Мировая беспроводная система

Прототип электростанции Уорденклиф , задуманный Николой Теслой как телекоммуникационный объект «World Wireless».

Всемирная беспроводная система была предложенной на рубеже 20-го века системой телекоммуникаций и подачи электроэнергии, разработанной изобретателем Николой Теслой на основе его теорий использования Земли и ее атмосферы в качестве электрических проводников. Он заявил, что эта система позволит «передавать электроэнергию без проводов» в глобальном масштабе. а также двухточечная беспроводная связь и радиовещание . Начиная с середины 1890-х годов, он делал публичные заявления, ссылаясь на два взаимосвязанных метода достижения этой цели. К концу 1900 года он убедил банкира Дж. П. Моргана профинансировать строительство беспроводной станции (в конечном итоге расположенной в Уорденклиффе ), основанной на его идеях, предназначенной для передачи сообщений через Атлантику в Англию и на корабли в море. Его решение изменить конструкцию, включив в нее беспроводную передачу энергии , чтобы лучше конкурировать с Гульельмо Маркони, новой радиотелеграфной системой было встречено отказом Моргана финансировать изменения. Проект был заброшен в 1906 году и так и не был введен в эксплуатацию.

В этот период Тесла подал множество патентов, связанных с основными функциями его системы, включая конструкцию трансформатора, методы передачи, схемы настройки и методы передачи сигналов. Он также описал план размещения примерно тридцати телекоммуникационных станций типа Уорденклифа по всему миру, которые будут подключены к существующим телефонным и телеграфным системам. В течение следующих нескольких десятилетий он продолжал подробно рассказывать в прессе и в своих статьях о возможностях системы и о ее превосходстве над радиосистемами.

Несмотря на заявления о том, что он «провел практические эксперименты по беспроводной передаче», нет никаких документов о том, что он когда-либо передавал энергию на относительно короткие расстояния, и современное научное мнение в целом состоит в том, что его схема беспроводной передачи энергии не сработала бы.

История

Иллюстрация Теслы в 1891 году, показывающая две частично вакуумированные трубки, освещенные быстро меняющимся электростатическим полем, создаваемым между двумя металлическими листами.

Тесла сидит перед спиральной катушкой высоковольтного трансформатора в своей лаборатории на Ист-Хьюстон-стрит, Нью-Йорк, 1896 год.

Происхождение

Идеи Теслы о системе World Wireless выросли из экспериментов, начавшихся в начале 1890-х годов после изучения экспериментов Герца с электромагнитными волнами с использованием трансформаторов с индукционной катушкой и искровых разрядников. Он повторил эти эксперименты, а затем усовершенствовал беспроводной передатчик Герца, разработав различные генераторы переменного тока и свой собственный трансформатор высокого напряжения, известный как катушка Теслы . Его основной интерес к явлению беспроводной связи заключался в системе распределения электроэнергии, на ранних этапах разработки беспроводного освещения. С 1891 года Тесла читал лекции, в том числе « Опыты с переменными токами высокого потенциала и высокой частоты », в 1892 году в Лондоне и Париже, а затем демонстрировал «беспроводное освещение». в 1893 году включая беспроводное освещение трубок Гейсслера .

Однопроводная передача

Первым экспериментом была работа световых и двигательных устройств, подключенных одним проводом к одному выводу высокочастотной индукционной катушки , выполненная во время лекции в Нью-Йорке в 1891 году в Колумбийском колледже . с одной клеммой, В то время как лампа накаливания подключенная к одной из вторичных клемм индукционной катушки, не образует замкнутую цепь «в обычном понимании этого термина». цепь замкнута в том смысле, что обратный путь устанавливается обратно во вторичную обмотку за счет емкостной связи или « тока смещения ». нити лампы или огнеупорной кнопки Это связано с емкостью относительно свободного вывода катушки и окружающей среды; свободный вывод также имеет емкость относительно лампы и окружающей среды.

