изолирующего материала [1–4]. Вскоре выяснилось, что на постоянном токе разнополярные электроды сгорают неодинаково, поэтому Яблочков предложил питать свечи переменным током, для чего совместно с известным французским заводом Грамма разработал специальный генератор переменного тока, конструкция которого оказалась столь удачной, что его производство доходило до 1000 штук в год [2]. Другое важное изобретение Яблочкова — это схема «дробления света» с использованием индукционной катушки (прообраза современного трансформатора) для параллельного питания от одного генератора любого числа свечей, подобно газовому освещению.

Однако эксплуатация выявила серьезные недостатки дугового освещения, особенно в быту: необходимость замены свечей через каждые два часа, шум, мерцание, большая дороговизна по сравнению даже с газом. Поэтому уже с начала 1890-х гг. электрические свечи были почти повсеместно вытеснены лампами накаливания Эдисона и применялись только в прожекторах или для больших пространств. Тем не менее, именно Яблочкову мы обязаны введением переменных токов в практическую электротехнику, что, в конечном счете, привело к решению острой проблемы дальней передачи электроэнергии, называемой тогда проблемой «распределения света».

Освещение по системе Эдисона имело низкое напряжение, 110 В, поэтому в каждом районе требовалось строить свою электростанцию. Например, в Петербурге из-за дороговизны земли такие электростанции ставились на баржах, стоящих в реках Мойке и Фонтанке [2]. Было ясно, что крупные генерирующие станции выгоднее строить вблизи рек и угольных бассейнов, вдали от городов. Но тогда для дальней передачи нужно или увеличивать сечение подводящих проводов, или повышать напряжение. Для проверки первого подхода на практике русский изобретатель Федор Апполонович Пироцкий предлагал использовать железнодорожные рельсы. Второй путь (повышение напряжения) был испробован французским инженером, впоследствии академиком Марселем Депре (Marcel Deprez), построившим несколько линий передачи постоянного тока с напряжением до 6 кВ. Первая из них, с напряжением 2 кВ, имела длину 57 км и питала двигатель постоянного тока с насосом для искусственного водопада на Мюнхенской электротехнической выставке 1882 г. [2, 4]. Однако для систем освещения такое высокое напряжение было непригодно.

Более простое решение — переход на однофазный переменный ток с повышающими и понижающими трансформаторами — было предложено известной компанией «Ганц и Ко» из Будапешта для освещения оперных театров в Будапеште, Вене и Одессе [2]. Талантливые инженеры этой компании, Микша Дери (Miksa Dèri), Отто Блати (Otto Blathy) и Карой Циперновски (Karoly Zipernowsky), создали в 1884 г. наиболее совершенные конструкции трансформатора (и они же придумали сам этот термин). Отто Блати также изобрел первый электрический счетчик электроэнергии и прославился как выдающийся шахматист.

Рис. 1. Дистанционная передача Депре

Однако развитие промышленности требовало мощных приводов, которые не могли быть созданы на базе электродвигателей переменного тока с питанием от однофазной осветительной сети. Эта проблема формулировалась как «электрическая передача механической энергии» или «передача силы»[4]. Одно из ее первых решений было предложено Депре в 1879 г. в виде дистанционной передачи в опытный вагон движения поршней паровой машины (рис. 1) [5].

У нее был датчик в виде щеточного коммутатора (1) и приемник (2), содержащий ротор (3) с двумя взаимно перпендикулярными катушками, который в свою очередь был подключен к коммутатору (4) и находился в поле магнита (5). Устройство работало со скоростью до 3000 об/мин и с моментом до 5 Нм. Эта идея позднее получила свое развитие в виде сельсинных передач и шаговых двигателей, однако подходила для использования только в приборных системах.

Решение этой проблемы в целом пришло из-за океана, где появился деятельный человек, интуитивно осознавший грядущий переход на переменный ток. Это был Джордж Вестингауз (George Westinghouse) (рис. 2) — видный американский промышленник в сфере оборудования железных дорог, основатель компании Westinghouse, решивший заняться еще и электротехническим бизнесом [2, 4].

Рис. 2. Джордж Вестингауз (1846–1914)

Для того чтобы выйти на рынок со своей продукцией, ему нужны были новые патенты, поскольку основные патенты в этой области принадлежали Эдисону, Вернеру Сименсу (Verner Siemens) и другим конкурентам. Перевести освещение на переменный ток было сравнительно просто, и Вестингауз легко вышел на этот рынок, закупив европейские генераторы и трансформаторы и запатентовав ряд своих ламп накаливания. В 1893 г. он получи большой подряд на электрификацию Всемирной выставки в Чикаго, установив там 180 тыс. ламп накаливания и тысячи дуговых ламп [4].Однако электрические машины были совсем другим делом, поэтому для их разработки он подыскал через патентное ведомство никому не известного изобретателя Николу Теслу, имевшего десятки патентов на системы переменного тока. На встрече в Нью-Йорке в 1888 г. Вестингауз предложил Тесле уступить ему все уже полученные и будущие патенты в обмен на один миллион долларов, пост технического руководителя завода в Питтсбурге и один доллар за каждую л. с. двигателей и генераторов по системе Теслы, установленных на территории США в течение ближайших 15 лет. Третье условие соглашения сыграло в дальнейшем важную роль. Тесла все эти условия принял, и так началось его плодо­творное сотрудничество с Вестингаузом [4]. Будущий великий электротехник Никола Тесла (рис. 3) родился в семье сербского священника, жившей в Хорватии. Учился в Градском политехникуме и Пражском университете, но, не закончив их, поступил на работу в отделение компании Эдисона в Париже, откуда перебрался в США с рекомендательным письмом от директора отделения самому Эдисону.

Письмо гласило: «Я знаю двух великих людей: один из них вы, а второй — молодой человек, которого я вам рекомендую». Разумеется, Тесла был принят незамедлительно, и ему поручили самую ответственную работу с электротехническим оборудованием, включая ликвидацию аварий.

Рис. 3. Никола Тесла (1856 – 1943)

Впрочем, работа в этой компании продолжалась недолго. Поводом к расставанию якобы послужил отказ Эдисона выплатить обещанную премию в 50 тысяч долларов за совершенствование генераторов постоянного тока. Когда Тесла напомнил об этом шефу, тот сказал: «Молодой человек, вы не понимаете американского юмора» [4]. Однако скорее всего причиной ухода Теслы было упорное нежелание Эдисона разрешать молодому сербу заниматься бесколлекторным электродвигателем переменного тока, с мечтой о котором Тесла прибыл из Европы. Поэтому, разумеется, Тесла с радостью принял предложение Вестингауза, которое предоставляло ему прекрасные возможности для работы над своей идеей.

Еще в мае 1888 г. Тесла получил семь патентов США на системы переменного тока и бесщеточные двигатели [4]. Главным в них было новаторское предложение строить всю цепочку генерации, передачи, распределения и использования электроэнергии как многофазную систему переменного тока, включающую генератор, линию передачи и двигатель переменного тока, названный Теслой «индукционным». Пример такой системы показан на рис. 4.

Здесь: 1 — синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и с двумя взаимно перпендикулярными фазами обмотки ротора (2), соединенными через контактные кольца (3) и линию передачи (4) с двухфазным индукционным двигателем (5) с обмоткой статора (6) и ротором (7) в виде стального цилиндра со срезанными сегментами [4]. Действие такого двигателя, называемого теперь асинхронным, объяснялось формированием «перемещающегося», а по современной терминологии вращающегося магнитного поля. Для линии дальней передачи предлагалось включение двухфазных повышающего и понижающего трансформаторов. В мае того же года Тесла выступил с большим докладом о многофазных системах на семинаре Американского института инженеров-электриков AIEE (предшественника IEEE). Продолжая исследования, он вскоре реализовал и другие идеи: двухфазный и трехфазный асинхронный двигатель с обмоткой в звезду, трехфазный генератор с нейтралью и без, трех- и четырехпроводные линии электропередачи и т. д. Всего по многофазным системам у Теслы был 41 патент [2].

Рис. 4. Двухфазная система Теслы

Несомненно,Тесле принадлежит патентный, а Вестингаузу промышленный приоритет на многофазные системы переменного тока, поскольку им сразу же было развернуто массовое производство двигателей, генераторов и другой аппаратуры таких систем. Вершиной этой бурной деятельности было строительство в 1895 г. самой крупной по тем временам Ниагарской электростанции на американском берегу Ниагарского водопада, высота которого составляла 48 метров. На плотине было установлено 10 двухфазных генераторов по 3,7 мВт каждый, а также проложена линия электропередачи 11 кВ длиной 40 км в Буффало, где был создан промышленный район с многочисленными потребителями электроэнергии переменного тока [2, 4].

Рис. 5. Опыт Теслы

Однако Теслу тяготила производственная деятельность, и он ушел от Вестингауза, желая и дальше развивать идею дальней передачи электроэнергии, но уже без проводов. Этим он и стал с увлечением заниматься в собственной лаборатории.Его первой мыслью было создать с помощью высоковольтного и высокочастотного излучателя мощное электрическое поле, действующее на значительные расстояния, из которого потребитель мог бы черпать электроэнергию. Тесла изобретает первый электромеханический СВЧ-генератор, использованный позднее в первых радиостанциях и для индукционного нагрева, передающую и приемную антенны, а также резонансный контур приемника для выделения определенной частоты. Всех поразил опыт Теслы, когда при включении генератора безо всяких проводов в его руках загоралась электрическая лампа, как показано на рис. 5.

Тесла был в одном шаге от изобретения радио, но не пошел по этому пути, поскольку его занимала мысль о передаче электроэнергии, а не информации. Однако именно ему принадлежит приоритет в создании телемеханики, реализованной в 1898 г. в виде дистанционно управляемого водяного катера.

Тем временем, многочисленные опыты показывали, что электролампу удается зажигать только на расстоянии не более нескольких сотен метров. Тесла попытался реализовать другой способ передачи электро­энергии: не через атмосферу, а прямо сквозь землю путем возбуждения в земном шаре, как огромном конденсаторе, поверхностных стоячих волн, в пучности которых можно было отбирать энергию в любой точке поверхности Земли. Для этого он построил в местечке Уорденклиф под Нью-Йорком огромную антенну с мощным надземным и подземным возбудителями, подключенными к отдельной электростанции, как показано на рис. 6. Опыты с этой башней по беспроводной передаче электроэнергии в период с 1899 по 1905 г., судя по всему, не дали желаемого эффекта, поскольку Тесла их неожиданно забросил, не опубликовав результатов. И ученые до сих пор спорят, чего же все-таки достиг Тесла в этом эксперименте, поскольку он работал без помощников и не оставил никаких записей [4, 6].

Рис. 6. Башня Уорденклифф

Задача беспроводной передачи электроэнергии не решена до сих пор. Последние достижения используют узконаправленные микроволновое или лазерное излучения для удаленного электропитания космических аппаратов от спутника с солнечными батареями или от управляемых дронов [7]. Экспериментально доказана возможность передачи порядка десятка киловатт на расстояние километров. Другое направление разработок — это лазерное оружие, предвозвестником которого был знаменитый «Гиперболоид инженера Гарина». Тем не менее заслуги Теслы были всемирно признаны. В честь него единица индукции магнитного поля в системе SI названа «тесла», он был избран членом и почетным доктором наук многих академий и университетов. Одна из самых престижных наград IEEE — медаль Теслы — ежегодно присуждается за выдающиеся заслуги в области производства и использования электроэнергии. Тесле принадлежит около 800 патентов, причем, в отличие от патентов Эдисона, они считаются более новаторскими. Существует несколько памятников Тесле и посвященных ему музеев, среди которых самый впечатляющий находится в Белграде, выпущены банкноты с его портретом (рис. 7).

Рис. 7. Банкнота Сербии

Однако личная жизнь Теслы сложилась неудачно [4, 6]. В конце XIX в. в США разразился экономический кризис, поставивший компанию Вестингауза на грань разорения. Узнав об этом, Тесла явился в штаб-квартиру своего бывшего патрона и публично разорвал их первичное соглашение, потеряв около 10 млн долларов, причитавшихся ему в соответствии с третьим пунктом этого договора. Буквально через две недели после этого великодушного жеста дотла сгорела его великолепная лаборатория, и он остался без средств. В отличие от Эдисона, он не был бизнесменом и вложил все, что у него имелось, в эту лабораторию. После этого Тесла был вынужден проводить свои дальнейшие исследования на различные гранты и пожертвования, в частности, башня Уорденклифф была построена на деньги американского финансиста Моргана.

Биограф Теслы Велимир Абрамович писал: «Пытаясь представить себе Теслу, я не вижу его улыбающимся, а наоборот, грустным…» [6]. Тесла не пил вина, никогда не знал женщин, не имел семьи и умер в одиночестве и бедности в отеле «Нью-Йоркер» [4].

Потребность в передаче электроэнергии на большие расстояния возникла в конце XIX в., прежде всего в связи с широким внедрением систем освещения.

• Такая передача на постоянном токе была технически целесообразной только при высоком напряжении и практически неприемлемой для низковольтного освещения.

• Линии передачи переменного тока с трансформаторами удовлетворяли задачам освещения, однако для промышленности требовались мощные электродвигатели, все известные конструкции которых были постоянного тока.

• Решение этой комплексной проблемы было предложено изобретателем Теслой и предпринимателем Вестингаузом, создавшими многофазные системы переменного тока с синхронными генераторами, линиями передачи и асинхронными двигателями.

• Исследования же Теслы по беспроводной передаче электроэнергии до сих пор не получили практического завершения.

 

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Литература

Величайшие открытия Николы Тесла, о которых нужно знать

Никола Тесла – «человек, который сделал 20 век». Так о нём говорят современники. Это ученный сербского происхождения, который большую часть своей деятельности провёл в США. Годы жизни – 1856-1943. Он изобрёл несколько вариантов двигателя и генератора переменного тока, и вся его научная жизнь была направлена на продвижение идей использования переменного тока, беспроводной и бесплатной передачи энергии. Также учёный активно изучал идеи свободной энергии, которые сейчас пытаются реализовать различные лжеученные и шарлатаны с целью наживы. В этой статье мы рассмотрим величайшие изобретения Николы Тесла и какие из них используются в современном мире.

Переменный ток

В конце 19 – начале 20 века в истории электротехники был период, который часто называют «Война токов». Её смысл заключался в борьбе между сторонниками сетей постоянного и сетей переменного тока, или же борьбой между Томасом Эдисоном и Николой Тесла. В ходе борьбы на Теслу и его единомышленников происходило как финансовое, так и моральное давление типа чёрного пиара и клеветы.

Патент № 447921 – генератор переменного тока, который датируется 10 марта 1891 года. Соответственно Никола Тесла продвигал идеи использовать для электроснабжения переменный ток – это было экономически выгоднее, поскольку за счёт преобразования величин напряжений с помощью трансформаторов удавалось уменьшить нагрузку на длинных линиях, например, между городами. Это позволяло использовать провода меньшего сечения, что значительно снижало стоимость развития инфраструктуры. Если говорить кратко, то переменное напряжение одержало победу в войне, однако в США последний потребитель постоянки был отключен аж в 2007 году. Кстати первую большую электростанцию построили на Ниагарском водопаде в 1894 году, где были установлены 10 трёхфазных генераторов общей мощностью 75 МВт. Это было детищем тандема Тесла-Вестингауз. Там же установлен памятник великому ученному.

Катушка Теслы

Первое что приходит в голову, когда звучит фамилия этого изобретателя – это катушка Теслы. Она активно используется в любительских электронных самоделках и демонстрациях на разнообразных выставках. Внешне представляет собой столб с расширением на конце, из которого извлекаются электрические разряды или молнии.

