Момент ясности
Пока я возился с длинной тонкой вторичной катушкой Тесла-Койл, что-то щелкнуло в моей голове. После многих лет экспериментов с Тесла-Койл я наконец понял, к чему стремился Тесла с помощью однопроводной передачи, резонансных катушек и продольных волн. Позвольте мне объяснить, почему это имеет смысл.
- Однопроводная линия передачи
Представьте себе обмотку однослойной катушки провода вокруг длинной пластиковой трубки — по сути, это резонатор Теслы (см. Рисунок 1). Он функционирует как электрическая линия передачи. Вы можете ввести переменный ток (AC) в один конец, используя небольшую первичную катушку, обернутую вокруг него. - Теперь посмотрите на рисунок 2. Мы добавили вторую «первичную катушку» на дальнем конце длинной катушки. Эта вторая катушка действует как приемник, собирая энергию, вводимую передающей катушкой на другом конце. Поскольку длинная тонкая катушка представляет собой всего лишь один непрерывный кусок провода, мы фактически передали электрическую энергию по одному проводу. Здесь нет замкнутой цепи! Это работает, потому что катушка поддерживает медленно движущиеся электромагнитные волны, а электронное море внутри металла ведет себя так, как будто оно сжимаемо.
На рисунке 1 показана типичная катушка Тесла, а на рисунке 2 — однопроводная линия передачи. На рисунке 3 вы видите, как генератор переменного тока зажигает лампочку. Если мы прикрепим металлические сферы к каждому концу, чтобы предотвратить коронный разряд от свисающих концов проводов, мы создадим простую систему питания. Подайте высокочастотный переменный ток в первую первичную катушку, и тот же самый переменный ток выйдет из второй первичной катушки на дальнем конце.
Если мы правильно выберем нагрузочный резистор для приемной катушки, вся электромагнитная энергия, проходящая по длинной и тонкой вторичной обмотке, будет поглощаться без отражения обратно.
Передача волновой формы
Это знаменитая однопроводная линия передачи, которая, кажется, использует продольные волны. Но в ней нет ничего необычного — она следует стандартной физике. Электрические и магнитные поля, окружающие любую часть длинной катушки, остаются перпендикулярными друг другу. То, что движется вдоль катушки, — это последовательные сгустки положительного и отрицательного зарядового дисбаланса, связанные вместе окружающими электромагнитными полями. Эти электромагнитные поля являются поперечными. Единственное, что напоминает «продольную» или компрессионную волну, — это плотность свободных электронов в проводе.
Это странно? Нет. Это не сильно отличается от коаксиального кабеля. В обычном коаксиальном кабеле электроны движутся как часть волны сжатия, хотя электромагнитные поля в диэлектрике остаются поперечными.
В обычных кабелях два проводника создают разность потенциалов, которая формирует компонент «E» электромагнитной волны. В нашем однопроводном катушечном устройстве напряжение между движущимися комками чистого заряда, распределенного вдоль катушки, создает поле «E». Одиночный провод действует как свой собственный контур. Движение этих зарядов составляет электрический ток, создавая часть «M» электромагнитной волны.
Увлекательно, правда? Однопроводная линия передачи! Она не нарушает правила против продольных ЭМ волн, но бросает вызов традиционной концепции цепей, поскольку здесь нет полной цепи. Два конца соединены одним проводом. Заряды текут вперед и назад внутри катушки, в то время как электрическая энергия перемещается от источника к нагрузке.
Линия передачи Goubau
Но это не уникально. Давным-давно я наткнулся на статью об однопроводной линии передачи, не связанной с Теслой — речь шла о старом методе микроволновой передачи, называемом линией передачи Goubau или «G-линией». Статья появилась в старом выпуске QST (журнала любительского радио) 1960-х или 70-х годов. Оказывается, можно посылать микроволновые или УВЧ-сигналы по одному проводу, если он покрыт диэлектриком.
