Високі частоти і «чудеса світу»
Ця сенсаційна лекція була описана журналістом і інженером Джозефом Уецлером. Спочатку він помістив статтю в журналі «Електрікал уорлд», але потім вирішив, що про цю подію повинен знати набагато більш широке коло читачів, і надрукував свої враження про виступ Тесли в престижному тижневику «Харперс уїклі». «Містер Тесла, - зазначав він, - цілком полонив публіку, не випускаючи нашої уваги протягом трьох годин».
Що правда то правда. На цій лекції Тесла вперше продемонстрував ще одну грань свого таланту. Сьогодні б його напевно назвали чудовим шоуменом. Мабуть, в цьому Тесла не поступалася ні свого сучасника - шарлатану Кілі, ні «зіркам» кінця XX століття Кашпіровського і Чумака, збирали на свої сеанси повні стадіони. Тож не дивно, що деякі його колеги цю манеру виступу не прийняли і направили його в один ряд з самозванцями.
Тесла почав виступ трохи нервуючи, але поступово заспокоївся. Він повідомив слухачам, що підійшов у своїх дослідженнях до вирішення завдання, яка знаходиться майже на самому кордоні можливостей людського розуму: як звільнити і використовувати «нескінченну енергію», яку природа запасла у Всесвіті. Він сказав, що зібрав у своїй лабораторії генератор змінного струму, який може видавати напругу в два мільйони вольт. Втім, додав Тесла, для лекції він вирішив обмежитися проблемою «виробництва практичного і ефективного джерела світла».
«Розсіювання електромагнітної енергії в просторі, що оточує джерело струмів високої частоти, дозволяє використовувати цю енергію для самих різних цілей», - говорив винахідник. «Родзинкою» його виступу стала демонстрація ламп, які, за словами Тесли, працювали на абсолютно нових принципах. Тесла заявив, що на зміну лампам розжарювання повинні прийти більш сучасні і досконалі джерела світла. Він продемонстрував кілька таких «джерел» і, найголовніше, - лампу взагалі без нитки розжарювання. Крім того, до неї не підходив жоден електричний провід, але вона світилася так само яскраво, як і звичайна лампа розжарювання.
Тесла пояснив, що як звичайні лампи розжарювання, так і спеціально їм створені будуть горіти, якщо внести їх в змінне електромагнітне поле високої частоти. «Освітлення лампами подібного роду, - говорив він, - де світло виникає не під дією нагрівання ниток струмом, що протікає, а з причин особливих коливань молекул і атомів газу, буде простіше, ніж освітлення сучасними лампами розжарювання». «Тесла оголосив застарілими лампи Едісона», - злорадно відзначали газети, передбачаючи новий сплеск «війни струмів» і, відповідно, нових сенсацій.
Тесла пояснив, як сталося, що вся його лабораторія оснащена подібними чарівними вогнями, прототипами флуоресцентних ламп. «Я підвісив шматок металу на відстані від стелі на непровідну мотузку і з'єднав його з одним з кінців індукційної котушки, інший кінець якої був заземлений. Трубка з вакуумом тепер може перебувати де завгодно між шматками металу або взагалі де завгодно, лише б на певній відстані між ними, і вона буде світитися ».
«Високий, блідий містер Тесла в своєму відмінному дорогому костюмі просто тримав лампу в руці, чимось нагадуючи статую Свободи, і вона горіла», - ділився враженнями Уецлер. «Ми летимо з незбагненною швидкістю через нескінченний простір, - закінчив Тесла свій виступ, - все, що оточує нас знаходиться в постійному русі, і енергія є всюди. Повинен бути якийсь спосіб, щоб використовувати цю енергію набагато краще, ніж в даний час. І коли світло вийде з навколишнього нас середовища, і коли таким же чином без зусиль будуть виходити всі форми енергії з свого невичерпного джерела, людство піде вперед гігантськими кроками. Одне лише споглядання цієї чудової перспективи піднімає наш дух, зміцнює нашу надію і наповнює наші серця великою радістю ».
Зал вибухнув оплесками. Прихильники Тесли відзначали, що після цієї лекції він зайняв місце поруч з такими людьми, як Едісон, Томсон, Олександр Белл або один з творців дугової лампи, Чарлз Браш. Втім, не все пройшло гладко: противники під час виступу відпускали їдкі зауваження і навіть свистіли. Серед них, до речі, був і Мі-хайло Пупін, якому ідеї Тесли здалися, м'яко кажучи, фантастичними.
