Nikola Tesla's World Wireless-systeem

In juni 1899, een wetenschapper van Servische afkomst, Nikola Tesla, begint experimenteel werk in zijn laboratorium in Colorado Springs (VS). Het doel van Tesla destijds was een praktisch onderzoek naar de mogelijkheid om elektrische energie door de natuurlijke omgeving te transporteren.

Het laboratorium van Tesla is gebouwd op een enorm plateau, dat zich op een hoogte van tweeduizend meter boven zeeniveau bevindt, en het gebied honderden kilometers eromheen staat bekend om vrij frequente onweersbuien met zeer felle bliksem.

Tesla zei dat hij met behulp van een fijn afgesteld apparaat blikseminslagen kon detecteren die plaatsvonden op een afstand van zeven- of achthonderd kilometer van zijn laboratorium. Soms wachtte hij bijna een uur op het geluid van de donder van de volgende bliksemontlading, terwijl zijn apparaat nauwkeurig de afstand bepaalde tot waar de ontlading had plaatsgevonden, evenals de tijd waarna het geluid zijn laboratorium zou bereiken.

Omdat hij elektrische trillingen in de wereld wilde bestuderen, installeerde de wetenschapper de ontvangende transformator zo dat de primaire wikkeling geaard was met een van de aansluitingen, terwijl de tweede aansluiting was aangesloten op een geleidende luchtaansluiting, waarvan de hoogte kon worden aangepast.

De secundaire wikkeling van de transformator is verbonden met een gevoelig zelfregelend apparaat. Trillingen in de primaire wikkeling veroorzaakten stroompulsen in de secundaire wikkeling, die op zijn beurt de recorder in werking stelde.

Op een dag observeerde Tesla blikseminslagen van een onweersbui die binnen een straal van minder dan 50 kilometer van zijn laboratorium woedde, en vervolgens slaagde hij er met behulp van zijn apparaat in om in slechts twee uur tijd ongeveer 12.000 bliksemontladingen te registreren!

Tijdens de observaties was de wetenschapper aanvankelijk verrast dat blikseminslagen verder weg van zijn laboratorium vaak een sterkere impact hadden op zijn opnameapparaat dan blikseminslagen die dichterbij kwamen. Tesla stelde ondubbelzinnig vast dat het verschil in sterkte van de ontladingen niet de oorzaak was van de verschillen. Maar wat dan?

Op 3 juli deed Tesla zijn ontdekking. Toen hij die dag een onweersbui observeerde, merkte de wetenschapper op dat de onweerswolken die met hoge snelheid uit zijn laboratorium kwamen bijna regelmatige (met bijna regelmatige tussenpozen terugkerende) blikseminslagen veroorzaakten. Hij begon naar zijn bandrecorder te kijken.

Toen de onweersbui het laboratorium verliet, verzwakten de stroompulsen in de ontvangende transformator aanvankelijk, maar namen daarna weer toe, er kwam een ​​piek, ging voorbij en werd vervangen door een afname in intensiteit, maar toen kwam er weer een piek, en toen weer een afname .

Hij observeerde dit duidelijke patroon, zelfs toen het onweer al ongeveer 300 kilometer van zijn laboratorium was verwijderd, de intensiteit van de resulterende verstoringen bleef behoorlijk significant.

De wetenschapper twijfelde er niet aan dat dit golven waren die zich verspreidden vanaf de plaatsen waar de bliksem insloeg, als langs een gewone draad, en hij observeerde hun toppen en dalen precies op het moment dat de plaats van de ontvangende spoel hen trof.

Tesla begon toen met het bouwen van een apparaat dat vergelijkbare golven zou genereren. Het moest een schakeling worden met een zeer hoge inductiviteit en zo min mogelijk weerstand.

Een dergelijke zender kan energie (en informatie) verzenden, maar in wezen niet op dezelfde manier als geïmplementeerd in Hertz-apparaten, dat wil zeggen niet via electromagnetische straling… Dit zouden staande golven zijn die zich voortplanten langs de aarde als een geleider en door een elektrisch geleidende atmosfeer.

Zoals bedacht door de wetenschapper, moet de frequentie in zijn energieoverdrachtssysteem zodanig worden verlaagd dat de emissie (!) van energie in de vorm van elektromagnetische golven.

Als dan aan de voorwaarden voor resonantie is voldaan, kan het circuit de elektrische energie van vele primaire pulsen als een slinger accumuleren. En het effect op ontvangststations die op resonantie zijn afgestemd, zou harmonische oscillaties zijn, waarvan de intensiteit in principe de verschijnselen van natuurlijke elektriciteit die Tesla tijdens onweersbuien in Colorado waarnam, zou kunnen overtreffen.

