Однопроводная линия передачи

Однопроводная линия передачи (или однопроводной метод ) — это метод передачи электрической энергии или сигналов с использованием только одного электрического проводника. Это отличается от обычного использования пары проводов, образующих полную цепь, или электрического кабеля, также содержащего (по крайней мере) два проводника для этой цели.

Однопроводная линия передачи — это не то же самое, что однопроводная система возврата на землю, которая не рассматривается в этой статье. Последняя система основана на обратном токе через землю , используя землю в качестве второго проводника между заземляющими электродами. В однопроводной линии передачи нет второго проводника какой-либо формы.

История

Еще в 1780-х годах Луиджи Гальвани впервые наблюдал эффект статического электричества , вызывающий подергивание ног лягушки, и наблюдал тот же эффект, возникающий только из-за определенных металлических контактов с лягушкой, включающих полную цепь. Последний эффект был правильно понят Алессандро Вольтой как электрический ток, непреднамеренно создаваемый тем, что впоследствии стало известно как гальванический элемент (батарея). Он понимал, что такой ток требует полной цепи для проведения электричества, хотя истинная природа электрического тока еще не была понята (только столетие спустя был электрон открыт ). Все последующие разработки электродвигателей, фонарей и т. д. основывались на принципе полной цепи, обычно включающей пару проводов, но иногда использующую землю в качестве второго проводника (как в коммерческой телеграфии ).

В конце XIX века Никола Тесла продемонстрировал, что с помощью электрической сети, настроенной на резонанс, можно передавать электроэнергию, используя только один проводник, без необходимости использования обратного провода. Об этом говорили как о «передаче электрической энергии по одному проводу без возврата». ^[1]^[2]

В 1891, 1892 и 1893 годах на демонстрационных лекциях по электрическим генераторам перед AIEE в Колумбийском колледже, Нью-Йорк, IEE в Лондоне, Институте Франклина в Филадельфии и Национальной ассоциации электрического освещения в Сент-Луисе было показано, что электродвигатели и одиночные Лампы накаливания с клеммами могут работать по одному проводнику без обратного провода. Несмотря на отсутствие полной схемы, такая топология эффективно обеспечивает обратную цепь благодаря собственной емкости нагрузки и паразитной емкости . ^[3]^[4]

Таким образом, катушки соответствующих размеров могут быть подключены каждая только одним концом к сети от машины с низкой ЭДС, и хотя цепь машины не будет замкнутой в обычном понимании этого термина , тем не менее, машина может быть сгореть, если будет достигнут правильный резонансный эффект. ^[5]

Последняя ссылка на «выгорание» машины заключалась в том, чтобы подчеркнуть способность такой системы передавать большую мощность при правильном согласовании импедансов , что может быть получено посредством электрического резонанса .

Теория

Это наблюдение было открыто несколько раз заново и описано, например, в патенте 1993 года. ^[6] Однопроводная передача в этом смысле невозможна при использовании постоянного тока и совершенно непрактична для низкочастотных переменных токов, таких как стандартные частоты линии электропередачи 50–60 Гц. Однако на гораздо более высоких частотах обратная цепь (которая обычно подключается через второй провод) может использовать собственную и паразитную емкость большого проводящего объекта, например корпуса самой нагрузки . Хотя собственная емкость даже больших объектов в обычных условиях довольно мала, как понимал сам Тесла, можно резонировать с этой емкостью, используя достаточно большой индуктор (в зависимости от используемой частоты), и в этом случае большое реактивное сопротивление этой емкости отменено. Это позволяет протекать большому току (и подавать большую мощность на нагрузку) без необходимости использования источника чрезвычайно высокого напряжения. Хотя этот метод передачи энергии уже давно понятен, неясно, существовало ли какое-либо коммерческое применение этого принципа для передача мощности .

Однопроводные волноводы

Еще в 1899 году Арнольд Зоммерфельд опубликовал статью. ^[7] предсказание использования одного цилиндрического проводника (провода) для распространения радиочастотной энергии в виде поверхностной волны . «Проволочная волна» Зоммерфельда представляла теоретический интерес как распространяющаяся мода, но это было за десятилетия до того, как появилась технология генерации достаточно высоких радиочастот для любых подобных экспериментов, не говоря уже о практическом применении. Более того, решение описывало бесконечную линию передачи без учета энергии связи с ней (или из нее).