«Під час лекції містер Пупін зі своїми друзями (швидше за все, з Еліх'ю Томсоном і Карлом Херінгу. - Є. М.) переривали мене свистом, і мені було нелегко заспокоїти розбурхану аудиторію», - розповідав Тесла. Потім, правда, Пупін вибачився і, намагаючись загладити провину, написав Теслі лист, щоб домовитися про зустріч і демонстрації його двигуна, так як йому потрібно було прочитати лекцію про многофазном струмі. Але Тесла, мабуть, образився. Відносини між ними почали погіршуватися.
«Лампи в руці містера Тесла були схожі на вогненний меч ангела справедливості», - написала після його лекції одна з нью-йоркських газет. «Містер Тесла демонструє чудеса світу», - вторив їй інша. «Лекція містера Тесла довго буде жити в пам'яті кожної людини, який його чув, відкривши багатьом з них вперше, мабуть, безмежні можливості застосування та управління електрикою», - підкреслював професійний журнал «Електрікал рев'ю».
Тим часом чутки про якихось неймовірних експериментах Тесли росли як гриби після дощу. Говорили, що ці бездротові лампи горіли у нього в лабораторії день і ніч, а сам Тесла час від часу пропускав через себе струм з напругою в 10 тисяч вольт. Навколо нього утворювалося блакитнувате сяйво, а він сам залишався повністю спокійним і лише посміхався. У світлі «війни струмів» і дискусії про «жахливий вбивці - змінному струмі» ці розмови порушували ще більший інтерес до загадкового винахіднику.
І багато в чому ці чутки були чистісінькою правдою.
Після відходу від Вестінгауз і відкриття своєї нової лабораторії Тесла займався не тільки лампами нової конструкції, які так здивували відвідувачів його лекції в Колумбійському університеті. Багато часу він приділяв вивченню властивостей струмів високої частоти. Саме його роботи в цій галузі багато в чому і поклали початок такому явищу, як всесвітня «тесламанія», коли винахідника почали нагороджувати епітетами на кшталт «повелителя блискавок», «чарівника електрики», «таємничого генія з Хорватії» і т. Д.
Як ми пам'ятаємо, електродвигун Тесли, завдяки якому почалася його слава, працював на низькій частоті в 50 герц - через це у нього і виникли труднощі з компанією Вестінгауз. Але тепер Тесла вирішив спробувати збільшити частоту струму в багато разів. Він зібрав генератор, який виробляє струм частотою спочатку 5 тисяч, а потім і 10 тисяч герц. Але і на цьому він не зупинився.
Для створення струмів високої частоти і високої напруги Тесла вирішив скористатися відомим властивістю резонансу, тобто явищем різкого зростання амплітуди власних коливань будь-якої системи (механічної або електричної) при накладенні на них зовнішніх коливань з тією ж частотою. У перших своїх установках - потім вони отримали назву «резонансний трансформатор Тесли» або «котушка Тесли» - він отримував струм частотою в 50 тисяч герц. Пізніше частоту вдалося довести до 200 тисяч герц.
Для тих, кого більш докладно цікавить принцип дії його трансформатора, наведемо цитату з книги біографа Тесли і електротехніка Бориса Ржонсніцкого: «Дія резонансного трансформатора засновано на налаштуванні в резонанс його первинного і вторинного контурів. Первинний контур, що містить як конденсатор, так і індукційну котушку, дозволяє отримати змінні струми дуже високої напруги з частотами в кілька мільйонів періодів в секунду. Іскра між кульками розрядника викликає швидкі зміни магнітного поля навколо первинної котушки вібратора. Ці зміни магнітного поля викликають виникнення відповідного високої напруги в обмотці вторинної котушки, що складається з великої кількості витків тонкого дроту, причому частота змінного струму в ній відповідно до кількості іскрових розрядів досягає декількох мільйонів змін в секунду.
Найбільшою величини частота сягає в момент, коли періоди первинної і вторинної ланцюга збігаються, тобто коли спостерігається явище резонансу в цих ланцюгах.
Тесла розробив дуже прості методи автоматичної зарядки конденсатора від джерела струму низької напруги і розрядки його через трансформатор з повітряним сердечником. Теоретичні розрахунки винахідника показали, що навіть при самих незначних величинах ємності і індукції в створеному ним резонансному трансформаторі при відповідній настройці можна отримати шляхом резонансу вельми високі напруги і частоти ».