Bij zo'n transmissie gaat de wetenschapper ervan uit dat hij de geleidingseigenschappen van het natuurlijke medium zal gebruiken, in tegenstelling tot de methode van Hertz met straling, waarbij veel energie simpelweg wordt gedissipeerd en slechts een heel klein deel van de uitgezonden energie de ontvanger bereikt.

Als je Tesla's ontvanger synchroniseert met zijn zender, dan kan energie worden verkregen met een efficiëntie tot 99,5% (Nikola Tesla, artikelen, p. 356), alsof door stroom over te dragen via een draad met lage weerstand, hoewel in de praktijk de overdracht stroom wordt draadloos verkregen. De aarde fungeert als de enige geleider in zo'n systeem. De technologie maakt het volgens Tesla mogelijk om een ​​wereldwijd systeem te bouwen voor draadloze transmissie van elektrische energie.

De analogie die Tesla gaf door zijn systeem te contrasteren met het Hertz-systeem in termen van de efficiëntie van energie- (of informatie-) transmissie is deze.

Stel je voor dat planeet Aarde een rubberen bal is gevuld met water. De zender is een heen en weer bewegende pomp die op een bepaald punt op het oppervlak van de bal werkt — er wordt water uit de bal gezogen en er met een bepaalde frequentie naar teruggevoerd, maar de periode moet lang genoeg zijn om de bal als geheel te laten uitzetten en samentrekken op die frequentie.

Vervolgens worden de druksensoren op het oppervlak van de bal (ontvangers) geïnformeerd over bewegingen, ongeacht hoe ver ze zich van de pomp bevinden, en met dezelfde intensiteit.Als de frequentie iets hoger is, maar niet erg hoog, dan zullen de oscillaties reflecteren vanaf de andere kant van de bal en knopen en buiken vormen, terwijl als er werk wordt gedaan in een van de ontvangers, de energie zal worden verbruikt, maar de transmissie zal zeer zuinig blijken te zijn...

Als we de analogie voortzetten, draait de pomp in het Hertz-systeem met een enorme frequentie en is de opening waardoor het water wordt in- en afgevoerd erg klein. Een kolossaal deel van de energie wordt uitgegeven in de vorm van infrarode hittegolven en een klein deel van de energie wordt overgebracht naar de bal, zodat de ontvangers heel weinig werk kunnen doen.

In de praktijk stelt Tesla voor om als volgt resonantiecondities in het draadloze wereldsysteem te bereiken. De zender en ontvanger zijn verticaal geaarde spoelen met meerdere windingen met een hoge oppervlaktegeleiding bij de klemmen die aan hun bovenste draden zijn bevestigd.

De zender wordt gevoed door een primaire wikkeling, die aanzienlijk minder windingen bevat dan de secundaire, en staat in sterke inductieve verbinding met de onderkant van een geaarde secundaire spoel met meerdere windingen.

De wisselstroom in de primaire wikkeling wordt verkregen met behulp van een condensator. De condensator wordt opgeladen door de bron en ontladen via de primaire wikkeling van de zender. De oscillatiefrequentie van het aldus gevormde primaire oscillerende circuit wordt gelijk gemaakt aan de frequentie van vrije oscillaties van het secundaire circuit, en de lengte van de draad van de secundaire wikkeling van de aarde naar de terminal wordt gelijk gemaakt aan een vierde van de golflengte van de oscillaties die erlangs worden voortgeplant.

Op voorwaarde dat bijna alle zelf-elektrische capaciteit van het secundaire circuit op de terminal valt, dan is het op de terminal dat de antinode (altijd de maximale zwaai) van de spanning en het knooppunt (altijd nul) van de stroom worden verkregen, en op het aardingspunt - de antinode van de stroom en het knooppunt van de spanning.De ontvanger heeft een soortgelijk ontwerp als de zender, met het enige verschil dat de hoofdspoel multi-turn is en de korte aan de onderkant een ondergeschikt.

Door het ontvangercircuit te optimaliseren, kwam Tesla tot de conclusie dat voor de meest efficiënte werking de spanning van de secundaire wikkeling moet worden gecorrigeerd. Hiervoor ontwikkelde de wetenschapper een mechanische gelijkrichter, waarmee niet alleen de spanning kan worden gecorrigeerd, maar ook energie kan worden overgedragen naar de belasting alleen op die momenten dat de spanning van de secundaire wikkeling van het ontvangende circuit dicht bij de amplitudewaarde ligt.