Беспроводная передача

Второй результат продемонстрировал, как можно заставить энергию проходить через пространство без каких-либо соединительных проводов. Эффект беспроводной передачи энергии заключается в создании электрического поля между двумя металлическими пластинами, каждая из которых подключена к одному выводу вторичной обмотки индукционной катушки. трубка газоразрядная В качестве средства обнаружения наличия передаваемой энергии использовалась . Некоторые демонстрации включали освещение двух частично вакуумированных трубок в переменном электростатическом поле, когда они держались в руке экспериментатора.

Разработка

1897 года На рисунке из патента США 649 621 «Устройство для передачи электрической энергии» (вместе с патентом США 645 576 ) показана концепция Теслы передачи электрической энергии через верхние слои атмосферы через терминалы, поддерживаемые воздушными шарами, привязанными на высоте до 35 000 футов над уровнем моря.

Формулируя свои теории в начале 1890-х годов, Тесла отказался от идеи использования радиоволн. Он не обязательно верил в существование радиоволн, как это предполагал Максвелл. и он согласился с тем, что говорило большинство физиков того времени: радиоволны будут распространяться по прямой линии так же, как распространяется видимый свет, что ограничивает их использование для связи на большие расстояния. (Радиоволны действительно распространяются по прямой, но это произошло за много лет до открытия того, что ионосфера отражает определенные радиоволны, что делает возможным передачу по небесным волнам коротковолновых частотных диапазонов на большие расстояния.)

Он считал, что передача электрических сигналов за пределы прямой видимости потребует использования планеты Земля в качестве проводящей среды, чтобы преодолеть это ограничение. К концу 1895 года он сделал заявления для прессы о возможности того, что « электрический заряд Земли может быть нарушен, и тем самым электрические волны могут эффективно передаваться на любое расстояние без использования кабелей или проводов », и что электрические волны могут использоваться для передачи « понятных сигналов » и « движущей силы ». 11 апреля 1896 года он заявил, что « сообщения могут передаваться во все части земного шара одновременно », используя электрические волны, распространяющиеся через атмосферу и даже эфир за ее пределами . В сентябре 1897 года он подал заявку на патент. о схеме беспроводной передачи энергии, состоящей в передаче энергии между двумя привязанными воздушными шарами, находящимися на высоте 30 000 футов, высоте, где, по его мнению, должен существовать проводящий слой.

большой резонансный трансформатор, Между 1895 и 1898 годами он сконструировал в своей лаборатории в Нью-Йорке названный увеличивающим передатчиком, чтобы проверить свои теории проводимости земли. В 1899 году он провел крупномасштабные эксперименты в Колорадо-Спрингс, штат Колорадо . Основываясь на своих измерениях, он пришел к выводу, что Земля « буквально полна электрических вибраций ». Он отметил, что удары молний указывают на то, что Земля является большим проводником, вокруг которого движутся волны энергии. Он сконструировал большой увеличительный передатчик диаметром пятьдесят один фут (16 м), который мог развивать рабочий потенциал от 3,5 до 4 миллионов вольт и был способен производить электрические разряды длиной более ста футов (30 м). С его помощью он проверял проводимость земли и зажигал электрические лампы накаливания рядом со своей лабораторией, демонстрируя беспроводную передачу энергии.

В Колорадо-Спрингс приемник катушки Тесла, настроенный в резонанс с передатчиком катушки Тесла, освещает 10-ваттную лампу накаливания. Расстояние от заземляющей пластины передатчика до точки приема составляет 1938 футов (591 м).

