نظام نيكولا تيسلا اللاسلكي العالمي
في يونيو 1899 ، عالم من أصل صربي ، نيكولا تيسلا، بدأ العمل التجريبي في مختبره في كولورادو سبرينغز (الولايات المتحدة الأمريكية). كان هدف تسلا في ذلك الوقت دراسة عملية لإمكانية نقل الطاقة الكهربائية عبر البيئة الطبيعية.
أقيم مختبر Tesla على هضبة ضخمة ، على ارتفاع ألفي متر فوق مستوى سطح البحر ، وتشتهر المنطقة التي تمتد لمئات الكيلومترات حولها بالعواصف الرعدية المتكررة مع البرق شديد السطوع.
قال تسلا إنه بمساعدة جهاز مضبوط بدقة تمكن من اكتشاف ضربات البرق التي تحدث على مسافة سبع أو ثمانمائة كيلومتر من مختبره. في بعض الأحيان كان ينتظر ما يقرب من ساعة لصوت الرعد من تفريغ البرق التالي ، بينما يحدد جهازه بدقة المسافة إلى مكان حدوث التفريغ ، وكذلك الوقت الذي سيصل الصوت بعده إلى مختبره.
ورغبًا في دراسة الاهتزازات الكهربائية في الكرة الأرضية ، قام العالم بتركيب محول الاستقبال بحيث يتم تأريض ملفه الأساسي بأحد أطرافه ، بينما كان الطرف الثاني متصلًا بطرف هوائي موصل ، يمكن تعديل ارتفاعه.
اللف الثانوي للمحول متصل بجهاز حساس للتنظيم الذاتي. تسببت التذبذبات في الملف الأولي في ظهور نبضات التيار في الملف الثانوي ، والذي بدوره يشغل المسجل.
في أحد الأيام ، لاحظ تسلا ضربات البرق من عاصفة رعدية مستعرة داخل دائرة نصف قطرها أقل من 50 كيلومترًا من مختبره ، ثم بمساعدة جهازه تمكن من تسجيل حوالي 12000 تفريغ برق في ساعتين فقط!
أثناء الملاحظات ، تفاجأ العالم في البداية بأن الصواعق البعيدة عن مختبره غالبًا ما يكون لها تأثير أقوى على جهاز التسجيل الخاص به من تلك التي تضرب أقرب. أثبت تسلا بشكل لا لبس فيه أن الاختلاف في قوة التصريفات لم يكن سبب الاختلافات. لكن ماذا بعد ذلك؟
في الثالث من يوليو ، قام تسلا باكتشافه. لاحظ العالم ، وهو يلاحظ عاصفة رعدية في ذلك اليوم ، أن غيوم العاصفة التي تندفع بسرعة عالية من مختبره تولد ضربات برق منتظمة تقريبًا (تتكرر على فترات منتظمة تقريبًا). بدأ يراقب جهاز التسجيل الخاص به.
عندما ابتعدت العاصفة الرعدية عن المختبر ، ضعفت النبضات الحالية في المحول المستقبِل في البداية ، لكنها زادت مرة أخرى ، وجاءت الذروة ، ثم مرت واستبدلت بانخفاض في الشدة ، ولكن بعد ذلك عادت الذروة مرة أخرى ، ثم انخفضت مرة أخرى .
لاحظ هذا النمط المميز حتى عندما كانت العاصفة الرعدية قد تحركت بالفعل على بعد حوالي 300 كيلومتر من مختبره ، ظلت شدة الاضطرابات الناتجة كبيرة جدًا.
لم يكن لدى العالم شك في أن هذه كانت موجات تنتشر من الأماكن التي ضربها البرق على الأرض ، كما لو كانت على طول سلك عادي ، وقد لاحظ قممها وقيعانها في اللحظات ذاتها التي ضربها فيها مكان الملف المستقبل.
ثم شرع تسلا في بناء جهاز يولد موجات مماثلة. يجب أن تكون دائرة ذات محاثة عالية جدًا ومقاومة قليلة قدر الإمكان.
يمكن لمرسل من هذا النوع أن ينقل الطاقة (والمعلومات) ، ولكن بشكل أساسي ليس بالطريقة نفسها المطبقة في أجهزة Hertz ، أي ليس من خلال الاشعاع الكهرومغناطيسي… من المفترض أن تكون هذه موجات واقفة تنتشر على طول الأرض كموصل ومن خلال جو موصل كهربائيًا.
كما تصورها العالم ، يجب تقليل التردد في نظام نقل الطاقة الخاص به إلى الحد الذي يقلل من انبعاث (!) الطاقة في الشكل موجات كهرومغناطيسية.
بعد ذلك ، إذا تم استيفاء شروط الرنين ، ستكون الدائرة قادرة على تجميع الطاقة الكهربائية للعديد من النبضات الأولية مثل البندول. وسيكون التأثير على محطات الاستقبال المضبوطة على الرنين هو التذبذبات التوافقية ، والتي يمكن لشدتها من حيث المبدأ أن تتجاوز في الحجم ظاهرة الكهرباء الطبيعية التي لاحظها تسلا أثناء العواصف الرعدية في كولورادو.