Никола Тесла использовал это устройство для генерации тока высокой частоты и передачи его на расстояния. Фактически её устройство напоминает трансформатор, где есть две обмотки и генератор высокой частоты.

Башня Вондерклифф

Эта конструкция была собрана для беспроводной передачи данных и электричества. Однако идея не была воплощена, а инвесторы прекратили финансирование, когда стало известно, что создатель вложил в изобретении идеи бесплатной электрификации. Конструкция представляла собой 47 метровую деревянную башню с медной полусферой на вершине. Деньги перестали выделяться уже на финальных этапах строительства из-за чего выдающийся инженер остался на грани банкротства и остановил строительство.

По одной из версий башня создавалась чтобы стать частью всемирной системы беспроводной передачи данных. Тем не менее проект не удалось реализовать полностью и довести до практического применения. Из-за этого открытия ученного иногда называют предсказателем или отцом беспроводных сетей.

Интересно! Сторонники теории заговора и любители занимательных историй связывают падение тунгусского метеорита с опытами Теслы либо на башне Вондерклифф, либо с опытами с лучом смерти.

Радио и дистанционное управление

Исторически сложилось так, что открытие радио принадлежит итальянцу Гульельмо Маркони (патент на изобретение – 1905 год, а первая связь между материками – 1901 год) и русскому инженеру Попову. Однако в 1897 году был Николой Теслой запатентован первый радиоприёмник и передатчик. Итальянский инженер взял за основу его разработки и в 1904 году Теслу лишают права на изобретение.

Биографы связывают это с конфронтацией изобретателя с Томасом Эдисоном и Эндрю Карнеги, которые не признавали его открытия и идеи, всячески пытаясь опорочить изобретения. Интересно что первый преступник, казнённый электричеством, был казнён переменным током, таким образом конкуренты-популяризаторы постоянного тока Эдисон и Карнеги «бросили камень в огород» сторонникам переменного тока Тесле, Вестингаузу и другим. К 1943 году верховный суд США признал вклад гения в разработку радио.

Тем не мене на электротехнической выставке Мэдисон-Сквер-Гарден в 1898 Никола Тесла представил подводную лодку, управляемую дистанционно.

Двигатель переменного тока

К открытиям и изобретениям Николы Теслы относится и первый асинхронный двигатель переменного тока. В отличии от асинхронных машин используемым в наше время, тот работал от двух фаз, а не от трёх. Патент датирован 1888 годом. Позже права на его производство были куплены одним из спонсоров ученного – Джорджем Вестингаузом.

Изобретённый двигатель инженер планировал использовать как альтернативу ДВС, но тогда к вопросам замещения топливных двигателей электрическими мало кто относился серьёзно. Тем не менее попытки разработать автомобиль на его основе были. Современный электромобиль Tesla не имеет ничего общего с великим изобретателем.

Это лучше рассматривать как отсылку к истории. Никола Тесла в 1931 году изобрёл электромобиль. За основу был взят Pierce Arrow 1931 года. Учёный на нём около недели ездил по Нью-Йорку, но основной загадкой был вопрос откуда двигатель берёт энергию – ни проводов, ни видимых аккумуляторов больших размеров не было. Лишь была небольшая черная коробочка, а автор изобретения ссылался на то, что автомобиль берёт энергию из эфира.

Также ему принадлежит и ряд других отрытий, изобретений и патентов на электродвигатели разнообразных конструкций, в том числе и на якорь электрических машин.

Интересно! Исследователи утверждают, что в записях великого учёного ничего не сказано о двигателе работающем от эфира.

Рентгеновские лучи

По официальной версии Вильгельм Рентген в 1895 году отрыл излучение, которое в последствии получило его имя. Но еще в 1887 году Никола Тесла проводил опыты с вакуумными трубками, тогда ученный фиксировал особые лучи способные просвечивать предметы. В том числе были опыты, связанные с фотографированием костей, на рисунке ниже вы видите пример его фотографий.

Свободная энергия и лучи космоса

Никола Тесла предполагал, что вокруг нас витает масса частиц, энергию которых можно улавливать и использовать в полезных целях. Получив таким образом неограниченную энергию. Частью этих проектов была башня Вондерклифф, катушка Теслы и другие устройства по большей мере связанные с использованием катушек индуктивности.

На видео более подробно рассматривается данный вопрос:

Наши современники и сейчас пытаются добывать энергию из эфира, у них есть тематические форумы и клубы. Тем не менее в Африке до сих пор проблемы с водой, а тарифы на коммунальные услуги только растут. Видимо все современные разработки бесполезны и часто основаны на простом улавливании радиоволн и преобразовании их в электричество.

Заключение

В научном мире, в нашем случае в физике, честь учёным и инженерам отдают, назвав какое-либо явление или величину его именем. Так и произошло с Николой Теслой, не смотря на все его изобретения, вклад в науку и гениальный ум его именем названа лишь единица измерения индукции магнитного поля – Тесла (Тл). Однако выше приведён не полный список открытий великого учёного, к этому следует отнести различные выступления и демонстрации, где Никола Тесла зажигал лампочки, пропуская ток через себя или опыты с «холодным огнём», который был призван заменить воду и банные процедуры.

Из-за подобных демонстраций в наше время возникают домыслы и суждения о его вкладе и открытиях в электричестве, которые нельзя доказать. Его современные фанаты уверено утверждают о незаслуженном забытие и банкротстве автора беспроводной передачи электричества. Связывают это с давлением спецслужб, правящих кланов того времени и прочим. В связи с отсутствием финансирования изобретателя в те годы большинство открытий осталось утраченными, а часть того что изобрёл Тесла его фанаты считают засекреченными.

Вот мы и рассмотрели все величайшие открытия и изобретения Николы Тесла. Напоследок рекомендуем посмотреть видео, на котором наглядно демонстрируются наиболее важные творения изобретателя:

Материалы по теме:

Битва электрических токов

Уже вскоре после ухода Теслы из компании Эдисона между ними началось противоборство, которое получило название «войны электрических токов» — Эдисон стремился обеспечить Америку и весь мир постоянным током, а Тесла — переменным. Решающие сражения происходили в 1888 году, когда Тесла уже работал на Вестингауза, а Эдисон по-прежнему возглавлял компанию имени себя. Посвятим этому ничуть не менее великому, чем Тесла, изобретателю несколько абзацев.Томас Алва Эдисон родился в 1847 году (он старше Теслы на 9 лет) в семье голландских эмигрантов, проживавших в г. Майлан (США, штат Огайо). Отец будущего изобретателя владел небольшой фабрикой по производству кровельных материалов — щепы и дранки, а мать преподавала несколько предметов в школе. Однако учиться Томас начал не в мамином классе, а в школе г. Порт-Гурон (штат Мичиган). Ученье в школе длилось недолго, так как учитель считал его полным тупицей, мечтателем и бездельником, и мальчика забрали домой, где его образованием профессионально занялась мать. Томас много читал, конструировал различные устройства, а в возрасте 12 лет начал продавать газеты и коржики в поездах, связывающих Порт-Гурон с Детройтом. Постоянно бывая на вокзалах, он выучился на телеграфиста, а в 1868 году получил свой первый патент на электросчетчик для избирательных участков. Затем изобрел приставку к телеграфному аппарату, позволяющую передавать по проводам сведения о курсах акций на бирже. Он продал патент на приставку за 40 тысяч долларов и в городке Нью-Арк (неподалеку от Нью-Йорка, но уже в другом штате, Нью-Джерси) построил мастерскую по изготовлению телеграфных аппаратов и электроприборов. В 1875 году ему удалось значительно усовершенствовать телеграф, а потом и открыть явление термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретыми телами, эффект Эдисона). До сих пор это явление используется в электровакуумных приборах.В 1876 году он создал свою знаменитую лабораторию в местечке Менло-Парк, в том же штате, Нью-Джерси. Здесь он вскоре усовершенствовал микрофон телефона Белла, разработал измеритель интенсивности солнечного излучения и, наконец, сделал свое величайшее изобретение — фонограф. Как ни странно, ему пришлось объяснять публике, что фонограф можно использовать для совершенно различных целей — для записи не только голоса, но и музыки, для записи показаний в полицейских участках и прений сторон в суде и т. д. На публику наибольшее впечатление произвела именно запись показаний. Как пирожки, фонографы расхватывали юристы.В возрасте 31 года Эдисон занялся проблемой электрического освещения и провел жуткое количество опытов в поисках материала для нити лампы накаливания. Как ни странно, наилучшим материалом оказался обугленный бамбук. В 1879 году первые лампы накаливания поступили в продажу, причем попутно Эдисон придумал патрон и цоколь. Он разработал мощный электрический генератор и использовал его на первой в мире нью-йоркской электростанции с большим числом ответвлений для освещения улиц, квартир и промышленных помещений. Являясь сторонником постоянного тока, он изобрел щелочной железо-никелевый аккумулятор, а также плавкий предохранитель, простой поворотный выключатель и усилитель звука — мегафон.Эдисон был профессиональным изобретателем и готов был применять свой талант в самых различных областях. Так, в 1891 году он усовершенствовал киноаппарат и придумал кинетоскоп («быстрогляд») для демонстрации последовательных фотографий движущихся предметов, и в 1896 году показал в Нью-Йорке первый в Западном полушарии кинофильм (братья Люмьеры демонстрировали свой пионерский фильм в 1895 году). Соединив кинетоскоп с фонографом, он уже в 1913 году изобрел звуковое кино, тогда еще несовершенное, но за 25 лет до появления звука в современном понимании. В совершенно другой области, химии, он также сделал немало открытий — придумал способы получения синтетических лекарств и красителей, фенола и способ отгонки каменноугольной смолы для нужд пороховых заводов. Всего Эдисон получил около тысячи патентов, среди которых важное место занимают патенты на оригинальные схемы радиопередачи, электрооборудование и даже автомобили и летательные аппараты. На поле электричества он и столкнулся с Теслой, а умер раньше его на 12 лет, в 1931 году.Теперь вернемся к противоборству двух великих электротехников. Как мы уже знаем, Тесла покинул Эдисона, категорически не желавшего иметь дело с переменным током. В 1888 году сотрудники Эдисона, инженеры Гарольд Браун и Фред Питерсен, получили разрешение работать в Менло-Парке над изучением воздействия переменного (да-да, переменного) тока на живые существа. Браун тогда уже собрал некоторую статистику о несчастных случаях со своими коллегами, занимающимися экспериментами с постоянным и переменным токами, и сделал вывод: хотя от постоянного тоже умирают, переменный ток намного опаснее. Понятно, что Эдисона более чем устраивало такое наблюдение. А Браун решил воспользоваться своими данными и использовать опасный переменный ток «во благо» — для приведения в исполнение смертной казни. Неожиданное, но совершенно логичное решение. Хотя другое его предложение заставляет задуматься об уровне нормальности этого инженера — он обещал тюремщикам лично приводить смертные приговоры в исполнение.Этот Браун, который потом то ли был связан с Эдисоном контрактом, то ли нет, вскоре сконструировал электрический стул для пенитенциарных заведений ценой полторы тысячи долларов за штуку — сначала на постоянном (!) токе. Однако натурные эксперименты на бродячих собаках, которых он покупал по четвертаку за живую единицу, оказались не слишком удачными. Газета «Нью-Йорк таймс» сообщает, что Браун сначала ударил собаку током 300 вольт — та завизжала, но не умерла. Тогда Браун повысил напряжение до 1000 вольт, но и здесь его постигла неудача, собака забилась в конвульсиях, но убита не была. И лишь затем Браун, мысленно благодаря самого себя за проведенное статистическое исследование, подключился к переменному току с напряжением 300 вольт и убил собачку.Этим методом немедленно воспользовались коммунальные службы Чикаго, Детройта и Сент-Луиса, а в штате Нью-Йорк даже было объявлено о вознаграждении за разработку наиболее гуманного, т.е. быстрого и без мучений, способа осуществления смертной казни. В специально созданную комиссию вошел и Браун, проталкивающий идею использования переменного тока. Опробовать эффективность генераторов фирмы Вестингауза, разработанных Теслой, решили на бандите Уильяме Кеммлере, который был приговорен к смертной казни за убийство своей любовницы (разумеется, не гуманным током, а негуманным топором). Был и второй претендент на первенство в кончине на электрическом стуле — некий Джозеф Шапло, который зачем-то потравил соседских коров (по другой версии, отравил хозяина этих коров), но он получил пожизненное. Видимо, все-таки коров.Еще до решения о дате казни Кеммлера в дело снова вступил Эдисон. На глазах возмущенной общественности он поместил на металлическую сетку под током — конечно, переменным с напряжением 1000 вольт — десяток кошек и собак и включил ток. Животные умерли в мучениях, дамы истерически кричали. Эдисон потирал руки.Происходило нечто очень странное. Фактически уже было доказано, что убивать преступников переменным током более человечно, чем постоянным. Для Эдисона расположение в прессе рядом друг с другом слов «смертная казнь» и «переменный ток» было очень выгодным, так как невольно бросало тень на переменные токи Вестингауза. Общественность, забыв о собственных предыдущих требованиях о гуманности, стала склоняться к идее использования в быту постоянного тока. Особенно после того, как Браун с Эдисоном начали распространять слухи об опасности переменного тока для законопослушных граждан — в полном противоречии с логикой. Ведь если переменный ток так опасен, не его ли следует использовать для убийства бандитов? Этот вопрос общественность задать себе не сумела.Подогрел обстановку Томас Алва, который подтвердил, что убивать надо именно переменным током. Как было не поверить яростному стороннику тока постоянного! Схема казни должна была быть такой, согласно (1): «Эдисон предлагает прикрепить к запястьям осужденного провода, опустить его руки в сосуд с водой, в которой растворена каустическая сода и через которую будет пропущена тысяча вольт переменного тока, затем надеть на голову осужденного черный мешок и в нужное время подать ток. Электричество пройдет через руки, сердце и мозг, в результате чего наступит мгновенная и безболезненная смерть». Прекрасная реклама переменного тока и всей компании Вестингауза! В газетах печатались сообщения типа: «В тюрьме Синг-Синг устроен электрический стул для казни осужденных. Использованные для этого переменные токи Теслы более смертельны, чем постоянный ток. Установка выполнена эдисоновской «Дженерал электрик». Компания Эдисона приобрела для этой цели вестингаузовский генератор переменного тока напряжением 2000 вольт».Вестингауз начал обороняться. Он написал в газеты, что переменный ток не опаснее постоянного, от которого тоже можно погибнуть. Душегуб Кеммлер все это время сидел в тюрьме и ждал решения экспертов. Его адвокат добился вызова Эдисона для допроса по поводу его метода казни — путаница дошла до того, что практическое, повсеместное использование переменного тока стали считать эдисоновской идеей! На вопрос о возможной связи Эдисона с Брауном великий изобретатель остроумно ответил, что ему не известно, имеет ли Браун отношение к его компании (т. е. не ответил ни «да», ни «нет»). А на вопрос о том, обуглился бы Кеммлер после пропускания тока, разумеется переменного, Эдисон ответил, что бандит превратился бы в мумию. На этом они разошлись, оставив общественность в полном недоумении — что это было? Так переменным убивать или постоянным? И можно ли использовать переменный ток в быту?Вконец запутавшиеся человеколюбы начали протестовать вообще против казни электричеством. Мол, никто не знает, что будет чувствовать преступник во время пропускания через него электротока и сколько времени это будет длиться. К тому времени Кеммлер просидел в камере смертников еще целый год, но наконец-то случай проверить эффективность электрического стула Эдисона (на чужом переменном токе) нашелся. Кеммлера усадили на стул, прикрепили электроды совсем не к тем местам, что указывал Эдисон (к ногам и голове), и включили рубильник. Кстати, этот рубильник также был одним из давних изобретений действительно Эдисона. Сначала все пошло неплохо — душегуб этак вздрогнул и тут же поник головой. Все решили, что умер. Но через несколько минут… «К ужасу всех присутствующих, грудь преступника начала вздыматься, на губах появилась пена, и он начал на глазах оживать». И умер только после повторной подачи тока. Присутствующие были потрясены и сравнивали казнь с действиями варваров и извергов, достойных подземелий инквизиторов. Вестингауз, прочитав протоколы казни, заявил: «Это был жестокий эксперимент. Гораздо гуманнее было бы отрубить ему голову топором».Эдисон также остался недовольным, хотя появление теперь рядом слов «мучения» и «переменный ток» ему было наверняка на руку. Однако работа была проделана неаккуратно — Эдисон сообщил, что волосы на голове Кеммлера не являются хорошим проводником (что совершенно верно), и оптимальным способом проведения казни было бы все-таки предложенное им погружение рук в раствор электролита. Кстати, имея химическое образование, автор этой книги считает предложение Эдисона не совсем удачным. Зачем брать каустическую соду, т.е. раствор натриевой щелочи? От нее преступник будет только больше страдать — щелочь интенсивно разъедает кожные покровы, а если у Кеммлера были и ранки на руках (от наручников, например), то боль могла быть очень сильной. Гораздо проще и правильнее использовать не такую активную и жгучую, как щелочь, а обычную поваренную соль — раствор хлористого натрия является прекрасным проводником электрического тока.И все-таки в войне электрических токов победил Вестингауз — то есть Тесла. Компании Вестингауза удалось совершить два эффектных начинания, окончательно «добивших» постоянный ток Эдисона. Первым из них было оснащение электропитанием и освещением Международной электротехнической выставки в 1893 году в Чикаго. Эту выставку еще называли Колумбовой в честь четырехсотлетия открытия Америки. Контракт на электрификацию выставки удалось получить компании Вестингауза. Для питания около 200 тысяч ламп накаливания и дуговых ламп на территории выставки была построена самая большая а мире (в то время) электростанция многофазного тока мощностью более 9 мегаватт, четырнадцать тесловских генераторов. Компания Вестингауза хотела на весь мир объявить, что существует только один изобретатель многофазной системы, поэтому перед входом на выставку она установила монумент высотой с пятиэтажный дом, на котором было написано: «Электрическая компания Вестингауза. Многофазная система Теслы». В электротехническом павильоне выставки находился специальный стенд, на котором Тесла лично демонстрировал свои изобретения, прежде всего аппаратуру высокой частоты (об этом позже) — самое эффектное зрелище на этом параде электричества. А символом электрического отдела Колумбовой выставки было «те-словояйцо». Изобретатель остроумно обыграл известное выражение «колумбово яйцо», доказав возможность поставить яйцо на попа, даже не разбивая его. Колумб, как известно, доказал простоту решения задачи, несколько нарушив условия и просто разбив его с одного конца — яйцо с вмятиной, конечно, легко устанавливалось на столе и не опрокидывалось. А Тесла поставил на столик двухфазный кольцевой статор, закрыл его для конспирации деревянным диском, на который положил стальной ротор, выполненный в виде куриного яйца. При подаче напряжения на статор «яйцо» начинало вращаться и, постепенно разгоняясь, принимало вертикальное положение. Этот опыт наглядно демонстрировал использование вращающегося магнитного поля. Любопытно, что главный конкурент Вестингауза — великий Эдисон представил на выставке в том числе и свою собственную систему переменного тока. Впрочем, его экспонаты на постоянном токе были куда убедительнее — он продемонстрировал действующий трамвай, по озеру Мичиган курсировали его прогулочные лодки, работающие от аккумуляторов, был устроен даже движущийся тротуар. Не обошлось и без гигантомании — эдисоновская «Дженерал электрик» установила в центре павильона электричества 28-метровую «Башню света», на поверхности которой были зажжены двадцать тысяч электрических ламп обычного размера, а на вершине горела гигантская лампа накаливания Эдисона. Кроме того, на выставке состоялась мировая премьера, как выражаются сейчас по поводу очередного идиотского боевика, вовсе не идиотских изобретений великого электротехника — многоканального телеграфа, фонографа, кинетоскопа.Для понимания невероятной «тесламании», которая началась после Колумбовой выставки, необходимо сказать, что в это же время на ней проходил Международный электротехнический конгресс, на котором Никола Тесла выступил перед почти тысячей инженеров-электриков в павильоне «Сельское хозяйство» — только там могло собраться такое большое количество слушателей. Присутствовали знаменитости — например, Галилео Феррарис (о нем немного позже) и сам Генрих фон Гельмгольц, посторонних не пускали, хотя спекулянты предлагали билеты по десять долларов. Давно понявший подлинные интересы публики, Тесла не стал мучить гостей зубодробительными формулами и схемами, тем более что половину присутствующих представляли жены электротехников, мало понимающие в роторах-статорах. Он предпочел демонстрацию своих опытов и преуспел в этом, показав и «теслово яйцо», и пропускание через себя молний, и многое другое. Больше всего присутствующих поразили металлические шарики и диски, размещенные вдали от источника вращающегося магнитного поля. При включении которого все они начинали вращаться, хотя явно не были связаны с источником никакими проводами. Не интересуясь женским полом, Тесла тем не менее догадывался о приоритетах дочерей Евы, и под восторженные охи и ахи показывал вращение металлических дисков с укрепленными на них драгоценными рубинами и изумрудами, причем диски и камушки могли находиться в любой точке павильона. Короче, после своей лекции Тесла стал знаменит, а особенной популярностью стал пользоваться у дам, и сейчас-то не умеющих ввернуть лампочку в патрон, а тогда и подавно.Кроме тесловских пиар-представлений, на конгрессе работали несколько важных комиссий, которые приняли в качестве обязательных для всех стран международные электрические и магнитные единицы — «ампер» для силы тока, «ом» для сопротивления и некоторые другие. Через много лет появится и единица «тесла»…Эта выставка стала важнейшим событием в истории применения электричества. Огромный успех Теслы и Вестингауза заставил и Эдисона, скрипя зубами, начать разрабатывать и производить электрооборудование переменного тока. Но уже трехфазного — Эдисон верно оценил изобретения Доливо-Добровольского, подтвержденные теоретическими работами крупного электротехника Штейнмеца, которого он взял, на работу в качестве главного специалиста.Вторым начинанием, «добившим» постоянный ток, было сооружение Ниагарской гидроэлектростанции и расположенного рядом энергоемкого промышленного комплекса. Переменный ток победил — а кстати, почему?Дело в том, что электрический ток, как мы уже говорили ранее, получают в одном месте, а потребляют совсем в другом. Ток надо передавать по проводам, желательно с наименьшими потерями, часто на очень большие расстояния. Согласно закону Джоуля — Ленца, потери на выделение тепла при передаче электротока пропорциональны квадрату силы тока. Выделение тепла — это потери. Поэтому выгодно передавать ток при очень малых значениях силы тока и большом напряжении. Повысить напряжение переменного тока очень легко — трансформаторами, а в случае постоянного тока это проблема, требующая для своего решения установки сразу нескольких сложных устройств. Сейчас переменный ток передают на ЛЭП при напряжении 500 и 750 тысяч вольт («ЛЭП-500» — непроста-а-ая линия», как пелось в песне Пахмутовой и Добронравова… Как раз «ЛЭП-500» не такая уж и сложная). При использовании на месте, или с целью запасти электрическую энергию, выгоднее использовать постоянный ток. Так делают, например, запасая ток в аккумуляторах автомобилей, а для фонариков покупают те же аккумуляторы или обычные батарейки.Что касается опасности переменного и постоянного тока, то переменный ток отечественной частоты 50 герц и вправду опаснее, во всяком случае, при бытовом уровне напряжения 220 вольт. При больших значениях напряжения опаснее постоянный, но нам до этого дела нет, это пусть электрики остерегаются. Нам не надо только пальцы в розетку тыкать. В соответствующей главе мы еще расскажем, как Тесла пропускал через себя токи огромного напряжения, но и огромной частоты — а теперь известно, что при очень больших частотах ток течет только по коже (скин-эффект), не достигая жизненно важных органов. Так что эффектная демонстрация Теслы на Колумбовой выставке с пропусканием через себя аж 100 000 вольт содержала в себе элемент мистификации. И сам он, и сочувствующие журналисты не раз говорили и писали, что он пропустит через себя ток такого неимоверного напряжения без всякой опасности для жизни, тогда как в тюрьме Синг-Синг ток не превышал 2000 вольт. Но за исключением наиболее продвинутых электротехников на лекции Теслы никто не знал, что сравнивать высокочастотный ток с низкочастотным просто некорректно. Об этом следует помнить, когда читаешь книги про «волшебство» изобретателя и рассматриваешь эффектные фотографии со снопами молний, вылетающих из пальцев Теслы. И особенно — когда слышишь о невероятных, фантастических и чрезвычайно опасных для Земли и человечества изобретениях Теслы, явным подтверждением реальности которых являются эти молнии. Еще раз хочется сказать, что в молниях нет ничего удивительного, а опасные изобретения существовали только в воображении Теслы и в текстах интервью с ним. Т.е. в действительности ничего такого не было.

