Nikola Tesla - samotny pionier badań pól ELF

Transkrypt

1 Andrzej Kułak Nikola Tesla - samotny pionier badań pól ELF (w niewielkim stopniu zmieniona wersja wykładu wygłoszonego w Warszawie 21 listopada 2007 na konferencji Stowarzyszenia Elektryków Polskich)

2 Tło historyczne odkryć pól ELF - powstawanie energetyki AC N. Tesla - koncepcja wirującego pola magnetycznego transformator rezonansowy Tesli pierwszy silnik indukcyjny AC początek współpracy z G. Westinghase początek wojny prądów DC z AC koncepcja transmisji energii AC na duŝe odległości T. Edison - krzesło elektryczne AC N. Tesla - pokaz prądu trójfazowego w Chicago otwarcie elektrowni Niagara - 25 Hz / 200 kw wyłączenie ostatniej instalacji DC na Manhattanie

3 Tło historyczne badań pól - powstanie radiotechniki J. C. Maxwell - koncepcja prądu przesunięcia J. C. Maxwell - teoria pola elektromagnetycznego D. E. Huges - przypadkowe odkrycie fal EM H. L. Helmholtz - konkurs na prąd przesunięcia H. R. Hertz - pierwszy eksperyment EM - 10 m O. Lodge - zastosowanie koherera - 80 m N. Tesla - pokaz łączności w Filadelfii A. Popow - odbiornik trzasków burzowych - G. Marconi - łączność radiowa m A. Popow - publiczny pokaz 250 m - Petersburg - G. Marconi - publiczny pokaz 1000 m - Londyn

4 Eksperymenty H. Hertza cewka Ruhmkorffa Hertz opracował układ będący podstawą dalszych eksperymentów cewka Ruhmkorffa (1850)

5 Eksperyment Hertza f 50 MHz, l = 10 m

6 Eksperyment Hertza laboratorium Uniwersytetu w Karlsruhe

7 H. Hertz - strefy pola EM wokół anteny dipol elektryczny dipol magnetyczny r + + r r r E λ λ λ r r H λ λ 2 strefa bliska pośrednia daleka (falowa, radiowa) 3 r λ + r r λ λ 2 r λ 0 π λ 2 / λ

8 H. Hertz - anteny rezonansowe dipol elektryczny dipol półfalowy l l = λ 2 dipol magnetyczny rezonansowa antena pętlowa a l = 4 a = λ d l = π d = λ

9 H. Hertz - skracanie anten rezonansowe anteny równowaŝne C l = λ 2 l < λ 2 C

10 M. Abraham, A. E. Blondel - teoria uziemienia N. Tesla G. Marconi odkrycie uziemienia l = λ 2 l = λ 4 σ = rezonansowe anteny równowaŝne

11 O. Lodge - cewka skracająca l = λ 4 l < λ 4 l < λ 4 l C L L Abraham Abraham + Lodge Abraham + Lodge + Hertz

12 Własności anten krótkich E H 1000 E H 10 6 r λ r λ antena zimna duŝa sprawność energetyczna duŝa efektywność w strefie falowej antena gorąca mała sprawność energetyczna mała efektywność w strefie falowej

13 Eksperymenty N. Tesli - transformator rezonansowy stopień transformacji napięć 2 stopień transformacji napięć (rezonansowy) WN AC C 2 n = L 2 >> 1 L 1 f f 1 2 obwód pierwotny obwód wtórny 2π 1 L 1C 1 2 π 1 L 2 C 2 cewka Ruhmkorffa zostaje zastąpiona transformatorem AC zostaje dodany wtórny obwód rezonansowy

14 Nadajnik radiowy N. Tesli C A AC S f1 f 2 zalety: niskie częstotliwości nadawania (100 khz - 1MHz) krótka antena rezonansowa o duŝej impedancji w strefie bliskiej E >> H, silne pola w odległościach r < λ wady: mała sprawność energetyczna układ wytwarza pola a nie fale, słabe wyniki w strefie dalekiej

15 Odbiornik radiowy N. Tesli C A polaryzacja wstępna C duze AC + C1 f1 f 2 zalety: antena czuła na składową E łatwy odbiór w odległościach r < λ duŝa selektywność łatwy odbiór telegrafii wady: mała czułość detektora