Вернувшись в Нью-Йорк из Колорадо-Спрингс в 1900 году, он обратился к венчурным капиталистам для финансирования того, что он считал революционной системой беспроводной связи и подачи электроэнергии, использующей Землю в качестве проводника. К концу 1900 года он привлек внимание финансиста Дж. П. Моргана , который согласился профинансировать пилотный проект (позже ставший проектом Уорденклифф ), который, основанный на его теориях, был бы способен передавать сообщения, телефонию и даже факсимильные изображения по всему миру. Атлантику в Англию и корабли в море. Морган должен был получить контрольный пакет акций компании, а также половину всех доходов от патентов. Почти сразу после подписания контракта Тесла решил расширить объект, включив в него свои идеи наземной беспроводной передачи энергии , чтобы лучше конкурировать с Гульельмо Маркони . радиотелеграфной системой Морган отказался финансировать изменения, и, когда не стало доступного дополнительного инвестиционного капитала, проект в Уорденклиффе был заброшен в 1906 году и так и не был введен в эксплуатацию.

Строительство «радиостанции» Уорденклиффа в Шорхэме началось в конце 1901 года и продолжалось в течение следующих трех лет. Завод включал в себя кирпичное здание Стэнфорда Уайта размером 94 на 94 фута (29 на 29 м), башню с деревянным каркасом высотой 186 футов (57 м) с «куполом» диаметром 68 футов (21 м) наверху и шахта длиной 120 футов (37 м), погруженная в землю, с шестнадцатью железными трубами, проложенными «одна за другой» на 300 футов (91 м) ниже шахты, чтобы машина, по словам Теслы, «держалась на земле». так что весь этот земной шар может дрожать». Проблемы с финансированием продолжали преследовать Уорденклифф, и к 1905–1906 годам большую часть деятельности сайта пришлось закрыть.

Элементы

Объяснение Теслы беспроводной энергосистемы в выпуске журнала «Electrical Experimenter» за 1919 год по аналогии с тем, что пульсация электроэнергии через Землю будет подобна накачиванию воздуха в шар.

Во второй половине 1890-х годов, во время строительства Уорденклифа, Тесла подал заявку на патенты, охватывающие множество элементов, которые составят его беспроводную систему. Система, которую он придумал, была основана на электропроводности, при которой электрический заряд проходит через землю, а также через теоретический проводящий слой в атмосфере. Конструкция состояла из заземленной катушки Теслы в качестве передатчика резонансного трансформатора, который, как он думал, сможет создавать смещение электрического заряда Земли, попеременно заряжая и разряжая приподнятый вывод генератора. Это будет работать в сочетании со второй катушкой Теслы, используемой в режиме приема в удаленном месте, а также с заземленным винтовым резонатором и приподнятым терминалом. Он считал, что размещение заземленного резонансного трансформатора в другой точке поверхности Земли в роли приемника, настроенного на ту же частоту, что и передатчик, позволит электрическому току течь через Землю между ними.

Он также полагал, что волны электрического тока от передающей башни можно заставить отражаться обратно от дальней стороны земного шара, в результате чего возникают усиленные стационарные волны электрического тока, которые можно использовать в любой точке земного шара, локализуя подачу энергии непосредственно к точке земного шара. приемная станция. Другим аспектом его системы было электричество, возвращаемое посредством «эквивалентного электрического смещения». в атмосфере через заряженный проводящий верхний слой, который, как он думал, существовал, теория, восходящая к идее 1872 года о предложенной системе беспроводной передачи-приема, разработанной Махлоном Лумисом . Считалось, что ток можно использовать в приемнике для телекоммуникаций и для управления электрическими устройствами.

Тесла рассказал другу, что в его планы входит строительство более тридцати передающих-приемных станций вблизи крупных населенных пунктов по всему миру. причем Уорденклифф был первым. Если бы планы продвигались вперед без перерыва, за прототипом Лонг-Айленда последовал бы второй завод, построенный на Британских островах, возможно, на западном побережье Шотландии недалеко от Глазго. Каждая из этих установок должна была включать в себя большой увеличительный передатчик , конструкция которого основывалась на аппарате, собранном на экспериментальной станции в Колорадо-Спрингс в 1899 году.

Заявленные приложения

Представление художника 1925 года о том, как могла бы выглядеть в будущем система беспроводной передачи энергии Теслы, питающая самолеты и освещающая город на заднем плане.