Как показано на рисунке 4, линия Губо начинается с обычного коаксиального кабеля. Вы снимаете экран с центральной секции и припаиваете большие конусообразные медные рога к экрану коаксиала на обоих концах. Покрытый диэлектриком одиночный провод простирается между этими конусами. На рисунке 4 сегмент одиночного провода между конусами может быть любой длины, при условии, что он достаточно прямой. Эти конусообразные части должны охватывать примерно одну длину волны (или, может быть, половину длины волны — я точно не помню). Металлические конусы действуют как пусковые или улавливающие волны.
Когда электромагнитные волны выходят из коаксиального кабеля, конусы позволяют им распространяться и прикрепляться к «линии G». Без пластикового покрытия волны не прилипли бы к проводу и ушли бы в космос. В статье отмечалось, что вы можете слегка согнуть линию G, при условии, что изгиб будет плавным и постепенным. Благодаря пластиковому покрытию волны следуют изгибу. Без покрытия волны полностью пройдут мимо изгиба и будут излучаться в космос.
Очевидно, это работает только с переменным током. Цепи нет; вместо этого волны «электронного сжатия» распространяются по одному проводу. Чтобы лучше понять это, рассмотрим аналогию с жидкостью. Обычная цепь похожа на замкнутую петлю шланга, наполненного водой. Чтобы передать энергию, вы проталкиваете воду в одну часть петли, заставляя всю воду циркулировать. Это как приводной ремень.
На рисунке 5 изображено электрическое поле «линии G», простирающееся между областями движущегося заряда.
«Открытый» контур распространения
Можем ли мы разорвать цепь и использовать некруглую гидравлическую систему? Можем ли мы посылать волны сжатия через «воду» в шланге из проволоки? Безусловно — именно это и делает G-line. С помощью длинного герметичного шланга мы можем посылать звукоподобные волны через «воду», хотя мы не можем поддерживать постоянный поток постоянного тока, как это было бы с замкнутой системой. Однопроводные системы по своей сути являются системами переменного тока, сродни передаче звуковой энергии через заполненную жидкостью трубку.
Поскольку G-линия имеет только один проводник, компонент «E» электромагнитной волны существует между последовательными кусками чистого заряда, движущимися по проводу. Напряжение на линии передачи излучается наружу как радиальный поток электронного поля, изгибаясь назад, чтобы соединиться с противоположными линиями потока в другом месте на проводе. Компонент «M» ведет себя как магнитное поле вокруг любого провода: круговые линии потока, окружающие проводник. Энергия течет вдоль провода, как указано вектором Пойнтинга (ExB).
Таким образом, у нас есть однопроводная линия передачи, основанная на поперечных ЭМ волнах в пространстве и волнах электронной плотности внутри провода. Внутри металла электроны колеблются вперед и назад, в то время как ЭМ волна распространяется снаружи со скоростью, близкой к скорости света. Это похоже на звуковые волны, распространяющиеся по струне телефона в жестяной банке, за исключением того, что электроны заменяют волокна струны, а поперечные ЭМ волны заменяют звуковые волны. Для «if-линии» энергия находится в ЭМ полях, связанных с электронами, а не в кинетической и потенциальной энергии физической среды.
Модель мировой системы Теслы
Как это связано с Теслой? Как только мы осознаем возможность передачи энергии по одному проводу, мы понимаем, что можем сделать то же самое с любым проводником, при условии, что он имеет диэлектрическое покрытие (см. Рисунок 6).
Вы можете вставить большой металлический предмет в «линию G». Конечно, могут быть отражения, когда тонкий провод встречается с более объемным проводником, но это не имеет значения. С помощью этой установки мы можем посылать волны вдоль поверхности проводящего предмета, в то время как «электронное море» внутри вибрирует продольно.
- Знакомо? Никола Тесла задумал свою «Всемирную систему», предназначенную для доставки пригодной для использования электрической энергии к приемникам в любой точке Земли.
На рисунке 6 представьте, что «кусок проводника» — это вся планета Земля! Замените конусообразные пусковые установки на приподнятую сферу, обеспечивающую виртуальную опорную емкость земли. Предположим, что частота волны падает ниже диапазона УВЧ. Тогда вся Земля ведет себя как однопроводная система передачи «G-line».