Однако особый практический интерес представляло предсказание существенно меньшего затухания сигнала по сравнению с использованием того же провода в качестве центрального проводника коаксиального кабеля . В отличие от предыдущего объяснения того, что полная передаваемая мощность обусловлена классическим током по проводу, в этом случае токи в самом проводнике намного меньше, а энергия передается в виде электромагнитной волны ( радиоволны ). Но в этом случае наличие провода направляет эту волну к нагрузке, а не рассеивает ее.

Снижение омических потерь по сравнению с использованием коаксиального кабеля (или других двухпроводных линий передачи) является особенно преимуществом на более высоких частотах, где эти потери становятся очень большими. С практической точки зрения, использование этого режима передачи ниже СВЧ-частот весьма проблематично из-за очень протяженной диаграммы направленности поля вокруг провода. Поля, связанные с поверхностной волной вдоль проводника, значительны для проводников многих диаметров, поэтому металлические или даже диэлектрические материалы, случайно присутствующие в этих областях, искажают распространение моды и обычно увеличивают потери при распространении. Хотя в поперечном направлении нет зависимости от длины волны для этого размера, в направлении распространения необходимо иметь длину проводника как минимум в полволны, чтобы полностью поддерживать распространяющуюся моду. По этим причинам, а также на частотах, доступных примерно до 1950 года, практические недостатки такой передачи полностью перевешивали снижение потерь из-за конечной проводимости провода.

линия Губо

В 1950 году Георг Губо вернулся к открытию Зоммерфельда режима поверхностных волн вдоль провода, но с намерением повысить его практичность. ^[8] Одной из основных целей было уменьшить площадь полей, окружающих проводник, чтобы такой провод не требовал неоправданно большого зазора. Другая проблема заключалась в том, что волна Зоммерфельда распространялась точно со скоростью света (или немного меньшей скоростью света в воздухе для провода, окруженного воздухом). Это означало, что будут радиационные потери . Прямой провод действует как длинная проволочная антенна , отбирая излучаемую мощность из управляемого режима. Если скорость распространения можно уменьшить ниже скорости света, окружающие поля станут исчезающими и, таким образом, не смогут распространять энергию за пределы области, окружающей провод.

Губо исследовал положительный эффект проволоки, поверхность которой структурирована (а не представляет собой точный цилиндр), как можно было бы получить, используя проволоку с резьбой. Что еще более важно, Губо предложил использовать диэлектрический слой, окружающий проволоку. Даже достаточно тонкий (по отношению к длине волны) слой диэлектрика снизит скорость распространения существенно ниже скорости света, исключив потери излучения от поверхностной волны по поверхности длинного прямого провода. Эта модификация также позволила значительно уменьшить воздействие электромагнитных полей, окружающих провод, решая другую практическую проблему. ^[9]

Наконец, Губо изобрел метод запуска (и получения) электрической энергии от такой линии передачи. Запатентованный ^[10] Линия Губо (или «G-линия») состоит из одного проводника, покрытого диэлектрическим материалом. На каждом конце находится широкий диск с отверстием в центре, через который проходит линия передачи. Диск может представлять собой основание конуса, его узкий конец обычно соединен с экраном коаксиальной линии питания , а сама линия передачи соединяется с центральным проводником коаксиального кабеля.

Даже с учетом уменьшенной протяженности окружающих полей в конструкции Губо такое устройство становится практичным только на частотах УВЧ и выше. С развитием технологий на терагерцовых частотах, где металлические потери еще выше, использование передачи с использованием поверхностных волн и линий Губо кажется многообещающим. ^[11]

электронная линия

С 2003 по 2008 год были поданы патенты на систему, в которой использовался оригинальный голый (непокрытый) провод Зоммерфельда, но использовалась пусковая установка, аналогичная системе, разработанной Губау. ^[12]^[13] До 2009 года он продвигался под названием «E-Line». ^[14] Утверждается, что эта линия является полностью неизлучающей, распространяющей энергию посредством ранее игнорированной поперечно-магнитной (ТМ) волны. Предполагаемое применение — каналы с высокой скоростью передачи данных, использующие существующие линии электропередачи для целей связи. ^[15]