16 Publiczne pokazy radiowe Tesli Franklin Institute - Filadelfia Houston Street Laboratory US patent

17 Inne patenty radiowe N. Tesli US patent prądnica 400 polowa - 15 khz zalety:

18 Rozwój prądnic w. cz Aleksanderson kw N. Tesla - 30 khz

19 Inne rozwiązania nadawcze epoki - łuk z ujemną opornością róŝniczkową W. Dundel - ujemna oporność łuku V. Poulsen - nadajnik uŝytkowy MW

20 Wczesne układ nadawcze - nadajniki Poulsena cewka antenowa nadajnika LF wielkiej mocy

21 WaŜniejsze artykuły N. Tesli na tematy radiowe Phenomena of Alternating Currents of Very High Frequency, Electrical World, Feb. 21, 1891 Experiments with Alternate Currents of Very High Frequency and Their Application to Methods of Artificial Illumination, AIEE, Columbia College, N.Y., May 20, 1891 Experiments with Alternate Currents of High Potential and High Frequency, IEE Address, London, February 1892 On the Dissipation of the Electrical Energy of the Hertz Resonator, Electrical Engineer, Dec. 21, 1892 World System of Wireless Transmission of Energy, Telegraph and Telegraph Age, October 16, 1927

22 Eksperymenty radiowe Tesli - wnioski rozwiązania Tesli: umiejętne wykorzystanie zjawisk rezonansowych gorące anteny - rozwiązania działające poprawnie w strefie bliskiej moŝliwość generacji i odbioru fal długich i bardzo długich docenienie roli uziemienia brak koncepcji budowy czułych detektorów zamiast techniki słabych prądów - podejście energetyczne alternatywne rozwiązania: O. Lodge - zastosowanie koherera MHz / 80 m G. Marconi - udoskonalenie koherera - 50 MHz / 1800 m G. Marconi - udoskonalenie anten - 25 kw / 800 khz / km G. Marconi - wynalazek wzmacniacza magnetomechanicznego

23 Idea przesyłania energii na odległość - geneza koncepcji pomysł jednoczy dwie pasje techniczne Tesli energia tylko w postaci AC rezonansowe gorące anteny radiowe radiowy system przesyłania energii na odległość AC ELF

24 Przesyłanie energii na odległość - istota pomysłu C A AC f1 f2 f Ziemi trzeci rezonans - rezonans Ziemi f 1 f 2 f Ziemi

25 Przesyłanie energii na odległość - rezonans Ziemi jaka jest częstotliwość rezonansowa Ziemi? Tesla: f Ziemi 6 [Hz] (1) Ziemia jako kula przewodząca 1 f = 2π LC 6.6 [Hz] (2) czas obiegu pola wokół Ziemi (jonosfera O. Heviside ) c c f = = 7.5 [Hz] λ 2π a (3) rezonator Ziemia - jonosfera (W.O. Schumann ) f c = n( n 2π a + 1) 10.6 [Hz] (4) zmierzona częstotliwość 1 rezonansu Schumanna (Balser, Wagner ) f 7.8 [Hz]

26 Przesyłanie energii na odległość - patenty US patent bez rezonansu Ziemi (wpłynął 1897) US patent z rezonansem Ziemi (wpłynął 1905) Canada patent (wpłynął 1905) wersja USA wersja Kanada

27 Etap I - laboratorium ELF w Colorado Springs wieŝa nadawcza

28 Pokaz przekazu energii ELF w Colorado Springs współczynnik skrócenia anteny: 625 Φ 0.5 [m] h 40 [m] f λ [Hz] [km] r 42 [km] strefa bliska

29 Etap II - laboratorium ELF na Long Island

30 ZałoŜenia konstrukcyjne instalacji ELF na Long Island współczynnik skrócenia anteny: Φ 7.5 [m] h 60 [m] f λ 6 [Hz] [km] wieŝa nadawcza zasięg globalny wieŝa odbiorcza

31 Laboratorium na Long Island opis wieŝy w patencie z 1914 r.

32 Laboratorium na Long Island wieŝa transmisji globalnej ELF

33 Laboratorium ELF na Long Island rezonansowa cewka antenowa ELF o średnicy 17 metrów

34 Laboratorium ELF na Long Island generator pola 6 Hz

35 Laboratorium ELF na Long Island ogólny widok laboratorium 1

36 Laboratorium ELF na Long Island ogólny widok laboratorium 2

37 Laboratorium ELF na Long Island wyniki badań ( ): brak wyników nie uzyskano zadowalającego transferu energii na duŝe odległości zauwaŝono moŝliwość prowadzenia łączności w zakresie ELF moŝliwości tej nie wykorzystano