Описание Теслой своих идей беспроводной передачи данных в 1895 году включает в себя их гуманитарное использование для доставки обильной электроэнергии в отдаленные слаборазвитые части мира, а также для содействия более тесным связям между странами. В своей статье в журнале Century Magazine за июнь 1900 года «Проблема увеличения человеческой энергии» он подробно остановился на свойствах Земли и принципах системы, которая могла бы использовать Землю в качестве средства связи и передачи энергии без проводов. Он писал, что связь на любом расстоянии возможна. Он также отметил, что этот же процесс можно использовать для определения местонахождения морских объектов, таких как айсберги или корабли в море, и что «электрическое движение такой величины» может связываться с другими планетами.

В 1909 году Тесла заявил:

«Скоро, например, деловой человек в Нью-Йорке сможет диктовать инструкции, и они мгновенно появятся в печатном виде в Лондоне или где-либо еще. Он сможет позвонить со своего рабочего места и поговорить с любым телефонным абонентом в Достаточно будет носить с собой недорогой инструмент размером не больше часов, который позволит его владельцу слышать в любом месте на море или на суше на расстояния в тысячи миль. Можно будет слушать или передавать речь или песню в самые отдаленные уголки мира. мир».

Он также считал, что электрический ток высокого потенциала, проходящий через верхние слои атмосферы, может заставить ее светиться, обеспечивая ночное освещение трансокеанских морских путей.

Он подробно остановился на World Wireless в своей Electrical Experimenter статье 1919 года под названием « Настоящая беспроводная связь », подробно описав ее возможности для телекоммуникаций на большие расстояния и выдвинув свое мнение о том, что преобладающая теория распространения радиоволн неточна.

«Теорию беспроводной передачи волн Герца можно поддерживать какое-то время, но я без колебаний заявляю, что в скором времени она будет признана одним из самых замечательных и необъяснимых отклонений научного ума, когда-либо зарегистрированных. в истории».

Технико-экономическое обоснование

Демонстрация Теслы беспроводной передачи энергии в Колорадо-Спрингс состояла из освещения электрическими лампами накаливания, расположенными рядом со структурой, в которой находился его большой экспериментальный увеличительный передатчик. с дальностью действия до 1938 футов (591 м) от передатчика. Прямых доказательств того, что он передал власть, помимо этих фотографически задокументированных демонстраций, мало. Впоследствии он утверждал, что «провел практические эксперименты по беспроводной передаче». Он считал, что достиг земного электрического резонанса, который, согласно его теории, будет вызывать электрические эффекты на любом земном расстоянии.  

На протяжении многих лет высказывались различные утверждения относительно достижений Теслы в области его беспроводной системы. В его собственных записях из Колорадо-Спрингс неясно, добился ли он когда-либо успеха в передаче на большие расстояния. В заявлении 1916 года адвокату Друри В. Куперу Тесла заявил, что в 1899 году он собрал количественные данные о передаче и приеме на расстоянии около 10 миль (16 км). заявил Биограф Теслы Джон Дж. О'Нил в своей книге 1944 года «Блудный гений: жизнь Николы Теслы» , что в 1899 году в Колорадо-Спрингс Тесла зажег 200 ламп накаливания на расстоянии 26 миль (42 км).

Ученые и инженеры, работающие в этой области, отмечают, что идеи Теслы о передаче больших объемов энергии на большие расстояния никогда бы не сработали, поскольку он в целом неправильно понимал физику, переоценивал проводимость Земли и атмосферы и значительно недооценивал потери мощности. на расстоянии.