В пресловутой «битве электрических токов» победил Никола Тесла. Это известно сейчас каждому школьнику, который хоть что-то слышал о переменном токе и знает, что именно такой ток приводит в движение домашний холодильник и раскаляет спираль электрической лампочки. Но постоянно встречающиеся в прессе, кочующие из одного издания в другое, утверждения, что Тесла и Эдисон ненавидели друг друга, абсолютно противоречат действительному положению дел. Оба великих изобретателя встретились снова, после ухода Теслы от Эдисона, на Национальной выставке электротехники в мае 1895 года, через два месяца после пожара лаборатории Теслы на 5-й авеню, выставка была организована в Филадельфии, и впервые переменный ток был передан по методу Теслы на расстояние 800 километров с Ниагарской электростанции, правда, с небольшим напряжением и по телефонным проводам — страховая компания, к которой на этот раз Тесла обратился и заключил контракт, после пожара побаивалась экспериментов изобретателя и настояла на фактически демонстрационной передаче переменного тока. Однако все равно это был рекорд, который затмил предыдущий рекорд — передачу тока с водопада на реке Неккар во Франкфурте. Знаете, что сказал по этому поводу «враг» Эдисон? «Эта передача Теслой электроэнергии на большое расстояние является крупнейшим достижением электрической науки за последние несколько лет». Вот так-то. Кроме того, Эдисон — я уверен, что совершенно искренне, — выразил Тесле сочувствие по поводу потери лаборатории. А Тесла поблагодарил его за возможность в течение нескольких недель, пока он искал помещение для новой мастерской, пользоваться одной из лабораторий Эдисона в Нью-Йорке.

10 изобретений Николы Тесла, которые изменили мир

Сменится множество поколений, и наши машины будут питаться энергией, которую они смогут получать в любой точке вселенной. Ведь энергия повсюду вокруг нас. – Никола Тесла, 1892 год

Никола Тесла начал привлекать настоящее внимание и породил серьёзные дебаты вокруг своих изобретений спустя почти семьдесят лет после своей смерти. Кем он был на самом деле? Сумасшедшим? Частью раннего эксперимента по корпоративно-правительственному контролю?

Что мы знаем точно, так это то, что его преследовали крупные поставщики электрической энергии своего времени – особенно Томас Эдисон, которого мы все привыкли считать истинным гением. Он также подвергался нападкам Джона Пирпойнта Моргана и других «флагманов индустрии». После смерти Теслы 7 января 1943 года, агенты американского правительства вломились в его лабораторию и конфисковали результаты всех его научных исследований, и ни одна из этих работ до сих пор не стала достоянием общественности.

Помимо его преследования людьми, поддерживавшими государственно-корпоративные интересы (которые по своей сути являются удостоверением аутентичности), существует, по крайней мере, одно твёрдое свидетельство о целостности характера Николы Тесла – он разорвал контракт с Westinghouse, стоивший миллионы, чтобы спасти компанию он выплат ему гигантских отчислений в виде роялти.

[blockquote_fact]Но давайте взглянем на то, что Никола Тесла – человек, который умер сломленным и одиноким – действительно дал миру. К лучшему или к худшему, он изменил лицо планеты так, как это не удавалось прежде возможно ни одному человеку.[/blockquote_fact]

 Переменный ток

Вот где лежат истоки всей этой истории, и что наделало такой переполох на Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году. Вскоре после неё разгорелась война между взглядом Эдисона и взглядом Теслы на то, каким именно образом должен вырабатываться и распределяться электрический ток. Различие может быть обобщено в терминах стоимости и безопасности: постоянный ток, который разрабатывал Эдисон (и поддерживала General Electric) стоил дорого при передаче на большие расстояния и создавал опасные искры на необходимом для него конверторе (называемом «коммутатор»). Однако Эдисон и его приверженцы использовали главные опасности электрического тока, чтобы внушить людям страх перед альтернативой Теслы: переменным током. Якобы для подтверждения своей точки зрения, Эдисон в целях демонстрации иногда убивал  животных электричеством. В результате он подарил миру электрический стул, и одновременно опорочил попытки Теслы предложить людям безопасный переменный ток по более низкой цене. [blockquote_note]Тесла в ответ свидетельствовал о полной безопасности переменного тока своими знаменитыми демонстрациями, в ходе которых он пропускал электричество через своё тело для зажигания света.[/blockquote_note] Это противостояние Эдисона-Теслы (General Electric — Westinghouse) в 1893 году было кульминацией почти десятилетия тёмных махинаций, краж идей и патентного давления, которые предпринимали Эдисон и его покровители для дискредитации изобретений Теслы. Однако, не смотря на все их усилия, именно система Теслы поставляет миру электричество в наши дни.

 Свет

Разумеется, Тесла не изобрёл освещение, но он открыл, как свет может быть «захвачен» и распространён. Тесла разработал и использовал флюоресцентные лампы в своей лаборатории за сорок лет до того, как их «открыла» промышленность. [blockquote_fact]На Всемирной выставке Тесла брал стеклянные трубки и сгибал их в виде имён знаменитых учёных, фактически создав таким образом первое неоновое освещение. [/blockquote_fact]Однако самой впечатляющей и противоречивой стала его знаменитая «катушка Теслы». Разумеется, катушка Теслы представляет собой то, что большая индустрия хотела бы подавить: идею, что Земля сама является огромным магнитом, который может вырабатывать электричество, используя частоту как передатчик. Всё, что требуется на принимающем конце – это простое устройство, напоминающее по своему принципу радио.

Рентгеновские лучи

Электромагнитное и ионизирующее излучение весьма пристально изучалось в последние годы девятнадцатого века, но Тесла исследовал целый диапазон. Всё, от предвестников Кирлиановой фотографии, которая сумела документально подтвердить существование жизненной силы, до тех аппаратов, которые мы сейчас используем в медицинской диагностике – всё это было трансформацией изобретения, в котором Тесла играл центральную роль.

Открытие рентгеновских лучей, также как и многие другие изобретения Теслы, произошло из его убеждения, что всё, что там нужно для понимания вселенной, постоянно находится вокруг нас, и нам нужно лишь использовать наш разум, чтобы создать реальные устройства, которые усилят наше внутреннее восприятие реальности.

Радио

Гильермо Маркони был объявлен его первоначальным изобретателем, и многие в наши дни верят, что именно он создал его. Однако Высший суд отменил патент Маркони в 1943 году, когда было доказано, что Тесла изобрёл радио на много лет раньше Маркони. Радиосигналы – это всего лишь другая частота, которая требует для своей передачи трансмиттер и ресивер, которые Тесла также продемонстрировал в 1893 году перед Национальной ассоциацией электрического освещения. [blockquote_note]В 1897 году Тесла получил два патента —  US 645576 и US 649621.[/blockquote_note] В 1904 году, однако, Патентное агентство Соединённых штатов изменило своё решение, отдав патент за изобретение радио Маркони, возможно под влиянием  финансовых покровителей Маркони в Штатах, среди которых были Томас Эдисон и Эндрю Карнеги. Это также позволило правительству США (среди прочих) избежать выплачивания роялти, которые по праву требовал себе Тесла.