38 Dlaczego system ELF nie działał? - dzisiejszy punkt widzenia przyczyny techniczne: antena nadawcza nie była dopasowana do falowodu Ziemia - jonosfera sprawność zastosowanych krótkich anten rezonansowych była zbyt mała przyczyny teoretyczne: straty wnęki rezonansowej Ziemia - jonosfera (Q 5) są zbyt duŝe rozproszenie energii na planecie byłoby zbyt duŝe, by system miał sens

39 Co wiemy dzisiaj o propagacji pola ELF w falowodzie Ziemia - jonosfera? warstwy D i E h E z r H y źródło fala dolne odbijające pole ELF warstwy jonosfery: propagacja fal jest jednomodowa w zakresie: 65[km] [Hz] (linia paskowa) prędkość rozchodzenia się fal: 0.75 prędkości światła tłumienie fal: na częstotliwości 8 Hz spadek energii do 1/4 na [km]

40 Co wiemy o rezonansie pola ELF we wnęce Ziemia - jonosfera? h fale obiegają Ziemię wiele razy powstają fale stojące np n = 5 a obwód Ziemi = 2π a kolejne częstotliwości rezonansowe: 8,14, 20, 26, 32, 38, 42...[Hz] f = prędkość obwód n ( n + 1)

41 Co wiemy o funkcjonowaniu rezonansu we wnęce Ziemia - jonosfera? wyładowania elektryczne w centrach burzowych: ~ 70 [1/s] energia fal ELF w rezonatorze: Z 1000 [J] czas zaniku energii: O 1 [s] moc odbierana przez anteny ELF: [W]

42 Tak wygląda rezonans Ziemi w zakresie ELF 1 1 B x - NS /3 Hz 50 Hz Amp Freq [Hz]

43 Optymalna antena nadawcza ELF dzisiaj antena ziemna - horyzontalny dipol magnetyczny (HDM) długość anteny l nadajnik I = I 0 cos ωt uziemienie 1 uziemienie 2 poziom gruntu głębokośćć anteny w P =1[MW] m = I 0 l w moment magnetyczny anteny I 0 = 300[A] w = δ / 2 w 2.6[km] δ głębokość wnikania pola ELF do gruntu l 22.5[km] R rezystancja pętli i uziemień R 10[ Ω]

44 Jaka jest sprawność współczesnych systemów antenowych? moc nadawana moc odbierana h Pt =1 [MW] Pr m r = [km] π µ 0 m B( r) 2 h λ λ asin( r / a) e αr 76 [Hz] m [A m 2 ] B( r) = [pt] P r = [W] 8 [Hz] m [A m 2 ] B( r) = 840 [pt] P r = 5.8 [W] sprawność całkowita łącza na 8 Hz: η

45 Dzisiejsze moŝliwości transmisji energii ELF na odległość (8 Hz) moc nadawana moc odbierana h P t =1 [MW] m r = [km] P r = 5.8 [W] sprawność anteny nadawczej sprawność falowodu sprawność anteny odbiorczej η t η k 0.25 η r Pr P t bilans energii η η η = t k r 6

46 Przyczyny poraŝki programu ELF Tesli - wnioski N. Tesla nie zdawał sobie sprawy z istnienia stref wokół dipola bliskie pole coulombowskie interpretował jako zaletę swoich anten nie brał pod uwagę wpływu sprawności anten krótkich na transmisję energii nie próbował rozwaŝać dopasowania swoich anten do falowodu Ziemia - jonosfera nie wykorzystał fal ELF do łączności

47 Wkład N. Tesli w badania radiowe - podsumowanie N. Tesla skupiał się na technikach przesyłania energii prądu zmiennego rozwinął do perfekcji techniki rezonansowe wielkiej częstotliwości preferował w eksperymentach anteny wysokonapięciowe nie rozwijał technik detekcji słabych prądów koncepcja bezprzewodowego przesyłania energii była kwintesencją jego prac zastosowanie uziemień było jego oryginalnym wkładem zastosowanie krótkich rezonansowych anten ELF było jego oryginalnym wkładem myśl wykorzystania rezonansu Ziemi była jego oryginalnym wkładem przeczucie małego tłumienia fal ELF było jego oryginalnym wkładem kto był odkrywcą radia? odkrycia - pierwszeństwo - naśladownictwo - zapoŝyczenie

48 Michał Ostrowski Adam Michalec dziękujemy za uwagę Andrzej Kułak Stanisław Zięba Jerzy Kubisz Piotr Koperski Anna Odzimek Janusz Młynarczyk Zenon Nieckarz