Тесла считал, что его устройства не опираются на ту же физику, что и волны Герца. Он был и прав, и неправ. Когда радиочастотная энергия распространяется через пустое пространство, компоненты E и M являются поперечными, и волны распространяются перпендикулярно им обеим. Однако, когда электромагнитная энергия распространяется по кабелю, в этом участвуют электроны — электронное море внутри металлических проводов плещется вперед и назад, в то время как электромагнитные волны текут вдоль внешних поверхностей. Почему это важно? Потому что физика линии передачи относится к «ближнему полю» катушек или конденсаторов, а не к свободно распространяющимся «волнам Герца».
Когда Тесла передавал энергию вокруг Земли, он рассматривал планету как гигантский электрический кабель. Его волны соединялись с зарядами на поверхности Земли. Он не передавал чистые радиоволны, даже если частоты соответствовали типичным радиоволнам. Вместо этого он использовал однопроводную систему, где проводом служила проводящая Земля. Технология Теслы опиралась на эффекты «ближнего поля» катушек, конденсаторов и линий передачи, а не на дипольные антенны, как волны Герца. В этом смысле его волны были «негерцевскими».
Но подождите — это работает только если на Земле есть диэлектрическое покрытие. Без такого покрытия волны уходили бы в космос, а не следовали бы кривизне планеты. К счастью, атмосфера обеспечивает это покрытие, а проводящая ионосфера действует как экран коаксиального кабеля, направляя волны вокруг Земли.
На рисунке 8 показано, как земля действует как линия передачи.
Тесла использовал Землю в качестве линии передачи. Он был прав, утверждая, что он создал продольные волны в «естественной среде». Он также был прав, утверждая, что земля была не просто точкой отсчета напряжения. Здесь «естественная среда» относится к подвижным ионам в почве и океанах, делая Землю проводящей. Он превратил поверхность Земли в проводник «G-line». Любое устройство, подключенное к земле и поднятому металлическому предмету, могло подключиться к этой энергии.
Ошибка Теслы
Итак, в чем была большая ошибка Теслы? Изначально он не осознавал, насколько важна атмосфера Земли для его системы. Если бы Земля была металлическим шаром, плавающим в вакууме, его передача энергии не работала бы — волны распространялись бы по земле и уходили в космос. Его система напоминала бы «линию G» с резким изгибом: большинство волн игнорировали бы изгиб и излучались бы прочь. Благодаря диэлектрическим свойствам атмосферы и наличию проводящей ионосферы система Теслы стала осуществимой. Однако современные ученые отвергли ее как нарушающую известную теорию.
Если бы Тесла начал с устоявшихся теорий, он, возможно, никогда бы не пошел по этому пути. Вместо этого он начал с эмпирических наблюдений, что Земля резонирует электромагнитно, как ударенный колокол. Атмосфера и ионосфера сделали это возможным, но Тесла изначально не знал, почему — это просто работало.
Другая существенная ошибка Теслы заключалась в том, что он считал, что его беспроводная передача не имеет ничего общего с «герцевскими» волнами. На самом деле волны в коаксиальной линии передачи ничем принципиально не отличаются от волн, излучаемых дипольной антенной, подключенной к линии. Независимо от того, регулируется ли он уравнениями «ближнего поля» или «дальнего поля», электромагнетизм остается электромагнетизмом.
На рисунке 9 показано, как заряды вибрируют, пока энергия течет вбок.
Ошибка Теслы не была монументальной, особенно по сравнению с традиционными учеными, которые были убеждены, что у Земли нет резонансных частот, настаивали на том, что радиоволны не могут огибать Землю, и высмеивали беспроводную передачу Теслы как чушь — нарушение известной физики. Когда в 1950-х годах был заново открыт земной резонанс Шумана VLF, никто в традиционной науке не осмелился признать, что Тесла был прав с самого начала.
Сегодня Тесла остается героем среди ненаучных сообществ, но его по-прежнему высмеивают в обычных кругах за попытку распределить электричество без проводов — или, скорее, через землю. Все «знают», что это невозможно, даже теоретически.