До речі, попутно Тесла зробив ще одне відкриття, яким користуються досі. Для ізоляції котушок надвисокої частоти він запропонував поміщати їх в парафиновое, лляне або мінеральне масло. Зараз це масло називають «трансформаторних».
Отже, Тесла навчився отримувати струми високої частоти. Але виникало резонне питання: а навіщо вони взагалі потрібні? Тесла, звичайно, не міг його проігнорувати. Але спочатку він вирішив докладніше вивчити властивості цього струму і його вплив на людський організм.
На той час уже було добре відомо, що для людини небезпечний постійний струм з напругою від 120 вольт і вище. Що стосується змінного струму, то зараз, наприклад, будь-який школяр молодших класів знає, що пальці в розетку пхати не можна - 220 вольт можуть і вбити. Але в побутових електромережах використовується струм низької частоти - як правило, 50 герц.
З іншого боку, людина абсолютно вільно переносить світло. Але ж світ - це електромагнітні хвилі дуже високої частоти. Може бути, і змінний струм дуже високої частоти так само буде добре переноситися людиною?
Тесла ставив експерименти на самому собі. Спочатку пропускав струм тільки через пальці однієї руки і виявив, що його дія на організм складається з нагріву і збудження нервових клітин. Потім він став збільшувати напругу і частоту струму, пропускаючи його вже через обидві руки. Треба сказати, що Тесла сильно ризикував - можливостей людського організму він все-таки не знав. Але все обійшлося. Він переконався, що при частоті понад 700 герц ток ніяких хворобливих відчуттів не викликає - організм на нього майже не реагує. Точно так же, як слух людини не реагує на коливання понад двадцять тисяч герц, а очей - на коливання за межами видимих кольорів спектра.
Як говорив Тесла, в деяких експериментах він пропускав через себе струм напругою в мільйон вольт і частотою в 100 тисяч герц. Під час цих дослідів йому і прийшла в голову думка про один із способів практичного застосування свого відкриття.
Вважається, що справа була так. Одного разу він побачив, як з пофарбованого мідного диска, який випадково опинився поблизу генератора, миттєво випарувалася фарба. Те ж відбулося і з рукою самого Тесли, коли він вимазав її друкарською фарбою. Він вирішив застосувати цей ефект в медичних цілях, і це теж принесло певний успіх: струми високої частоти очищали шкіру, а Тесла був впевнений, що вони вбивають і ненависних йому мікробів. Ймовірно, з тих пір у нього і увійшло в звичку регулярно приймати «електричні ванни». Потім він ще довго займався розробкою і продажем апаратів для електротерапії, і її сеанси у свій час користувалися великою популярністю в американських «світських колах». Деякі її методи застосовуються і сьогодні.
Але, звичайно, електротерапія стала одним з «побічних» винаходів Тесли в процесі його роботи зі струмом високої частоти. Головні ж його інтереси лежали трохи в іншій області.
У 1890 році Тесла отримав свій перший патент в області застосування високочастотного струму. Він називався «Спосіб експлуатації дугових ламп». У патенті описувався розроблений для їх експлуатації генератор, що виробляє струм з частотою п'ять тисяч і герц. Тесла продовжив роботи з освітлювальними приладами і незабаром вже міг демонструвати ті самі «самосветящиеся» лампи без нитки розжарювання.
У цих експериментах він спирався на відкриття знаменитих фізиків - англійця Джеймса Максвелла і німця Генріха Герца, які встановили електромагнітну природу світла. Але якщо світло являє собою електромагнітні коливання певної частоти, чи не можна отримати його шляхом штучного створення таких коливань? Теслі це вдалося: він поміщав лампи, наповнені розрідженим газом, в електромагнітне поле працюючого генератора струму високої частоти, і вони починали світитися як би самі собою.
Він вважав, що електромагнітні коливання, які створюються його високовольтними котушками, пов'язані з коливаннями молекул атмосфери, і якщо він зможе закрити атмосферні гази в скляні посудини і за допомогою електрики викликати їх коливання, то вони будуть випромінювати світло без тепла, оскільки енергію будуть давати холодні електричні струми.
Строго кажучи, він був не першим, хто ось так просто, на рівному місці, винайшов новий вид освітлення. Його попередники вже використовували високі частоти, щоб індукувати світло, а англійський фізик і хімік сер Вільям Крук зробив те ж саме з допомогою високої напруги. Але Тесла був першим, хто поєднав ці два підходи воєдино.