См. также

Ссылки

^ "Почему Тесла вообще сделал свою катушку?" , Книги 21 века.
↑ Никола Тесла, Разговор с планетами» . Collier's Weekly , 19 февраля 1901 г., стр. 4–5.
«Около десяти лет назад я осознал тот факт, что для передачи электрического тока на расстояние вовсе не обязательно использовать обратный провод, но что любое количество энергии можно передать с помощью одного провода. Я проиллюстрировал этот принцип на примере многочисленные эксперименты, возбудившие в то время значительное внимание ученых».
^ Эксперименты с переменными токами очень высокой частоты и их применение к методам искусственного освещения , Американский институт инженеров-электриков, Колумбийский колледж, Нью-Йорк, 20 мая 1891 г.
^ Эксперименты с переменными токами высокого потенциала и высокой частоты , Адрес Института инженеров-электриков, Лондон, февраль 1892 г.
^ О свете и других высокочастотных явлениях , Институт Франклина, Филадельфия, февраль 1893 г., и Национальная ассоциация электрического освещения, Сент-Луис, март 1893 г.
^ Патент США 6,104,107 , « Способ и устройство для однолинейной передачи электроэнергии ». Авраменко и др.
^ А. Зоммерфельд, Энн. Физ. и химия (Новый эпизод) 67-1, 233 (1899)
^ Георг Губау, «Поверхностные волны и их применение в линиях передачи», Журнал прикладной физики, том 21, ноябрь (1950).
^ Патент США 2 685 068 « Линия передачи поверхностных волн ». Джордж Дж. Э. Губо
^ Патент США 2 921 277 « Запуск и прием поверхностных волн ». Джордж Дж. Э. Губо
^ Тахсин Акалин, «Однопроводные линии передачи на терагерцовых частотах», Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения (IEEE-MTT), том 54, выпуск 6, июнь 2006 г. Страницы: 2762–2767
^ Патент США 7,009,471 , « Способ и устройство для запуска поверхностной волны в однопроводную линию передачи с использованием расширяющегося конуса с прорезями ». Гленн Э. Элмор
^ Патент США 7,567,154 , « Система передачи поверхностных волн по одному проводнику с электронными полями, оканчивающимися вдоль проводника » Гленн Э. Элмор
^ «Е-Лайн» . Коридор Системс Инк. 2010 . Проверено 6 ноября 2013 г.
^ Гленн Элмор (27 июля 2009 г.). «Введение в распространение волны ТМ по одному проводнику» (PDF) . Коридорные системы . Проверено 6 ноября 2013 г.

[1] "Почему Тесла вообще сделал свою катушку?" , Книги 21 века.

[2] Никола Тесла, Разговор с планетами» . Collier's Weekly , 19 февраля 1901 г., стр. 4–5.
«Около десяти лет назад я осознал тот факт, что для передачи электрического тока на расстояние вовсе не обязательно использовать обратный провод, но что любое количество энергии можно передать с помощью одного провода. Я проиллюстрировал этот принцип на примере многочисленные эксперименты, возбудившие в то время значительное внимание ученых».

[3] Эксперименты с переменными токами очень высокой частоты и их применение к методам искусственного освещения , Американский институт инженеров-электриков, Колумбийский колледж, Нью-Йорк, 20 мая 1891 г.

[4] Эксперименты с переменными токами высокого потенциала и высокой частоты , Адрес Института инженеров-электриков, Лондон, февраль 1892 г.

[5] О свете и других высокочастотных явлениях , Институт Франклина, Филадельфия, февраль 1893 г., и Национальная ассоциация электрического освещения, Сент-Луис, март 1893 г.

[6] Патент США 6,104,107 , « Способ и устройство для однолинейной передачи электроэнергии ». Авраменко и др.

[7] А. Зоммерфельд, Энн. Физ. и химия (Новый эпизод) 67-1, 233 (1899)

[8] Георг Губау, «Поверхностные волны и их применение в линиях передачи», Журнал прикладной физики, том 21, ноябрь (1950).

[9] Патент США 2 685 068 « Линия передачи поверхностных волн ». Джордж Дж. Э. Губо

[10] Патент США 2 921 277 « Запуск и прием поверхностных волн ». Джордж Дж. Э. Губо

[11] Тахсин Акалин, «Однопроводные линии передачи на терагерцовых частотах», Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения (IEEE-MTT), том 54, выпуск 6, июнь 2006 г. Страницы: 2762–2767

[12] Патент США 7,009,471 , « Способ и устройство для запуска поверхностной волны в однопроводную линию передачи с использованием расширяющегося конуса с прорезями ». Гленн Э. Элмор

[13] Патент США 7,567,154 , « Система передачи поверхностных волн по одному проводнику с электронными полями, оканчивающимися вдоль проводника » Гленн Э. Элмор

[14] «Е-Лайн» . Коридор Системс Инк. 2010 . Проверено 6 ноября 2013 г.

[elmore-15] Гленн Элмор (27 июля 2009 г.). «Введение в распространение волны ТМ по одному проводнику» (PDF) . Коридорные системы . Проверено 6 ноября 2013 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]