Связанные патенты

Основная статья: Список патентов Николы Теслы

• СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ, 25 апреля 1891 г., патент США № 454622 от 23 июня 1891 г.
• СРЕДСТВА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, 2 августа 1893 г., патент США № 514,168 , 6 февраля 1894 г.
• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР, 20 марта 1897 г., патент США № 593 138 , 2 ноября 1897 г.
• СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЗМОМ ДВИЖУЩЕГОСЯ СУДНА ИЛИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, 1 июля 1898 г., патент США № 613809 от 8 ноября 1898 г.
• СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, 2 сентября 1897 г., патент США № 645 576 , 20 марта 1900 г.
• АППАРАТ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, 2 сентября 1897 г., патент США № 649621 , 15 мая 1900 г.
• МЕТОД УСИЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭФФЕКТОВ, ПЕРЕДАВАЕМЫХ ЧЕРЕЗ ПРИРОДНЫЕ СРЕДЫ, 24 июня 1899 г., патент США № 685953 , 5 ноября 1901 г.
• МЕТОД ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭФФЕКТОВ, ПЕРЕДАВАЕМЫХ ЧЕРЕЗ ПРИРОДНЫЕ СРЕДЫ, 1 августа 1899 г., патент США № 685954 , 5 ноября 1901 г.
• АППАРАТ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭФФЕКТОВ, ПЕРЕДАВАЕМЫХ С РАССТОЯНИЯ НА ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ЧЕРЕЗ ПРИРОДНЫЕ СРЕДИ, 24 июня 1899 г., патент США 685955 , 5 ноября 1901 г.
• АППАРАТ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭФФЕКТОВ, ПЕРЕДАВАЕМЫХ ЧЕРЕЗ ПРИРОДНЫЕ СРЕДЫ, 21 марта 1900 г., патент США № 685 956 , 5 ноября 1901 г.
• МЕТОД СИГНАЛИЗАЦИИ, 16 июля 1900 г., патент США № 723188 , 17 марта 1903 г.
• СИСТЕМА СИГНАЛИЗАЦИИ, 16 июля 1900 г., патент США № 725 605 , 14 апреля 1903 г.
• ИСКУССТВО ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЧЕРЕЗ ПРИРОДНЫЕ СРЕДЫ, 16 мая 1900 г., патент США № 787 412 от 18 апреля 1905 г.
• ИСКУССТВО ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЧЕРЕЗ ПРИРОДНЫЕ СРЕДЫ, 17 апреля 1906 г., патент Канады № 142 352, 13 августа 1912 г.
• УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, 18 января 1902 г., патент США № 1119732 , 1 декабря 1914 г.

См. также

• Беспроводная передача энергии
• Поверхностный плазмон
• Режим поверхностных волн
• Среда передачи
• Распределенная генерация
• Распределение электроэнергии
• Передача электроэнергии

Аппарат

• Электрический генератор
• Изохронный электромеханический генератор
• Катушка Теслы
• Увеличительный передатчик

Дальнейшее чтение

• Настоящая беспроводная связь Николы Теслы: упущенная парадигма, IEEE
• «Безграничное пространство: шина» , «Электрический мир», том 32, № 19, 5 ноября 1898 года.
• Тесла, Никола, «Проблема увеличения человеческой энергии с особым упором на использование солнечной энергии», журнал Century , июнь 1900 г.
• Тесла, Никола, «Передача электрической энергии без проводов» , «Мир электротехники и инженер» , 7 января 1905 г.
• Мэсси, Уолтер Вентворт, «популярно объяснил беспроводную телеграфию и телефонию» . Нью-Йорк, Ван Ностранд. 1908 ( «Со специальной статьей Никоа Теслы» )
• Тесла, Никола, « Настоящая беспроводная связь », электрический экспериментатор , 1919 г.
• Тесла, Никола, «Мировая система беспроводной передачи энергии» , Телеграф и эпоха телеграфа , 16 октября 1927 г.
• Электрический космический корабль - журнал интерактивных исследований Леланда Андерсона, «Редкие заметки Теслы о Уорденклифе» в выпуске 26, 14 сентября 1998 г. Содержит рисунки и избранные машинописные записи заметок Теслы 1901 года, хранящиеся в Музее Николы Теслы в Белграде.

Внешние ссылки

• PBS Tesla Master of Lightning Tower of Dreams, глобальные беспроводные телекоммуникации
• Башня Уорденклиф в структурах