Дистанционное управление

Это изобретение было естественным продолжением концепции радио. Патент №613809 представлял собой первую дистанционно управляемую лодку, продемонстрированную в 1898 году. Она использовала несколько больших батарей, и управляемых по радио переключателей, которые питали винт лодки, руль, и бегущие габаритные огоньки.

Эта технология некоторое время не имела широкого распространения, однако радиоуправляемые танки уже применялись Германией во Вторую мировую войну, и разработки в этой области с тех пор сильно отклоняются от направления человеческой свободы.

Электродвигатель

Изобретение Теслой электродвигателя было популяризировано автомобилем, носившим его имя. И хотя технические спецификации выходят за рамки этой обзорной статьи, достаточно сказать, что изобретенный Теслой двигатель с вращающимися магнитными полями может освободить человечество быстрее, чем мёртвая хватка Большой нефти. К несчастью, его изобретение стало жертвой экономического кризиса 1930 годов и последовавшей за ним мировой войной. [blockquote_fact]И, тем не менее, его изобретение заложило фундамент для того, что мы сейчас принимаем как данность: промышленные турбины, бытовую электронику, водяные насосы, электроинструменты, дисковые накопители, электронные часы и компрессоры.[/blockquote_fact]

Роботизация

Чрезвычайно развитый научный ум Теслы привёл его к идее, что все живые существа движимы внешними импульсами. Он утверждал: «Каждой своей мыслью и каждым своим действием я демонстрировал, и продолжаю делать это каждый день к моему полному удовольствию, что я просто автомат, снабжённый движущей силой, который всего лишь реагирует на внешние стимулы». [blockquote_note]Так на свет впервые был рождён концепт робота.[/blockquote_note] Однако, как определил Тесла, эти точные реплики человека должны иметь некоторые ограничения – а именно, рост и распространение. Тем не менее, он с полной готовностью принимал всё, что может породить человеческий интеллект.

 Лазер

Это изобретение Теслы является, быть может, лучшим примером того, как добро и зло сплетаются в разуме одного человека. Лазеры произвели революцию в хирургических операциях и дали начало большой части наших современных цифровых медиа. Однако, с этим скачком в инновациях, мы также попали и в исконные земли научной фантастики. От Рейгановской лазерной оборонной программы «Звёздных войн» до современных видов Оруэлловского «нелетального оружия», которые включают в себя лазерные винтовки и направленные «лучи смерти», мы наблюдаем огромный потенциал для развития в обоих направлениях.

Беспроводные коммуникации и неисчерпаемая бесплатная энергия

Два этих изобретения тесно связаны между собой, и они стали последней каплей, переполнившей чашу терпения энергетической элиты – ведь какая польза от энергии, если её нельзя измерять и контролировать? Да ещё и бесплатной? Нет, никогда. Джон Пирпойнт Морган поддержал Теслу чеком в 150 тысяч долларов для строительства башни, которая бы использовала естественные колебания нашей вселенной, чтобы передавать различные данные, в том числе широкий спектр изображений, голосовых сообщений и текста.[blockquote_fact] Башня представляла собой первый в мире образец устройства беспроводной коммуникации, но она также означала, что вселенная наполнена бесконечной энергией, которая может быть использована для формирования всемирной сети, объединяющей всех людей и предоставляющей им неисчерпаемую бесплатную энергию[/blockquote_fact]. Фактически, нули и единицы вселенной встроены в ткань реальности так, чтобы каждый из нас мог при желании иметь к ним доступ. Никола Тесла был приверженцем идеи дать каждому человеку возможность получать и передавать энергию и информацию практически бесплатно. Но в наши дни все мы знаем, чем закончилась для него эта история…

определение, в чём отличие AC от постоянного значения

Простой способ визуализировать различие между постоянным и переменным токами — построить графики зависимости их направления от времени. Первый будет выглядеть как прямая, а второй как волнообразная линия. Один цикл этой кривой и есть графическая основа того, как обозначается переменный ток на схемах и пиктограммах (~), а аббревиатура AC (Alternating Current) устоялась как общепризнанный термин в текстах.

Обозначения DC и AC

Все проводники имеют свободные электроны, способные перемещаться в присутствии разности потенциалов. Этот поток заряженных частиц в замкнутом контуре называется электрическим током. Если электрический заряд движется только в одном направлении, то это явление называется постоянным электрическим током, его обозначение «—» или DC (Direct Current).

Определение переменного тока можно вывести от обратного: это будет движение зарядов, меняющих своё направление на периодической основе. Колебания АС могут принимать самые разнообразные формы, например:

• пилообразную;
• квадратную;
• треугольную;
• синусоидальную.

Синусоидальный AC ток — это тот тип энергии, который транспортируется по современным электрическим сетям. Его огромное преимущество для энергосистем в том, что он позволяет достаточно просто изменять передаваемое напряжение с помощью трансформаторов, а такую форму волны легко генерировать. Эти качества позволяют экономить огромное количество денег и материальных ресурсов при производстве и передаче электроэнергии на значительные расстояния.

Проиллюстрировать выгоды от использования АС энергокомпаниями можно на следующем примере. Допустим, что в качестве генерирующей мощности есть электростанция, которая способна производить 1 млн ватт энергии.

Для наглядности удобно будет рассмотреть 2 способа её транспортировки:

1. Передать по сетям 1 млн ампер с напряжением 1 вольт.
2. Транспортировка тока силой в 1 ампер и напряжением 1 млн вольт.

Главное отличие заключается в следующем: во втором случае для передачи энергии потребуется проводник небольшой толщины, в то время как в первом — без кабеля с огромным сечением не обойтись. Поэтому энергетические компании преобразуют сгенерированную энергию в AC с очень высоким напряжением для транспортировки, а затем понижают в непосредственной близости от потребителей.

Ещё одним преимуществом AC для энергокомпаний является превосходство в надёжности и простоте генераторов переменного тока в сравнении с динамо. Кроме того, AC обладает такими преимуществами:

• позволяет эксплуатировать сравнительно более эффективные, простые и надёжные электрические машины;
• не разрушает коммутационные устройства.

Вся электроника и цифровая техника потребляет DC. Как правило, генерация постоянного тока производится с помощью электрохимических и гальванических элементов. Это сравнительно дорогие способы получения электричества, поэтому существует немало конструкций устройств, преобразующих AC в DC, основанных на предотвращении протекания тока в обратном направлении и выпрямлении синусоиды с помощью фильтров.

В комбинации с трансформаторами выпрямители позволяют получать из сети DC требуемых параметров и высокого качества.

Идеи Эдисона

Современную жизнь невозможно представить без электричества. Для того чтобы оно служило в гражданских и промышленных целях, его необходимо не только произвести, но и доставить потребителю. Первым, кто решил производить электроэнергию в большом объёме и транспортировать её на заводы, в офисы и домашние хозяйства, был американский предприниматель Томас Эдисон — один из самых влиятельных изобретателей мира.

Для реализации своей идеи он спроектировал и испытал паровые генераторы постоянного тока, счётчики электрической энергии и элементы распределительных сетей. Провести первую электрификацию освещения было в то время непросто. Владельцы газовых компаний рассматривали Эдисона как опасного конкурента, способного поставить существование их предприятий под угрозу. Но изобретателя ничто не могло остановить. Ни колоссальная стоимость прокладки кабелей в тротуарах, ни аварии во время испытаний не помешали ему в сентябре 1882 г. запустить первую осветительную сеть из пяти тысяч ламп.

Через 5 лет работало уже более 50 электростанций Эдисона. Несмотря на большой успех изобретателю не удалось расширить географию своих электрических сетей на весь мир. Жители районов, в которых находились электростанции, жаловались на дым и копоть, и добились закрытия производств Эдисона. Таким образом, первое поколение угольных электростанций со временем прекратило свою работу, уступив место тысячам новым, генерирующим AC.

Победа Теслы

Бо́льшая часть раннего распределяемого электричества была постоянным током, а стандартов для потребителей не существовало. Например, дуговые лампы нуждались в нескольких тысячах вольт, а лампы накаливания Эдисона требовали 110 В, трамваи Сименса работали от 500 В, а промышленные двигатели на предприятиях могли в разы отличаться по напряжению.

Электрические компании вынуждены были создавать и содержать одновременно несколько генерирующих линий для различного класса нагрузок. Можно сказать, что для повсеместного использования сетей DC было два серьёзных препятствия:

• близость генераторов к нагрузкам;
• сложности с обеспечением разнообразия напряжений.

Хорватский учёный Тесла, работавший с Эдисоном, считал, что использование переменного тока в электрических сетях может решить эти проблемы. Их разногласия относительно перспектив переменного напряжения закончились тем, что исследователь АС продолжил свои работы уже с конкурентом Эдисона — Джорджем Вестингаузом. Тесла не открыл переменный ток, но был изобретателем синхронного генератора и асинхронного двигателя, а также автором патентов, касающихся работы многофазных устройств.

Преимущества AC для генерации и транспортировки были очевидны, но Эдисон, вместо того, чтобы признать это, оставался твёрд в продвижении DC и пытался дискредитировать своих конкурентов. Он начал популяризировать идеи о том, что АС смертоносен для животных и людей. Например, Эдисон даже стал изобретателем электрического стула на переменном токе с целью получить основания для пропагандистской компании, посвящённой опасности АС.

Несмотря на то что антирекламная кампания прошла успешно и дала ощутимые плоды, радость победы для Эдисона была недолгой. В 1892 г. немецкий физик Поллак изобрёл механический выпрямитель, с помощью которого стало возможным заряжать электрические батареи, и существование транспортировки DC потеряло своё последнее оправдание. Уже в 1893 году Чикагская мировая ярмарка была освещена от сети АС, что стало началом триумфа переменного тока в XX веке, а конкурентные события между изобретателями вошли в историю как «война токов».

Ренессанс электрической войны

Рост использования источников возобновляемой энергии в XXI веке привёл к появлению децентрализованных электросетей небольшого масштаба с потреблением электричества практически на месте производства. Для таких энергосистем преимущества AC не имеют никакого значения, поэтому применение в них постоянного тока оправдано.

Современная высокопроизводительная электроника осуществила прогресс в преобразовании энергии и позволяет трансформировать постоянный ток в диапазонах напряжений до 800 тыс. вольт с большей эффективностью, чем в электрических машинах АС. Эти инновации стали основой для строительства высоковольтных линий постоянного тока (HVDC) для передачи избыточной солнечной или ветровой энергии из одних регионов в другие. Строительство HVDC обходится приблизительно вдвое дороже традиционных, но из-за низких потерь и экологичности всей системы подобные инвестиции оправданы.

Всё большее количество электроприборов требуют постоянного тока. Компьютеры, светодиодное освещение и другие электронные устройства нуждаются в преобразовании и выпрямлении сетевого электричества. В ближайшие годы ожидается рост количества электрических транспортных средств. Современные распределительные системы DC способны со временем исключить в быту преобразователи напряжения и легко интегрировать в бытовые и промышленные сети фотоэлектрические элементы и накопительные батареи.

Передача высоковольтного DC в настоящее время уже проверенная и отработанная технология в таких странах, как Германия и Китай. Но для практической повсеместной реализации остаётся ещё много нерешённых вопросов. Как обе технологии будут сосуществовать? Что будет эффективными мерами безопасности? Какие технические и юридические мероприятия потребуются для перехода на постоянный ток? Преимущества и масштабы подобных изменений настолько значительны, что, видимо, речь идёт о смене парадигмы.

что не поделили Тесла и Эдисон

Конец XIX века в научном мире ознаменован эпохальным противостоянием Николы Теслы и Томаса Эдисона – двух величайших физиков и изобретателей своего времени. Их соперничество длилось не одно десятилетие, а средства, к которыми прибегали оппоненты, рискнут взять на вооружение далеко не все современные политтехнологи.

Оба участника этой дуэли окружены мифическим ореолом: Тесла прославился своими открытиями и разработками, многие из которых кажутся фантастическими (как, например, гипотетический луч смерти, на поиски которого отправилась команда нового проекта Discovery Channel «Тесла: рассекреченные архивы»), тогда как Томас Эдисон во всем мире известен как изобретатель электрической лампочки, что не соответствует реальности.

Их вместе, казалось, свела сама судьба, однако принципиальное несогласие всего по одному вопросу привело к столкновению интересов, получившему название «Война токов».

Напряжение растет

 

Томаса Альву Эдисона называют королем патентов, и небезосновательно. Американский изобретатель и предприниматель в одних только США получил 1093 патента, а по всему миру – около трех тысяч. Эдисон был прирожденным бизнесменом: он очень хорошо чувствовал, насколько перспективной может быть та или иная разработка, скупал проекты, у которых, на первый взгляд, не было будущего, и умел разглядеть выгоду даже в самом безнадежном начинании. При этом Эдисон отличался умением доводить до конца многообещающие замыслы других физиков и инженеров, улучшать их, развивать, делать более эргономичными и эффективными.

Так получилось и с электрической лампочкой, над которой параллельно и независимо друг от друга работали ученые в разных странах – от немца Генриха Гёбеля, британца Уоррена де ла Рю, англичанина Джозефа Уилсона Суона до Лодыгина и Яблочкова, знаменитых русских электротехников. Эдисон же, проведя во второй половине 1870-х годов целый ряд кропотливых исследований в поисках оптимального металла, запатентовал в 1879 году лампу с платиновой нитью. Кроме того, именно он придумал современную форму лампы, винтовой цоколь с патроном, вилку, розетку, предохранители.

Вместе с этим Эдисон неустанно работает над целым рядом других изобретений, доводя их до ума – он совершенствует телеграф, телефон, киноаппаратуру и систему электрификации города. Он добивается невероятного коммерческого успеха – такого, что в 1878 году вместе с Джоном Морганом основывает в Нью-Йорке компанию Edison Electric Light.

Спустя шесть лет на работу в эту компанию устраивается молодой, мало кому известный сербский физик Никола Тесла, недавно приехавший в США без гроша в кармане. В обязанности Теслы входил ремонт электродвигателей и генераторов постоянного тока – главного запатентованного детища Эдисона, который использовался им для развития системы электрификации города. Эдисон сразу оценил потенциал молодого гения, однако не мог предвидеть, чем обернется их сотрудничество.

Провод и повод

 

Сложно было найти двух столь непохожих друг на друга людей: Эдисон, великолепный бизнесмен и управленец, брался в основном за экономически выгодные проекты, тогда как Тесла постоянно размышлял над чем-то новым, увлекался фундаментальной наукой и посвящал себя разработкам, которые не сулили мгновенный прибыли.

Эдисон мог проводить тысячи экспериментов, а Тесла предпочитал сначала все обдумать и рассчитать, прежде чем браться за реализацию. Но главным противоречием между инженерами был не характер и не темперамент: у них оказались кардинально разные взгляды на то, какой вид тока должен использоваться.

Тесла предлагал для генераторов и силовых установок Эдисона использовать переменный ток, причем этим своим исследованиям он уделял гораздо больше внимания, чем непосредственным должностным обязанностям. Эдисон же, для которого постоянный ток был основным источником дохода, отнесся к этой идее снисходительно и не воспринял всерьез.