Потім це, до речі, був один з найпопулярніших «номерів» його виступів. Тесла змушував світитися трубки різної форми. Одного разу він показав публіці трубки, вигнуті у вигляді латинських букв, що становлять прізвища великих фізиків, - Бенджаміна Франкліна, Генріха Герца та Германа Гельмгольца.
Тесла створив чотири абсолютно нових види освітлювальних приладів, що працюють на принципі електричного збудження молекул газу: лампи з твердим тугоплавким нагрівальним елементом; лампи, наповнені люминофорами (речовинами, здатними перетворювати поглинається ними енергію в світлове випромінювання); лампи з розрідженими газами; лампи, в яких гази світяться при нормальному тиску.
Таким чином, Тесла був одним з творців всім відомих сьогодні ламп люмінесцентного освітлення (в побуті - лампи «денного світла»). Але патент на них він так і не отримав. А даремно - перші промислові зразки цих ламп почали з'являтися вже перед Другою світовою війною. А після війни люмінесцентні лампи міцно увійшли в побут людей.
Звичайно, Тесла проводив дослідження в області освітлення не тільки через ефект, який виробляли ці винаходи на публіку, хоча цей фактор він теж використовував по повній програмі. Тесла вважав, що «існуючі способи освітлення занадто марнотратні», що «слід винайти кращі способи і більш досконалі пристрої».
Багато в чому це був камінь в город Едісона. Вже тоді були відомі слабкі місця його ламп: низький ККД і часто перегорають нитки розжарювання. Вони і сьогодні залишилися такими ж, хоча ККД зуміли в певних випадках підвищити з п'яти до 15-20 відсотків. Тесла був упевнений, що «принаймні в 20 разів, а то й більше» світла можна отримати при однакових затратах енергії від його нових джерел.
Винахід Тесли потенційно підривало монополію Едісона на лампи розжарювання. Тільки-тільки восени 1892 роки після семирічних судових розглядів (в історію вони увійшли як «семирічна лампова війна») він відстояв своє право на використання патенту на виробництво ламп. І тут з'являється Тесла. Едісон стверджував, що той нічого нового не винайшов і що тесловскіе лампи дають мертвий білий світ на відміну від теплого і красивого жовтого світла ламп розжарювання, який набагато корисніше для очей.
Перше твердження Едісона невірно, друге - спірно. У всякому разі, дискусія про те, яке світло корисніше - «теплий» від ламп розжарювання або «холодний» від «ламп денного світла», - триває вже багато років. Досвід, однак, показує, що рядові споживачі електрики більш охоче використовували у себе вдома жовте світло ламп розжарювання, а ось люмінесцентні світильники і лампи з різними газовими наповнювачами стали невід'ємним атрибутом установ і підприємств: вони працюють набагато довше і споживають незрівнянно менше електроенергії.
Втім, останнім часом люмінесцентні (а також інші, наприклад світлодіодні) джерела світла поступово витісняють і звичні всім лампи розжарювання. У побуті їх називають «енергозберігаючими лампами», так як вони мають значно більшу світловіддачу і, відповідно, сприяють економії електроенергії. Не останню роль в їх популярності зіграли два чинники: по-перше, їх можна закручувати в звичайний електричний патрон (лампи «денного світла» вимагали особливого приєднання), а по-друге, виробники домоглися того, що і вони тепер можуть давати теплий жовтий світло .
Так що робота Тесли не пропала даром. Інша справа, що в первісному вигляді його ідея не перемогла. Лампи, які запалюються за допомогою генераторів струму високої напруги, широкого поширення не отримали. Хоча б тому, що для роботи бездротових світильників необхідні сильні електромагнітні поля, а вони не так вже нешкідливі для людського організму.
Але і сам Тесла теж винен. Робота над «холодним світлом» - альтернативними джерелами освітлення - була одним з найперспективніших напрямків, якими він займався. Інвестори готові були вкладати в його дослідження чималі кошти. Однак до кінця він цю справу не довів. Це, як ми побачимо далі, було в його манері - не доводити справу до завершення, якщо його захоплювала якась нова ідея. А вже незабаром після винаходу резонансного трансформатора Теслу все більше і більше займала проблема, яка, на відміну від інших, хвилювала його практично все життя, - передача електроенергії на великі відстані без проводів.