مع مثل هذا الإرسال ، يفترض العالم أنه سيستخدم خصائص التوصيل للوسط الطبيعي ، على عكس طريقة هيرتز للإشعاع ، حيث يتم ببساطة تبديد قدر كبير من الطاقة ولا يصل سوى جزء صغير جدًا من الطاقة المرسلة إلى المستقبل.
إذا قمت بمزامنة مستقبل Tesla مع جهاز الإرسال الخاص به ، فيمكن الحصول على الطاقة بكفاءة تصل إلى 99.5٪ (نيكولا تيسلا ، مقالات ، ص 356) ، كما لو كان عن طريق نقل التيار عبر سلك ذو مقاومة منخفضة ، على الرغم من النقل العملي. يتم الحصول على الطاقة لاسلكيًا. تعمل الأرض كموصل وحيد في مثل هذا النظام. يعتقد تسلا أن التكنولوجيا تجعل من الممكن بناء نظام عالمي لنقل الطاقة الكهربائية لاسلكيًا.
هذا التشبيه الذي قدمه تسلا هو مقارنة نظامه بالنظام الهرتزى من حيث كفاءة نقل الطاقة (أو المعلومات).
تخيل أن كوكب الأرض عبارة عن كرة مطاطية مملوءة بالماء. جهاز الإرسال عبارة عن مضخة ترددية تعمل في نقطة ما على سطح الكرة - يتم سحب الماء من الكرة وإعادتها إليها بتردد معين ، ولكن يجب أن تكون الفترة طويلة بما يكفي لتمدد الكرة ككل وتنكمش عند هذا التردد.
بعد ذلك ، سيتم إبلاغ مستشعرات الضغط الموجودة على سطح الكرة (المستقبلات) بالحركات ، بغض النظر عن المسافة التي تبعدها عن المضخة ، وبنفس الشدة.إذا كان التردد أعلى قليلاً ، ولكن ليس مرتفعًا جدًا ، فسوف تنعكس التذبذبات من الجانب الآخر للكرة وتشكل عقدًا وعقدًا مضادة ، بينما إذا تم العمل في أحد أجهزة الاستقبال ، فسيتم استهلاك الطاقة ، ولكن سيثبت الإرسال أنه اقتصادي للغاية ...
في النظام الهرتزى ، إذا واصلنا المقارنة ، فإن المضخة تدور بتردد هائل ، والفتحة التي يتم من خلالها إدخال المياه وإعادتها صغيرة جدًا. يتم إنفاق جزء هائل من الطاقة على شكل موجات حرارية بالأشعة تحت الحمراء ، ويتم نقل جزء صغير من الطاقة إلى الكرة ، لذلك لا يمكن للمستقبلات القيام بعمل ضئيل للغاية.
في الممارسة العملية ، تقترح Tesla تحقيق ظروف الرنين في النظام اللاسلكي العالمي على النحو التالي. جهاز الإرسال والاستقبال عبارة عن ملفات متعددة الدورات مؤرضة رأسياً ذات موصلية سطحية عالية في المحطات المتصلة بأسلاكها العلوية.
يتم تشغيل جهاز الإرسال بواسطة ملف أساسي ، والذي يحتوي على عدد أقل بكثير من المنعطفات من الملف الثانوي ، وهو في اتصال حثي قوي بأسفل ملف ثانوي مؤرض متعدد الدورات.
يتم الحصول على التيار المتردد في الملف الأولي بمساعدة مكثف. يتم شحن المكثف بواسطة المصدر ويتم تفريغه من خلال الملف الأولي لجهاز الإرسال. إن تردد التذبذب لدائرة التذبذب الأولية المتكونة على هذا النحو يكون مساويًا لتردد التذبذبات الحرة للدائرة الثانوية ، وطول سلك اللف الثانوي من الأرض إلى الطرف يساوي ربع الدائرة الثانوية. ينتشر الطول الموجي للتذبذبات على طوله.
شريطة أن تقع جميع السعة الكهربائية الذاتية للدائرة الثانوية تقريبًا على الطرف ، عندئذٍ يتم الحصول على الطرف المقابل (دائمًا أقصى تأرجح) للجهد والعقدة (صفر دائمًا) للتيار ، وعند نقطة التأريض - العقدة العكسية للتيار وعقدة الجهد. يمتلك المستقبل تصميمًا مشابهًا لجهاز الإرسال ، مع الاختلاف الوحيد في أن ملفه الرئيسي متعدد الدورات ، والملف القصير في الأسفل هو ثانوي.
بتحسين دائرة الاستقبال ، توصلت تسلا إلى استنتاج مفاده أنه من أجل تشغيلها الأكثر كفاءة ، يجب تصحيح الجهد من اللف الثانوي. لهذا ، طور العالم مقومًا ميكانيكيًا ، والذي لا يسمح فقط بتصحيح الجهد ، ولكن أيضًا لنقل الطاقة إلى الحمل فقط في تلك اللحظات التي يكون فيها جهد اللف الثانوي لدائرة الاستقبال قريبًا من قيمة السعة.