Фото: flickr.com

 

Существует одна популярная версия событий, согласно которой Эдисон обманул Теслу, не заплатив ему за сделанную работу обещанные 50 тыс. долларов (около одного млн долларов в пересчете на современные деньги). Возмущенный Тесла немедленно уволился и отправился искать спонсоров, которых бы заинтересовало применение генератора переменного тока, на который он незадолго до этого втайне получил патент. Очень скоро он смог открыть собственную компанию Tesla Electric Company – в непосредственной близости от конторы Эдисона, – и из разных штатов стали поступать заказы на лампы, в которых можно угадать прообразы современных уличных фонарей.

Тем, кто не знаком близко с физикой, может показаться, что принципиальных отличий у постоянного и переменного тока нет – какая разница, какой ток, если он обеспечивает работу электроприборов? На самом деле различие между ними довольно значимое: постоянный ток нельзя передавать на большие расстояния, поскольку при увеличении дистанции растет электрическое сопротивление проводов, а также потери на их нагрев. Чтобы обеспечить всех нуждающихся электроэнергией большой мощности, нужно было каждые три километра строить подстанцию, что было, безусловно, выгодно Эдисону, практически монополизировавшему эту индустрию в Нью-Йорке.

Напряжение переменного тока легко изменяется с помощью трансформаторов, за счет чего его можно передавать по магистральным линиям на сотни километров. Кроме того, переменный ток открыл бы возможность возвести целую сеть высоковольтных линий меньшего напряжения и поставлять энергию на трансформаторные подстанции, откуда бы он распределялся по потребителям – эти свойства делали его универсальным для решения производственных и бытовых задач, а также массовой электрификации города. В утилитарном же плане повсеместное внедрение переменного тока могло стать серьезной угрозой бизнесу Эдисона, вплоть до банкротства, и как опытный стратег и предприниматель он начал готовиться к противостоянию, которое позже получит название «Война токов».

Из искры возгорелось пламя

 

Напряжение между двумя изобретателями нарастало с каждым днем, но в формат открытой конфронтации оно перешло лишь после Всемирной выставки 1893 года в Чикаго, на которой Тесла провел впечатляющую и наглядную демонстрацию возможностей переменного тока. Поддержку сербскому изобретателю оказал промышленник Джордж Вестингауз, основатель Westinghouse Electric Corporation, он выкупил у физика более сорока патентов.

После оглушительного успеха Теслы на выставке Эдисон развернул целую кампанию, целью которой было скомпрометировать как оппонента, так и его генераторы. В ход шло все: кража идей, шпионаж, черный пиар, фальсификации и даже показательные убийства животных – Эдисон на глазах у толпы убил нескольких собак, пропустив через них переменный ток, чтобы доказать, насколько опасен он в использовании. Позже этим же способом убили слониху Топси, затоптавшую в Нью-Йорке трех работников цирка – эта казнь широко освещалась в прессе, во многом с подачи Эдисона. Еще одним доказательством смертоносности переменного тока, по мнению Эдисона, должен был стать электрический стул, который сконструировал Альфред Саутвик.

Тесла не то чтобы оставался в стороне и игнорировал нападки противника, он просто был больше сосредоточен на том, что его больше интересовало. И эти научные исследования очень быстро начали приносить плоды: так, в 1896 году была построена первая гидроэлектростанция переменного тока на Ниагарском водопаде, которая обеспечивала электрической энергией город Буффало, расположенный неподалеку.

Фото: Сергей Мальгавко / РИА «Новости»

 

На все обвинения он раз и навсегда ответил в своем стиле – вместо того, чтобы пускаться в долгие научные объяснения, Тесла просто пропустил через себя переменный ток частотой 700 Гц. При этом физик держал в руках лампочку, не подключенную ни к каким проводам, и она загорелась словно сама по себе. Вряд ли кто-то из собравшихся понял бы, что такое скин-эффект ослабления электромагнитного поля по мере проникновения вглубь проводящей среды, но именно его случайно обнаружил Тесла и впоследствии использовал в этой демонстрации. Так он сумел доказать, что переменный ток определенной частоты абсолютно безвреден для человека и не несет никакой угрозы здоровью.

Бесспорно, это выступление физика было, скорее, манифестом и заявлением, зато оно надолго заполнилось широкой общественности. Тесла вообще не любил стандартных задач и ординарных решений, он питал слабость ко всему мистическому и таинственному, любил эпатировать публику и делать из любого эксперимента настоящее шоу.

Тесла оставил после себя больше вопросов, чем ответов, и его биографам и поклонникам подчас нелегко отличить правду от домыслов. Пролить свет на одну из главных загадок ученого – луч смерти, который сам физик называл Teleforce, – берется команда нового проекта Discovery Channel «Тесла: рассекреченные архивы», которой предстоит отправиться в первую лабораторию инженера в США, к нему на родину в Сербию, пообщаться с его потомками и попытаться отыскать пропавшие чертежи. Все это в конечном счете должно помочь героям программы воссоздать прототип легендарного оружия, о создании которого Тесла заявлял еще в 1930-х годах. Программа «Тесла: рассекреченные архивы» будет выходить на Discovery Channel с 5 февраля по понедельникам в 22:00.

Кто открыл постоянный ток

Битва электрических королей: Переменный против постоянного

Весь мир освещается благодаря усилиям этих людей. Но два великих изобретателя — Никола Тесла и Томас Эдисон — были заклятыми врагами.

Печатающий телеграф (слева), фонограф (справа), лампа накаливания и еще более тысячи изобретений, защищенных патентами…

…сделали Томаса Эдисона королем изобретателей

Генератор переменного тока, ставший основой современной электроэнергетики и экзотическая высоковольтная высокочастотная катушка — изобретения другого «электрического» гения…

Телефон и фонограф, системы радиолокации и кинокамера, диктофон и электрогенераторы, телеуправляемые механизмы, высокочастотная техника, паровые турбины и магнитный способ сепарации железной руды — буквально ко всему два этих великих изобретателя — Томас Эдисон и Никола Тесла — приложили свои руки и головы. Но, пожалуй, главная их заслуга — свет на улицах и в домах. Они заложили основы всей системы электрификации, от электростанций и до ламп накаливания, от генераторов и до небольших остроумных деталей — цоколей, патронов, предохранителей и счетчиков. Именно электрические устройства стали полем битвы двух гениев.

Сверхчеловек

Родившийся в Хорватии Никола Тесла довольно рано проявил признаки своего научного гения: уже в детстве его переполняли самые фантастические грезы. Он читал запоем, и герои книг будили в нем желание стать сверхчеловеком: в распорядке дня на сон отводилось не более четырех часов, Тесла изнурял себя учебой, уделяя внимание не только техническим наукам, но и профессионально разбирался в музыке, лингвистике, философии, свободно общался на нескольких языках. Со стороны он, впоследствии названный Резерфордом «пророком электричества», походил на одержимого: таким и счел его профессор Пражского университета Пешль, которому 24-летний студент изложил свою идею генератора переменного тока. Пешль пренебрежительно пожал плечами, но авторитеты для молодого изобретателя перестали существовать. Распродав все свое имущество, он отправился в Америку, к легендарному «королю изобретателей» Томасу Эдисону.

Король изобретателей

Будучи старше Теслы на девять лет, Эдисон уже гремел по всему миру. Он был самоучкой: после того, как однажды учитель назвал Томаса «полным тупицей», возмущенная мать забрала его из школы, и тот продолжил образование самостоятельно. Томас много читал и, не имея достаточно средств на восхитительные игрушки, которыми обладали сверстники, конструировал их сам, попутно дорабатывая и совершенствуя механизмы. На всю жизнь он сохранит такой подход к работе: беря за основу уже существующие принципы и изобретения, улучшать их, доводя до ума.

Гульельмо Маркони признан новатором в радио, Александр Белл сконструировал первый телефон, Луи Жан и Огюст Люмьеры — киноаппарат, но коммерческую выгоду от этих изобретений сумел получить только Томас Альва Эдисон, усовершенствовав их, сделав удобными, популярными и продаваемыми.

Эдисон усовершенствовал телеграфный аппарат и «мимеограф», самопишущее электронное перо: специальная игла наносила на лист бумаги едва заметные отверстия, а типографский валик оттискивал по этому трафарету необходимое число копий. В наши дни этот механизм используется в машинках для татуировок, а во времена Эдисона мимеограф, «дедушка ксерокса», был чрезвычайно популярен среди бизнесменов. Это позволило молодому инженеру не только встать на ноги, но и организовать собственную лабораторию в Менло-Парке, в короткий срок превратив ее в настоящую «фабрику изобретений», на которой трудились десятки ученых и техников. Патенты на микрофон, динамо-машину и другие изобретения сыпались, как из рога изобилия.

Переменный и постоянный

Сюда и направился Никола буквально прямиком с борта трансатлантического лайнера. В те годы Эдисон, уже запатентовавший лампу накаливания и генератор постоянного тока, совершенствовал свою систему электрификации города, опытная модель которой успешно действовала в деловой части Манхэттена. Изучив проект Теслы, Эдисон решил отложить его «под сукно», тем временем предложив молодому сербу поработать над его системой на основе постоянного тока. Тот согласился, однако в тайне продолжил работу над совершенствованием собственного генератора переменного тока и уже через год получил на него патент. Но ревнивый начальник развернул против проекта Теслы настоящую войну, и Тесле пришлось покинуть Менло-Парк.

Тормозные деньги

К счастью, известный промышленник и изобретатель Джордж Вестингауз оказался более сметливым человеком. Присутствуя на одном из докладов Теслы, он сразу оценил его идеи и, потратив миллион долларов, выкупил у него патенты на генераторы, электродвигатели, трансформаторы и другие механизмы. Вскоре принадлежавшая фирме Вестингауза Ниагарская ГЭС начала генерировать переменный ток. Казалось бы, успех полный, однако Эдисон не оставил попыток одолеть строптивого «ученика».

Потерпев фиаско в доказательстве экономической нецелесообразности использования переменного тока, он обратился к другим аргументам — создавал образ смертельной опасности, которой подвергает себя всякий, кто рискнет воспользоваться приборами и механизмами, питающимися переменным электричеством. Действительно, вопрос стоял нешуточный — прежде всего, с финансовой стороны.

Собачьи аргументы

Как раз в те годы парламентом штата Нью-Йорк была создана специальная комиссия для выбора «наиболее гуманного способа приведения в исполнение смертных приговоров». Воспользовавшись моментом, Эдисон устроил показательную демонстрацию: нескольких кошек и собак при большом стечении народа заманили на металлическую пластину, находящуюся под напряжением в 1000 вольт (разумеется, переменным). Пресса подробно живописала смерть несчастных животных.

В борьбу включились и «птенцы гнезда Эдисононова», бывшие и нынешние работники Менло-Парка: инженеры Браун и Питерсон пропустили через собаку постоянный ток напряжением до 1000 вольт — собака мучилась, но не умирала, но переменный ток даже 330 вольт убивал ее мгновенно. Вестингауз использовал все свое влияние, пытаясь опротестовать такие «показательные выступления». В New York Times он опубликовал открытое письмо, в котором обвинил Брауна в том, что тот действует «в интересах и на средства» принадлежащей Эдисону компании — но было уже поздно. Джозеф Шапл стал первым в истории преступником, приговоренным к смертной казни на электрическом стуле, а Эдисон, по слухам, лично сконструировал первый такой аппарат, работавший от генераторов «убийственного» переменного тока компании Westinghouse. Приговор был приведен в исполнение в августе 1890 года. «Топором бы у них получилось лучше», — резюмировал Вестингауз.

Человек-молния

Но неутомимый Никола Тесла придумал эффектный ответный ход. Через несколько лет его представление, состоявшееся на Всемирной выставке в Чикаго, потрясло весь мир. С совершенно спокойным видом он пропускал через себя переменный ток напряжением в миллионы вольт — молнии плясали на поверхности его кожи, но сам он оставался невредимым. А когда объятый электрическими разрядами «сумасшедший» брал в руки не подключенные ни к каким проводам лампы накаливания, они послушно загорались в его руках. Это казалось настоящим волшебством. И вскоре Эдисону пришлось пойти на перемирие: эдисоновская компания General Electric вынуждена была приобрести лицензии на электрическое оборудование у компании Westinghouse.

Сумасшедший гений

Если за Эдисоном с годами все больше закреплялась репутация «изобретателя-предпринимателя», то Никола Тесла приобретал славу сумасшедшего гения. Он мог часами в одиночестве прохаживаться по парку, декламируя наизусть «Фауста», в гостиничную комнату соглашался вселиться лишь в том случае, если ее номер был кратен трем, а микробов боялся панически. Большинство своих изобретений он совершал в голове, так говоря об этом: «Когда появляется идея, я начинаю дорабатывать ее в своем воображении: меняю конструкцию, усовершенствую и «включаю» прибор, чтобы он зажил у меня в голове. Мне совершенно все равно, подвергаю ли я тестированию свое изобретение в лаборатории или в уме». Но на практике не все проходило гладко. Однажды в ходе одного из экспериментов Теслы на расстоянии нескольких километров от его лаборатории в Нью-Йорке стены окружающих домов принялись вибрировать — и только вмешательство полиции спасло их от обрушения. «Я мог бы обрушить Бруклинский мост за час», — признавался позже изобретатель. Но современники с готовностью прощали ему и не такие «шалости». Ведь то, что он делал, действительно далеко опережало все, что умела тогда наука.

В 1915 году New York Times сообщила, что Николе Тесле и Томасу Эдисону могут присудить Нобелевскую премию в области физики. Но ни один из них так и не стал нобелевским лауреатом. Оба великих изобретателя отказались получать эту престижную премию: они не смогли простить друг другу прошлых обид.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2005).

www.popmech.ru

25.13 Постоянный и переменный ток — история великой битвы

Электроэнергия в современном мире существует в двух видах. Одна её ипостась – постоянный ток, а вторая – переменный. Разница между ними принципиальная и то, что доступно одному виду электричества, недоступно другому. Так, постоянный ток известен людям очень давно, а переменный был поставлен человеком на службу цивилизации буквально сегодня по историческим меркам. Данная статья посвящена рассмотрению различий и мест применения электроэнергии с постоянной и переменной составляющей.

Постоянный ток, его происхождение и применение

С источниками постоянного тока мы сталкиваемся ежесекундно. Когда вы читаете эту статью с экрана своего монитора, в том, что вы различаете буквы, есть заслуга постоянного тока. Именно от источников постоянного тока запитан компьютер и все его микросхемы. Именно перепадами между уровнями сигнала, соответствующим нулю и единице, мы обязаны существованию цифровой вселенной. Постоянный ток протекает в фонарике и мобильном телефоне, в автомобиле и множестве других устройств бытового и специального назначения, где есть хоть один транзистор или диод.

Вместе с тем, способы получения и применение постоянного тока были известны еще во времена Древнего Мира. Археологами, производящими раскопки в долине Евфрата, были найдены странные керамические сосуды в жилище некоторых ювелиров. Сосуды имели устройство, схожее с гальванической батареей и соединялись между собой медной проволокой. Каково же было удивление археологов, когда они ради эксперимента заполнили один из сосудов кислотой и получили на его полюсах потенциал, равный полутора вольтам! Оказалось, что блоки батарей древние ювелиры применяли для гальванического покрытия ювелирных изделий различными металлами, что и подтвердили готовые образцы изделий, которые часто попадались ученым ранее.

Есть гипотезы, говорящие в пользу того, что при строительстве пирамид в Египте использовали электричество для освещения залов и коридоров в тех местах, где наносили росписи барельефы. Ученые спорят до сих пор по этому поводу, так как есть предположение о том, что свет подавали при помощи системы зеркал с поверхности. Как бы то ни было, но следов копоти на стенах древних залов с  росписями не обнаружено и это факт, который остается необъяснимым до сих пор. Ясно одно, что шумеры умели пользоваться электричеством, а жили они раньше египетской цивилизации.

В современном понимании постоянный ток возникает в замкнутой цепи, состоящей из источника постоянного тока, например, аккумуляторной или химической батареи, проводников и нагрузки. В качестве нагрузки может выступать материал с электрическим сопротивлением, гораздо большим, нежели сопротивление проводников, замыкающих электрическую цепь. Это может быть лампочка с вольфрамовой спиралью или реостат из нихромовой проволоки или любая другая нагрузка, сопротивление которой имеет значение, отличное от нуля.

Получают постоянный ток различными способами. Самый древний из них – химический, основанный на возникновении разницы потенциалов между проводниками из разных материалов, помещенных в кислотную или щелочную среду. Химические батареи и аккумуляторы используются людьми не одно тысячелетие и сегодня они в ходу, только в очень усовершенствованном виде по сравнению со своими древними предками. Более современные источники постоянного тока – фотоэлементы, позволяющие получать разницу потенциалов при облучении их Солнцем и генераторы постоянного тока, которые приводят в действие при помощи механической энергии, прилагаемой снаружи. Сегодня генераторы постоянного тока наиболее распространены в ветроустановках с преобразователем напряжения.

Постоянный ток движет поезда на железной дороге. Электрифицированные участки сегодня составляют значительную величину по протяженности в нашей стране. Постоянный ток применяют и для передачи на большие расстояния значительных мощностей электрической энергии при сверхвысоких потенциалах.

При всей широте применения постоянного тока имеются значительные ограничения, которые препятствуют использованию его в повседневной деятельности для питания бытовых приборов и промышленных установок. Связано это с большими потерями на омическое сопротивление в проводниках, что сказывается самым негативным образом на работе осветительного и прочего оборудования. Для того чтобы снизить потери, необходимо применять проводники большего сечения, причем, альтернативы меди здесь практически нет. А медные провода весьма дороги.

Это препятствие заставило ученых искать иные способы получения и передачи электроэнергии на любые расстояния практически без потерь. Ныне в этой области человеческой деятельности главную роль играет переменный ток.

Переменный ток — происхождение и применение

Появление генераторов и систем передачи энергии переменного тока стало одним из важнейших достижений девятнадцатого века. При этом научные изыскания в этой сфере велись с самого начала столетия. В основу исследований были положены теоретические расчеты, которые показывали, что переменное магнитное поле должно вызывать переменное электрическое поле, которое в свою очередь вызывает снова переменное магнитное поле  и процесс этот может протекать до бесконечности. При значительной частоте колебаний образуются электромагнитные волны, способные свободно распространяться в пространстве, а при незначительной частоте почти вся энергия остается в проводнике, по которому происходит её передача.

Самый простой способ возбудить электрические колебания с переменной амплитудой напряжения – перемещать постоянный магнит внутри рамки с изолированным проводом. При этом, чем больше количество витков в рамке и чем мощнее магнит, тем выше максимальное значение амплитуды напряжения, которое может зарегистрировать вольтметр на зажимах обмотки рамки.

Важной особенностью переменного напряжения является смена полярности при прохождении магнита в обратную сторону. А так же прохождение нулевой отметки значения амплитуды напряжения при смене полярности. Такое поведение напряжения, а значит и тока при подключении нагрузки, позволяет очень легко преобразовывать переменное напряжение в другие величины при помощи трансформаторов, что открывает отличные перспективы для передачи практически без потерь значительных мощностей на любые расстояния, что недостижимо для установок постоянного тока, кроме работающих на сверхвысоких напряжениях.

Первые генераторы переменного тока были разработаны Теслой и Эдисоном. Тесла разработал трехфазную схему производства и передачи электроэнергии на большие расстояния. Он же предложил принцип трансформации напряжения в зависимости от решаемых задач. Так, для потребления электроэнергии конечными установками он предложил ввести переменное напряжение частотой 50 или 60 Гц с амплитудой 110, 127 или 220 вольт, а для передачи на большие расстояния рекомендовал повышать напряжение до 10 тысяч вольт и выше. При высоких напряжениях для передачи по проводнику одинаковой мощности требуется меньший ток, а чем он меньше, тем меньше потери в проводнике. Поэтому сегодня в линии электропередач подают переменное напряжение с амплитудой до 330 кВ.

Простое преобразование напряжений открывает очень широкие возможности для прямого использования переменного тока. Так, существующие асинхронные трехфазные и однофазные двигатели, осветительные приборы, обогреватели и многие другие бытовые приборы могут работать непосредственно от сети, а более сложная радиотехника и устройства с автоматикой, требующие для работы наличие постоянного напряжения, приспособлены для получения его прямо на месте из переменного сетевого напряжения. Так сводят к минимуму потери постоянного тока в проводниках.

К сожалению, на сегодняшний день в мире нет единого сетевого напряжения. Так, для стран Европы и России принят стандарт 230 вольт при частоте 50 Гц, Северная Америка осталась верна напряжению 127 вольт при частоте 60 Гц, в Японии можно встретить и то, и другое напряжение, а в некоторых странах до сих пор в ходу генераторы, вырабатывающие напряжение 100 вольт при частоте 50 Гц. Поэтому, отправляясь в путешествие, сегодня кроме погоды и особенностей национальной кухни в стране пребывания туристов интересует напряжение и частота в сети переменного тока. Ведь в эпоху цифровых технологий важно иметь возможность зарядить свой ноутбук, мобильный телефон и фотоаппарат, чтобы запечатлеть и поделиться с друзьями всеми моментами своего путешествия.

Перспективы совместного существования переменного и постоянного тока

Ученых и практиков от электротехники давно занимает вопрос соединения воедино положительных качеств переменного и постоянного тока. Подобные решения стали возможны, благодаря появлению мощных импульсных полупроводниковых вентилей. Сегодня ни у кого не вызывают удивления инверторные устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное, промышленной частоты, и наоборот. Импульсные источники питания в радиоэлектронной аппаратуре и компьютерной технике стали компактными и мощными, в десятки раз более эффективными по сравнению с источниками питания на обычных трансформаторах.

Сегодня можно утверждать о настоящей революции в сварочном деле, которая произошла благодаря появлению инверторов, значительно облегчивших в прямом и переносном смыслах сварочные аппараты и процессы. Теперь даже те виды сварки, которые считались прерогативой закрытых оборонных предприятий стали доступны любому сварщику, а стоимость производства таких работ, как аргонно-дуговая сварка и полуавтоматическая сварка значительно снизилась. Доступные по цене, легкие переносные сварочные аппараты, которые можно запитывать от обычной розетки в любой квартире, дали возможность проявить свой творческий потенциал многим любителям и профессионалам работы с металлом.

Не менее впечатляющими достижениями импульсной техники могут похвастаться производители источников бесперебойного питания, сетевых импульсных стабилизаторов напряжения, систем получения электроэнергии от альтернативных источников с возможностью аккумулирования и последующего преобразования запасенной энергии при возникновении потребности. Возможности импульсной техники изучены и использованы далеко не полностью. Мы в самом начале этого пути единения постоянного и переменного тока. Совсем не за горами автомобили на электричестве и прочие чудеса, которые станут явью с внедрением новых открытий и разработок в области импульсных источников электроэнергии.

5sklad.ru

Постоянный ток

Постоянный ток (direct current) – это упорядоченное движение заряженных частиц в одном направлении. Другими словамивеличины характеризующие электрический ток, такие как напряжение или сила тока, постоянны как по значению, так и по направлению.

В источнике постоянного тока, например в обычной пальчиковой батарейке, электроны движутся от минуса к плюсу. Но исторически сложилось так, что за техническое направление тока считается направление от плюса к минусу.

Для постоянного тока применимы все основные законы электротехники, такие как закон Ома и законы Кирхгофа.

История

Изначально постоянный ток назывался – гальваническим током, так как впервые был получен с помощью гальванической реакции. Затем, в конце девятнадцатого века, Томас Эдисон, предпринимал попытки организовать передачу постоянного тока по линиям электропередачи. При этом даже разыгралась так называемая “война токов”, в которой шел выбор в качестве основного тока между переменным и постоянным. К сожалению, постоянный ток “проиграл” эту “войну”, потому что в отличие от переменного тока, постоянный, несет большие потери в мощности при передаче на расстояния. Переменный ток легко трансформировать и благодаря этому передавать на огромные расстояния.

Источники постоянного тока

Источниками постоянного тока могут быть аккумуляторы, либо другие источники в которых ток появляется благодаря химической реакции (например, пальчиковая батарейка).  

Также источниками постоянного тока может быть генератор постоянного тока, в котором ток вырабатывается благодаря явлению электромагнитной индукции, а затем выпрямляется с помощью коллектора.

Постоянный ток может быть получен с помощью выпрямления переменного тока. Для этого существуют различные выпрямители и преобразователи.

Применение

Постоянный ток,  достаточно широко применяется в электрических схемах и устройствах. К примеру, дома, большинство приборов, таких как модем или зарядное устройство для мобильного, работают на постоянном токе. Генератор автомобиля, вырабатывает и преобразует постоянный ток, для зарядки аккумулятора. Любое портативное устройство питается от источника постоянного тока.

В промышленности постоянный ток используется в машинах постоянного тока, например в двигателях, или генераторах. В некоторых странах существуют высоковольтные линии электропередачи постоянного тока.

Постоянный ток также нашел свое применение и в медицине, например в электрофорезе – процедуре лечения с помощью электрического тока.

В железнодорожном транспорте, кроме переменного, используется и постоянный ток. Это связано с тем, что тяговые двигатели, которые имеют более жесткие механические характеристики, чем асинхронные, являются двигателями постоянного тока.

Влияние на организм человека

Постоянный ток в отличие от переменного является более безопасным для человека. Например, смертельным током для человека является 300 мА если это ток постоянный, а если переменный с частотой 50 Гц, то 50-100 мА.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4.72 (124 Голоса)

electroandi.ru

Изобретение электричества: история, применение, получение

Одной из важнейших вех в истории планеты является изобретение электричества. Именно это открытие помогает и по сей день развиваться нашей цивилизации. Электричество – один из наиболее экологичных видов энергии. Кому принадлежит открытие этого явления? Каким образом электричество получают и применяют? Можно ли самостоятельно создать гальванический элемент?

История изобретения электричества кратко

Электричество было обнаружено еще в 7 веке до нашей эры древнегреческим философом Фалесом. Он выяснил, что натертый шерстью янтарь способен притягивать меньшие по массе предметы.

Однако масштабные эксперименты с электричеством начинаются в эпоху возрождения в Европе. В 1650 г. магдебургским бургомистром фон Герике была построена электростатическая установка. В 1729 г. Стивеном Греем был поставлен опыт по передаче электроэнергии на расстояние. В 1747 Бенджамин Франклин издал очерк, где была собраны все известные факты об электричестве и выдвинуты новые теории. В 1785-м был открыт закон Кулона.

1800 год стал переломным: итальянец Вольт изобретает первый источник постоянного тока. В 1820-м датским ученым Эрстедом было обнаружено электромагнитное взаимодействие предметов. Годом позднее Ампер выяснил, что магнитное поле создается электрическим током, но не статическими зарядами.

Такие великие исследователи, как Гаусс, Джоуль, Ленц, Ом внесли неоценимый вклад в изобретение электричества. Год 1830-й также стал важным, ведь Гауссом была разработана теория электростатического поля. Явление электромагнитной индукции и разработка двигателя, работающего на токе, принадлежит Майклу Фарадею.

В конце 19 века опыты с электричеством проводились многими учеными, в их числе Пьер Кюри, Лачинов, Герц, Томсон, Резерфорд. В начале 20 века появилась теория квантовой электродинамики.

Электричество в природе

Открытие и изобретение электричества произошло уже очень давно. Однако ранее считалось, что в природе его просто нет. Но американец Франклин выяснил, что такое явление, как молния, имеет чисто электрическую природу. Долгое время его точка зрения отвергалась научным сообществом.

Электричество имеет огромное значение в природе. Многие ученые полагают, что благодаря разрядам молний осуществился синтез аминокислот, в результате чего на Земле зародилась жизнь. Без нервных импульсов невозможно функционирование организма ни одного животного. Существуют разновидности морских организмов, которые применяют электричество как средство для обороны, нападения, ориентации в пространстве и поиска пищи.

Получение электричества

Изобретение электричества оказало влияние на научно-технический прогресс. Для получения электроэнергии создаются вот уже на протяжении многих десятилетий электростанции. Электричество создается с помощью генераторов энергии, а затем оно передается по ЛЭП. Принцип создания тока заключается в переводе механической энергии в электрическую. Электростанции подразделяются на следующие типы:

• атомные;
• ветровые;
• гидроэнергетические;
• приливно-отличные;
• солнечные;
• тепловые.

Применение электричества

Изобретение электричества по праву является величайшим открытием, ведь без него становится невозможной современная жизнь. Оно имеется почти в каждом доме и применяется для освещения, обмена информацией, приготовления пищи, обогрева, функционирования бытовых приборов. Также электроэнергия необходима для движения трамваем, троллейбусов, метро, электропоездов. Работа компьютера, сотового телефона тоже невозможна без электричества.

Любопытный опыт

Оказывается, гальванический элемент можно изготовить самостоятельно, и делается это достаточно просто. Такой способ получил известность в начале 20 века.

Для начала необходимо пополам разрезать достаточно острым ножом лимон посередине. Крайне нежелательно снимать или срывать перегородки между дольками. После этого нужно к каждой дольке подсоединить поочередно небольшой кусок проволоки, размером около 2 сантиметров. В ячейках должны чередоваться медная и цинковая проволоки. Затем следует концы торчащих проволок последовательно соединить металлической проволокой меньшего диаметра. Таким образом можно получить элемент питания. Как проверить, работает ли он? Для этого можно замерить напряжение вольтметром.

Одним из важнейших открытий в истории человечества стало изобретение электричества. Дата открытия точно неизвестна. Однако эксперименты начал проводить еще древнегреческий ученый Фалес. Активное изучение электричества началось в эпоху возрождения. Без него невозможна деятельность ни одного живого организма. Сегодня без этого изобретения мы практически не можем представить свою жизнь. Люди уже давно научились получать, передавать и использовать электроэнергию.

fb.ru

Что такое переменный ток?

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ — ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК Что такое переменный ток?

25.02.2020 Автор / Редактор: Люк Джеймс / Erika Granath

Переменный ток (AC) — это электрический ток, который периодически меняет свое направление, в отличие от постоянного тока (DC), который течет только в одном направлении, которое не может меняться спорадически.

Связанные компании

Переменный ток (AC) — это электрический ток, который периодически меняет направление, в отличие от постоянного тока (DC), который течет только в одном направлении.

Большинство студентов, изучающих электротехнику и смежные предметы, начинают свое обучение с изучения постоянного тока. Это связано с тем, что большая часть цифровой электроники, которую построят эти студенты, будет использовать постоянный ток. Тем не менее, важно понимать переменные токи (AC) и их концепции, потому что он имеет множество полезных свойств и вариантов использования.

Как вырабатывается переменный ток

Переменный ток (зеленая кривая). Горизонтальная ось измеряет время; по вертикали, току или напряжению.

(Источник: Public Domain)

Хотя постоянный ток, однонаправленный поток электрического заряда, возможно, является одной из простейших концепций электротехники, это не единственный «тип» используемого электричества. И переменный, и постоянный ток описывают типы тока, протекающего в цепи. Многие источники электричества, в первую очередь электромеханические генераторы, вырабатывают переменный ток с напряжениями, которые меняют полярность, меняя полярность с положительной на отрицательную с течением времени.Генератор также может использоваться для преднамеренной генерации переменного тока.

В генераторе переменного тока петля провода быстро раскручивается внутри магнитного поля. Это создает электрический ток по проводу. Поскольку провод вращается и периодически меняет магнитную полярность, напряжение и ток на проводе чередуются. Этот ток может периодически менять направление, и напряжение в цепи переменного тока также периодически меняется на противоположное, потому что ток меняет направление.

Переменный ток бывает нескольких форм, если напряжение и ток переменные.Если цепь переменного тока подключена к осциллографу и ее напряжение отображается с течением времени, вы, вероятно, увидите несколько различных форм сигналов, таких как синусоидальный, квадратный и треугольный — синусоидальный сигнал является наиболее распространенной формой сигнала, а переменный ток в большинстве зданий, подключенных к электросети. имеют колебательное напряжение в форме синусоиды.

Основной доклад на PCIM Digital Days 2021

Не пропустите ключевой доклад «HVDC Grid Challenges Locks and Opportunities» от Седдика Бача, научного директора программы, SuperGrid Institute, на PCIM Digital Days с 3 по 7 мая 2021 года.

Откройте для себя всю программу!

Применение переменного тока

Переменный ток чаще всего встречается в зданиях, подключенных к электросети, таких как дома и офисы. Это связано с тем, что генерировать и транспортировать переменный ток на большие расстояния относительно легко. При высоком напряжении более 110 кВ при передаче энергии теряется меньше энергии. При более высоких напряжениях генерируются более низкие токи, а более низкие токи выделяют меньше тепла в линии электропередачи из-за более низкого уровня сопротивления.Следовательно, это означает меньшие потери энергии в виде тепла. Переменный ток можно легко преобразовывать в высокое напряжение и обратно с помощью трансформаторов.

Переменный ток можно легко преобразовать в высокое напряжение и из него с помощью трансформаторов.

(Источник: Science ABC)

Переменный ток также отлично подходит для использования в электродвигателях, потому что двигатели и генераторы — одно и то же устройство. Единственная разница между генератором и двигателем заключается в том, что двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.Эти двигатели используются во всех видах бытовой техники, например, в холодильниках, стиральных и посудомоечных машинах. Хотя генераторы и двигатели великолепны, наиболее полезное применение переменного тока — это, пожалуй, трансформаторы.

Эффект электромагнетизма (известный как «взаимная индукция»), когда две или более катушек провода размещаются так, что изменяющееся магнитное поле в одной катушке индуцирует напряжение в другой, можно использовать для создания устройства, называемого трансформатором. . Если есть две взаимно индуктивные катушки и одна питается переменным током, переменное напряжение будет создано в другой катушке.

Вот где переменный ток становится очень полезным.

Основное применение трансформатора — это повышение или понижение напряжения с катушки с питанием на катушку без питания. Это обеспечивает переменному току преимущество над постоянным током в области распределения мощности, потому что, как упоминалось выше, передача электроэнергии на большие расстояния намного эффективнее при более высоких повышенных напряжениях и меньших пониженных токах. Прежде чем попасть в розетки, напряжение снова понижается, а ток снова повышается.

Этот тип трансформаторной техники сделал распределение электроэнергии на большие расстояния эффективным и практичным. Без трансформаторов было бы слишком дорого строить энергосистемы в их нынешнем виде на большие расстояния. А поскольку взаимная индуктивность зависит от изменения магнитных полей, трансформаторы работают только с переменным током.

Следуйте за нами в LinkedIn

Вам понравилось читать эту статью? Тогда подпишитесь на нас в LinkedIn и будьте в курсе последних событий в отрасли, продуктов и приложений, инструментов и программного обеспечения, а также исследований и разработок.

Следуйте за нами здесь!

(ID: 46380228)

электричество — Можно ли протекать ток в разомкнутой цепи?

Аккумулятор — это просто химическая реакция. На отрицательном (катодном) конце батареи реакция высвобождает электроны, в то время как на положительном (анодном) конце батареи реакция потребляет электроны. Пока внешняя цепь позволяет электронам течь от катода к аноду, реакция идет, и батарея вырабатывает энергию.

Если вы отключите внешнюю цепь, электроны не смогут течь, и батарея перестанет вырабатывать энергию. Но если вы можете использовать какой-то прибор (говоря вашими словами) для подачи электронов на анод и удаления их с катода, реакция в батарее пойдет, и батарея будет производить энергию. Батареи все равно, откуда приходят электроны и куда они уходят.

Но вы не сможете делать это бесконечно, потому что, удаляя электроны с катода, вы получаете большой набор электронов i.е. отрицательный заряд. Таким же образом, подавая электроны на анод, вы получаете положительный заряд. Это разделение зарядов создает разность потенциалов (то есть напряжение), и как только это напряжение становится больше, чем напряжение батареи, электроны перестают течь. На этом этапе вам нужно позволить двум коллекциям зарядов нейтрализоваться, замкнув внешнюю цепь, иначе батарея перестанет вырабатывать энергию.

Крайним примером обрыва цепи является сама батарея.Если вы возьмете батарею, у нее будет избыток электронов на отрицательном конце и дефицит электронов на положительном конце, потому что батарея выталкивает электроны на свои концы до тех пор, пока не сможет больше толкать.

Ответ на комментарий:

Очень распространенная аналогия электрической цепи — представить ее как серию труб, по которым течет вода. Электроны аналогичны воде, а батарея — водяному насосу. Слева показана обычная замкнутая цепь, в которой батарея выкачивает воду (электроны!) Из одного конца батареи, по кругу и обратно в другой конец батареи.

Разомкнутый контур представлен диаграммой справа, где аккумулятор перекачивает воду из закрытого контейнера внизу в другой закрытый контейнер вверху. По мере того, как аккумулятор накачивает воду, давление внизу уменьшается, а давление вверху увеличивается, и в какой-то момент разница давлений станет больше, чем может выдержать насос. Вы можете использовать более мощный насос (то есть более высокое напряжение), но даже это достигнет точки, когда он больше не сможет перекачивать воду.

Вот почему батарея в разомкнутой цепи может перекачивать только определенное количество электронов.Когда он качает электроны, они генерируют обратное напряжение, противодействующее батарее.

электромагнетизм — Как ток может течь через открытый провод (например, дипольная антенна)?

Этот вопрос был задан давно. Надеюсь, тема еще активна. Проблема касается самых основ того, что означает емкость. Не будем сейчас говорить о дипольной антенне. Рассмотрим два отрезка провода любой длины, скажем, по 10 метров каждый, подключенных к простому старому гальваническому элементу на 1,5 В AA.Перед подключением два провода являются нейтральными по заряду, то есть количество протонов и электронов равны, а их поля компенсируют друг друга. В тот момент, когда соединение установлено, элемент AA, который представляет собой просто электронный насос, вытягивает электроны из «положительного» (например, красного провода) провода и проталкивает их в «отрицательный» (назовем его синим проводом) провод. Это происходит до тех пор, пока не будет перенесено достаточное количество электронов, чтобы дать нам разность электрических потенциалов по проводам 1,5 В. {до тех пор, пока (ЭДС ячейки) — (Разность потенциалов по проводам) не станет 0}.Теперь внезапно поменяйте местами соединения, то есть подключите красный провод к отрицательной клемме, а синий провод к положительной клемме. Это внезапное изменение направления может быть выполнено с помощью подходящего переключателя. Произойдет обратный процесс. Электроны будут вытягиваться из синего провода и проталкиваться в красный провод до тех пор, пока падение потенциала 1,5 В не изменится с синего на красный. Теперь давайте переключим переключатель в ту и другую сторону, быстро, скажем, 100 раз в секунду. Фактически, мы бы создали переменное напряжение 50 Гц от элемента AA (квадратное, а не синусоидальное, но проблема не в этом).Электроны будут выплескиваться таким образом, и, по сути, будет течь переменный ток частотой 50 Гц. Заметьте, переменный ток через разомкнутую цепь. Чтобы учесть этот факт, цепь замыкается емкостью между двумя проводами. Несколько строк назад мы говорили о зарядах, перетекающих из одного провода в другой, пока разность потенциалов между ними не станет равной ЭДС ячейки АА. Сколько электронов нужно переместить от одного провода к другому, чтобы создать частичный разряды 1,5 Вольт? Это зависит от геометрии между двумя проводами, то есть от участков проводящего материала, обращенных друг к другу, деленных на расстояние между проводами.Мы только что определили конденсатор. Провода образуют конденсатор! Мы можем увеличить емкость пары проводов, превратив их в плоские «пластины», так что площадь двух «пластин» увеличится, и приблизив эти «пластины» друг к другу. Мы также можем вставить между ними тонкий пластиковый лист (например, полистирол), чтобы увеличить диэлектрическую проницаемость. В любом случае, давайте вернемся к нашей дипольной антенне. Тайна того, как может существовать ток, несмотря на разомкнутую цепь, к настоящему времени должна быть решена.{Между прочим, гидравлическая аналогия, которую опровергает bigjosh, неплохая аналогия. Рассмотрим резиновый шланг, который может набухать под давлением (даже несжимаемой) воды и оказывать противодавление на насос} Хорошо, а чем отличается наш диполь? Частота. По мере увеличения частоты мы должны учитывать скорость «электричества» в нашей антенне. Я не имею в виду скорость дрейфа электронов, которая обычно составляет микрон в секунду. Я имею в виду, что электрический ток включает в себя передачу информации о величине ЭДС, приложенной на одном конце в любой момент времени (в данном случае информация о том, когда именно мы щелкнули этим переключателем).Что касается нашего элемента AA и наших проводов длиной 10 м, мы могли бы просто предположить, что факт нашего щелчка переключателем мгновенно достигнет конца провода, мы не можем сделать то же предположение на более высоких частотах. Информация не может течь по проводам быстрее света. Фактически, это емкость и индуктивность проводов, которые немного замедляют его, так же как эластичность и масса на единицу длины резинового шланга, которые замедляют распространение новостей о моем открытии и закрытии крана}.

Есть последствия. Начинает иметь значение длина проводов дипольной антенны. Предположим, мы должны щелкнуть переключатель не на частоте 50 Гц, а на частоте 1 гигагерц, и к тому времени, когда известие о моем щелчке переключателем достигнет конца проводов, я уже переключаю его в другую сторону. Известие о переключателе на самом деле распространяется по проводам, как волна. И эта волна отскакивает назад, когда встречается с разомкнутым концом. Теперь две волны пересекаются друг с другом, и мы получаем стоячую волну. Рассмотрим дипольную антенну, рассчитанную на сигналы 1 ГГц.половина длины волны составляет 1,5 см. Каждое плечо дипольной антенны имеет длину 1,5 см. На частоте 1 ГГц, даже если элемент AA находится в центре дипольной антенны, напряжение там никогда не поднимается выше нуля! (Прочтите о стоячих волнах). Напряжение на конце дипольного плеча длиной 1,5 см (полуволны) будет показывать устойчивое напряжение 1 ГГц с пиком 1,5 В. Между ними будут промежуточные значения. С другой стороны, ток имеет максимальное пиковое значение в центре антенны и нулевое значение на концах.Антенна 1,5 см является «резонансной» на частоте 1 ГГц. Любые другие частоты сильно ослабляются.

Цепи переменного тока

На рисунке 1 показан график зависимости переменного напряжения , и переменного тока , от времени в цепи, которая имеет только резистор и источник переменного тока — генератор переменного тока.

Поскольку напряжение и ток достигают своих максимальных значений одновременно, они равны в фазе . Закон Ома и предыдущие выражения для мощности действительны для этой схемы, если используются среднеквадратичное значение (СКЗ) напряжения и действующее значение тока , иногда называемое эффективным значением .Эти соотношения:

Закон Ома выражается следующим образом: В _R = IR , где В _R — среднеквадратичное напряжение на резисторе, а I — среднеквадратичное значение в цепи.

Цепи резисторно-конденсаторные

Цепь с резистором, конденсатором и генератором переменного тока называется RC-цепью . Конденсатор — это в основном набор проводящих пластин, разделенных изолятором; таким образом, устойчивый ток не может проходить через конденсатор .Изменяющийся во времени ток может добавлять или снимать заряды с обкладок конденсатора. Простая схема зарядки конденсатора показана на рисунке 2.

Рисунок 2 RC-цепь для зарядки конденсатора.

Первоначально, в момент времени t = 0, переключатель (S) разомкнут, и на конденсаторе нет заряда.Когда переключатель замкнут, через резистор проходит ток и заряжается конденсатор. Ток прекратится, когда падение напряжения на конденсаторе сравняется с потенциалом батареи (В) . Как только конденсатор достигнет максимального заряда, ток упадет до нуля. Сразу после замыкания переключателя ток достигает максимума и экспоненциально уменьшается со временем. Емкостная постоянная времени (τ), греческая буква тау) — это время, за которое заряд распадется до 1/ e от его начального значения, где e — натуральный логарифм.Конденсатор с большой постоянной времени будет медленно изменяться. Емкостная постоянная времени τ = RC .

Из правил Кирхгофа получены следующие выражения для разности потенциалов на конденсаторе (V _C ) и тока (I) в цепи:

, где В, — потенциал аккумулятора.

Цепи резисторно-индуктивные

Цепь с резистором, катушкой индуктивности и генератором переменного тока — это цепь RL .Когда переключатель замкнут в цепи RL, в катушке индуктивности индуцируется обратная ЭДС. Следовательно, току требуется время, чтобы достичь своего максимального значения, а постоянная времени, называемая индуктивной постоянной времени , равна

.

Уравнения для тока как функции времени и потенциала на катушке индуктивности:

Для простоты в вышеупомянутых обсуждениях RC- и RL-схем использовался переключатель. Открытие и закрытие переключателя дает реакцию, аналогичную реакции на переменный ток.Цепи RC и RL похожи друг на друга, потому что увеличение напряжения дает ток, который изменяется экспоненциально в каждой цепи, но отклики различаются в других отношениях. Это различное поведение, описанное ниже, приводит к разным ответам в цепях переменного тока.

Реактивное сопротивление

Теперь рассмотрим цепь переменного тока, состоящую только из конденсатора и генератора переменного тока. Графики зависимости тока и напряжения на конденсаторе от времени показаны на рисунке.Кривые , а не синфазны, как это было для цепи резистора и генератора переменного тока. (См. Рисунок.) Кривые показывают, что для конденсатора напряжение достигает максимального значения через четверть цикла после того, как ток достигает максимального значения. Таким образом, напряжение отстает от тока через конденсатор на 90 градусов.

Емкостное реактивное сопротивление (X _c ) выражает тормозящее влияние конденсатора на ток и определяется как

.

Рисунок 3

Ток и напряжение от источника переменного тока через конденсатор.

, где C — в фарадах, а частота (f) — в герцах. Закон Ома дает В _c = IX _c , где В _c — среднеквадратичное напряжение на конденсаторе, а I — среднеквадратичное значение тока в цепи.

Рассмотрим схему только с катушкой индуктивности и генератором переменного тока. На рисунке показаны графики зависимости тока и напряжения для катушки индуктивности от времени.Еще раз обратите внимание, что напряжение и ток не совпадают по фазе. Напряжение для этой схемы достигает своего максимального значения за четверть цикла до того, как ток достигнет своего максимума; таким образом, напряжение опережает ток на 90 градусов.

Рисунок 4 Ток и напряжение от источника переменного тока через катушку индуктивности.

Току в цепи препятствует обратная ЭДС катушки индуктивности.Эффективное сопротивление называется индуктивным реактивным сопротивлением (X _L ) , определяемым как (X _L ) = 2π fL , где L измеряется в генри, а f — в герцах. Закон Ома дает (V _L ) = IX _L , где (V _L ) — среднеквадратичное напряжение на катушке индуктивности, а I — среднеквадратичное значение в катушке индуктивности.

Цепь резистор-индуктор-конденсатор

Цепь с резистором, катушкой индуктивности, конденсатором и генератором переменного тока называется цепью RLC .Фазовые отношения этих элементов можно резюмировать следующим образом:

• Мгновенное напряжение на резисторе В _R находится в фазе с мгновенным током.

• Мгновенное напряжение на катушке индуктивности В _L опережает мгновенный ток на 90 градусов.

• Мгновенное напряжение на конденсаторе В _c отстает от мгновенного тока.

Поскольку напряжения на различных элементах не совпадают по фазе, отдельные напряжения нельзя просто складывать в цепях переменного тока. Уравнения для полного напряжения и фазового угла:

, где все напряжения являются действующими значениями. Закон Ома для общего случая цепей переменного тока теперь выражается В = IZ , где R заменено на импеданс ( Z ), измеренный в омах. Импеданс определяется как

Разница между (альтернативный и постоянный ток): 13 шагов

Всем известно, что электричество в основном постоянное, но как насчет другого типа электричества? Вы знаете Ас? Что означает AC? Можно ли тогда использовать DC? В этом исследовании мы узнаем разницу между типами электричества, источниками, применением и историей войны между ними, и мы постараемся положить конец этой войне, так что давайте начнем.

Историческая война (AC лучше, ни один DC не идеален)
Добро пожаловать в 1880-е. Между постоянным током (DC) и переменным током (AC) идет массовая война. Эта Война Токов, как и любой другой конфликт в истории человечества, имеет ряд конкурирующих идей о том, как наилучшим образом доставить электричество в мир. И, конечно же, на этом можно заработать кучу денег. Так устоит ли Томас Эдисон и его батальон DC, или Джордж Вестингауз и его AC Armada одержат победу? Это была битва за будущее человечества, в которой было много нечестей.Посмотрим, как все прошло. Несмотря на все возможности использования постоянного тока в смартфонах, телевизорах, фонариках и даже электромобилях, у постоянного тока есть три серьезных ограничения:

1) Высокое напряжение. I Если вам нужно высокое напряжение, например, для питания холодильника или посудомоечной машины, то постоянный ток не подходит.
2) Дальние расстояния . DC также не может путешествовать на большие расстояния, не разрядившись.

3) Еще электростанции. Из-за небольшого расстояния, на которое может перемещаться DC, вам нужно установить намного больше электростанций по всей стране, чтобы получить его в домах людей. Это немного затрудняет жизнь людей, живущих в сельской местности.

Эти ограничения были огромной проблемой для Эдисона, поскольку Война течений продолжала разворачиваться. Как он собирался снабжать энергией весь город, а тем более страну, когда напряжение постоянного тока едва ли могло проехать милю, не выпадая из строя? Решение Эдисона заключалось в том, чтобы установить электростанции постоянного тока в каждом районе города и даже в окрестностях.И имея 121 электростанцию ​​Эдисона, разбросанную по Соединенным Штатам, Тесла считал, что переменный ток (или переменный ток) был решением этой проблемы.

Переменный ток меняет направление на обратное определенное количество раз в секунду — 60 в США — и может быть относительно легко преобразован в другое напряжение с помощью опасного, даже зашедшего слишком далеко трансформатора [1]. Эдисон, не желая терять силу роялти, которые он получал от своих патентов на постоянный ток, начал кампанию по дискредитации переменного тока.Он распространял дезинформацию, говоря, что переменный ток — это гораздо больше, чем публично казнить бездомных животных электрическим током, используя переменный ток, чтобы доказать свою точку зрения [2]

Переменный ток (AC) — Физика и радиоэлектроника

Поток носителей заряда называется электрическим током. Носителями заряда, проводящими электрический ток, являются электроны, дырки и ионы.

В проводе электрический ток проводится движущимися электронами. В полупроводнике электрический ток передается за счет движения электронов и дырок.В электролите электрический ток проводят ионы.

Чтобы проводить электрический ток, частицы должны иметь положительный или отрицательный заряд. У нейтронов нет заряда. Поэтому они не могут проводить электрический ток.

Протоны имеют положительный заряд, но не могут двигаться. Таким образом, протоны не проводят электрический ток. Мы знаем, что электрический ток означает поток заряда или носителей заряда. Протоны не несут заряда. Они всегда находятся в центре атома.Значит, они не проводят электрический ток.

Электрический ток часто проводится движущимися электронами.

Электрический ток подразделяется на два типа в зависимости от направления носителей заряда. Один из них — постоянный ток, при котором электроны всегда текут в одном направлении. Другой — переменный ток, при котором поток электронов всегда меняет свое направление.

В этом руководстве объясняется переменный ток.

Определение переменного тока (AC)

Переменный ток — это электрический ток, при котором поток электронов или носителей заряда всегда меняет свое направление много раз в секунду через равные промежутки времени (вперед → и ← назад).

Электроны, протекающие по проводящему проводу, показаны на рисунке выше. Электроны в проводе на короткое время движутся в одном направлении, а затем меняют его направление. Это происходит неоднократно.

Мы знаем, что электрический ток означает поток электронов или носителей заряда. Следовательно, течение через определенные промежутки времени меняет свое направление.

Переменный ток также иногда называют переменным током.

Что такое переменный ток (AC)?

Поток электронов через проводник или проволоку составляет электрический ток.Ток может течь через проводник двумя способами.

Когда к батарее подсоединен проводящий провод, ток течет через него только в одном направлении. Такой ток, который течет только в одном направлении, называется постоянным током (DC).

Условное направление тока — от положительного к отрицательному. Но фактическое направление тока — от отрицательного к положительному.

При постоянном токе электроны всегда текут от отрицательной клеммы батареи к положительной клемме батареи.Во время своего путешествия электроны не изменят своего направления.

Источником постоянного тока (DC) может быть аккумулятор, топливный элемент, термопара или солнечный элемент.

Электрический ток, который вырабатывается генератором, через определенные промежутки времени меняет направление на противоположное. Такой ток, который регулярно меняет свое направление, называется переменным током (AC).

В наши дома подается электрический ток переменного тока. Переменный ток вырабатывается на электростанциях и проводится по проводам в наши дома.

Переменный ток используется для питания таких бытовых приборов, как телевизор, вентиляторы, освещение, смеситель, электрический обогреватель и электродвигатель. Однако в некоторых электронных приборах переменный ток сначала преобразуется в постоянный.

Переменный ток (AC) непостоянен

Переменный ток не только меняет направление, но и меняет свою величину. Проще говоря, величина переменного тока или напряжения изменяется во времени.

Переменный ток (AC) начинается с нуля и возрастает до положительного максимума (положительный пик). Положительный пик синусоидальной формы волны представляет собой максимальный прямой ток или напряжение. После достижения максимального тока он начинает уменьшаться до нуля.

После достижения нулевой точки переменный ток снова начинает увеличиваться в обратном направлении и возрастает до отрицательного максимума (отрицательный пик), а затем снова возвращается к нулю. Точно так же величина тока непрерывно изменяется во времени.

Интервал времени между достижением идентичного значения в двух последовательных циклах называется периодом или волновым циклом. Другими словами, один период — это количество времени, которое требуется электронам, чтобы течь от отрицательного конца (-) источника к положительному концу (+) источника, меняет свое направление (отрицательная полярность -) и течет к положительному концу. конец (+) источника.

Число волновых циклов, проходящих через заданную точку за одну секунду, называется частотой. Проще говоря, количество раз, когда поток электронов меняет свое направление на обратное за одну секунду, называется частотой.

Частота измеряется в герцах. Например, если два волновых цикла проходят через заданную точку за одну секунду, частота составляет 2 герца (Гц).

Переменный ток, который меняет свое направление много раз в секунду, имеет высокую частоту, тогда как переменный ток, который меняет свое направление только реже, чем секунду, имеет низкую частоту.

Максимальный ток в прямом или обратном направлении — это амплитуда переменного тока. Другими словами, максимальная высота волны от нулевой точки — это амплитуда переменного тока.

В США используется переменный ток (AC), который меняет направление на обратное 60 раз в секунду. В Европе используется переменный ток (AC), который меняет направление 50 раз в секунду. Другими словами, в США используется переменный ток 60 Гц, в то время как в Европе используется переменный ток 50 Гц. Почти во всех странах используется переменный ток 50 Гц или 60 Гц.

Основное преимущество переменного тока (AC) перед постоянным током (DC) заключается в том, что напряжение переменного тока легко изменять.Напряжение переменного тока легко изменить с помощью устройства, называемого трансформатором. Трансформатор — это устройство, которое снижает или увеличивает напряжение переменного тока. Энергетические компании используют эту технику для экономии своих денег.

Обозначение источника переменного напряжения

Обозначение источника переменного напряжения показано на рисунке ниже. Переменный ток обычно представлен синусоидальной формой волны. Таким образом, источник переменного напряжения представлен небольшой синусоидальной формой волны с окружностью вокруг нее.

В отличие от источника постоянного напряжения, мы не отмечаем положительные и отрицательные знаки на источнике переменного напряжения, потому что электроны в переменном токе (AC) всегда меняют свое направление. Другими словами, полярность источника переменного напряжения всегда меняется через определенные промежутки времени. Поэтому мы не отмечаем положительные и отрицательные знаки на источнике переменного напряжения. Однако некоторые источники указывают на источник переменного напряжения либо положительный, либо отрицательный знак.

Пример переменного тока (AC)

Наиболее часто используемый источник переменного тока — это генератор переменного тока.Генератор переменного тока — это электрическое устройство, преобразующее механическую энергию в переменный ток (AC).

Мы также можем преобразовать механическую энергию в постоянный ток (DC) с помощью электрического устройства, называемого генератором постоянного тока.

Электрическая цепь переменного тока

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника переменного тока, двухпозиционного переключателя и электрической лампочки.

Предположим, что изначально переключатель находится в выключенном состоянии. Выключатель в выключенном состоянии означает, что электрический путь нарушен.Этот прерванный электрический путь называется разомкнутой цепью.

Когда переключатель находится в выключенном состоянии, в цепи не течет ток. Так лампочка не включится.

Когда переключатель включен, электрическая цепь замыкается без разрыва цепи. Таким образом, электрический ток начинает течь по цепи.

Электрический ток (электроны), протекающий по цепи, будет течь в одном направлении в течение короткого времени, а затем меняет свое направление.Это происходит постоянно.

Электрическая лампочка не выключится, даже если электрический ток (поток электронов) постоянно меняет свое направление. Это связано с тем, что изменение направления электрического тока (потока электронов) происходит настолько быстро, что лампочка не успевает выключиться.

Физика прерывания электрического тока

Напряжение и ток в полной электрической цепи подчиняются законам Кирхгофа о напряжении и токе.Эти законы просто сформулированы так: подъемы и падения напряжения вокруг любой замкнутой цепи (петли) должны в сумме равняться нулю; и общий ток, протекающий в любом соединении (точке подключения), также должен быть равен нулю. Если мы хотим прервать ток в цепи, мы должны сделать это в соответствии с этими законами.

Хотя это звучит просто, прервать цепь, прервать проводящий путь или разомкнуть выключатель — это не так. Заставить проводящую цепь перейти в установившееся состояние нулевого тока совсем не просто.Часто фактическая детальная физика процесса прерывания тока затмевается кажущейся тривиальностью действия переключения — например, простым выключением фонарика. Но подумайте, что на самом деле происходит, когда фонарик выключен.

Установившийся постоянный ток (DC) течет от батарей к лампочке, когда контакты переключателя начинают двигаться. В последних микроскопических точках электрического контакта плотность тока становится достаточно высокой, чтобы части металлических поверхностей фактически плавились из-за резистивного нагрева; и состояние плазмы паров жидкого металла продолжает электропроводный путь, поскольку контакты физически разъединяются.По мере того как контакты отдаляются друг от друга на расстояние в несколько микрон (один микрон = 10 ^-6 метров), электроны из контакта, в который протекает ток, катодного контакта, выбрасываются в область межконтактного пространства из-за теплового излучения ( они выкипают) и автоэлектронной (они отрываются от катодного металла силами электростатического притяжения).

Часть этих электронов, испускаемых катодом, сталкивается с молекулами воздуха внутри контактного зазора и ионизирует молекулы.Это освобождает еще больше электронов, которые, в свою очередь, ионизируют еще больше молекул воздуха. Это самовоспроизводящееся действие представляет собой явление электрического пробоя, обычно называемое дугой. Это дуга, которая позволяет переключателю размыкать цепь. Дуга образуется так же, как и контакты, и продолжает проводить ток в цепи по мере того, как контакты расходятся все дальше и дальше.

Падение напряжения на дуге, которое пропорционально длине дуги и обратно пропорционально размеру поперечного сечения дуги, последовательно с напряжениями в контуре цепи, в которой находится переключатель.Напряжение дуги растет, когда дуга удлиняется за счет физического движения контактов, и поперечное сечение дуги уменьшается, когда дуга охлаждается за счет контакта с неионизированными молекулами воздуха.

Напряжение дуги в низковольтных цепях постоянного тока растет с такой скоростью, что оно вскоре превышает или, по крайней мере, совпадает с напряжением источника в цепи (в фонарике начальное напряжение дуги превышает напряжение батареи). Когда это происходит, ток в цепи за короткое время снижается до нуля.Все цепи имеют небольшую, но конечную индуктивность, поэтому ток не может быть мгновенно доведен до нуля. Когда ток действительно достигает нуля, дальнейшая ионизация дуги не происходит, и дуга охлаждается еще быстрее, поскольку в нее не поступает энергия. Если он на мгновение охлаждается до такого состояния, что перестает быть проводящей средой, то процесс прерывания завершается и цепь размыкается. Важно помнить, что именно дуга приводит к нулю тока. Открытие переключателя образует дугу, но именно дуга позволяет прервать электрическую цепь.

Выключатель или устройство прерывания цепи, которое предназначено для размыкания цепей переменного тока (AC), имеет несколько более легкую задачу, чем его аналог постоянного тока. В цепях переменного тока нет необходимости принудительно устанавливать нулевое значение тока. Поскольку ток уже меняется около нуля, естественный ток равен нулю дважды в каждом цикле переменного тока. Любая дуга, которая образуется в коммутационном устройстве переменного тока, не должна растягиваться и охлаждаться до такой степени, что напряжение дуги превышает величину напряжения источника цепи.Однако это можно сделать, если кто-то хочет ограничить величину сверхтока, снизив его до неестественного нулевого тока.

переменного тока могут быть прерваны при естественном нулевом токе, который в первую очередь определяется только схемой и практически не зависит от наличия устройства прерывания. В качестве альтернативы, переменные токи могут прерываться при принудительном обнулении тока, которое накладывается действием устройства прерывания. Рисунок 1.3 иллюстрирует эти концепции естественного и вынужденного нулей тока в цепи переменного тока.

Все механические переключатели и механические устройства прерывания цепи зависят от быстрого охлаждения среды дуги для размыкания электрической цепи. Твердотельные переключатели не нуждаются в дуге для разрыва цепи, поскольку они питают свою собственную проводящую среду, сам полупроводниковый материал. Полупроводник может проводить ток только до тех пор, пока подвижные носители (электроны и дырки) поступают из областей питания или инжекции внутри устройства. Если инжекция подвижных носителей в полупроводниковый переключатель отключена, то полупроводниковый материал вернется в изолирующее состояние и заблокирует прохождение тока, то есть полупроводниковый переключатель выключится.

Допустимая плотность тока в полупроводниковом переключателе намного ниже, чем плотность тока, который может безопасно течь в металлическом контакте / переключателе дуги. Таким образом, размер поперечного сечения полупроводникового переключателя для устройств равного номинала всегда будет больше, чем у механического переключателя. Даже с этим недостатком простота управления полупроводниковым переключателем и надежность устройства без механически движущихся частей предвещают светлое будущее для твердотельных силовых переключателей и автоматических выключателей.

.