Токи высокой частоты. Резонансный трансформатор. Безопасен ли электрический ток? Лекция Теслы о токах высокой частоты.

По утверждению Теслы, год, проведенный им в Питсбурге, был потерян для исследовательских работ в области многофазных токов. Возможно, что это утверждение близко к истине, но возможно и то, что именно этот год стал началом дальнейших творческих успехов изобретателя. Дискуссия с инженерами завода Вестингауза не прошла бесследно. Обоснование предложенной им частоты переменного тока в 60 периодов требовало более тщательного анализа экономической эффективности применения как меньших, так и более высоких частот. Научная добросовестность Теслы не позволяла ему оставить этот вопрос без тщательной проверки.

Возвратившись в 1889 году из Европы, он принялся за конструирование генератора переменного тока большой частоты и вскоре создал машину, статор которой состоял из 348 магнитных полюсов. Этот генератор давал возможность получать переменный ток с частотой в 10 тысяч периодов в секунду (10 кГц). Вскоре ему удалось создать и еще более высокочастотный генератор и начать изучение различных явлений при частоте 20 тысяч периодов в секунду.

Исследования показали, что по мере увеличения частоты переменного тока можно значительно уменьшить объем железа в электромагнитных электродвигателях, а начиная с определенной частоты, можно создавать электромагниты, состоящие из одних только обмоток, вообще без железа в катушках. Двигатели, созданные из таких электромагнитов без железа, были бы чрезвычайно легкими, но во многих других отношениях неэкономичны, и уменьшение затрат металла не окупалось бы из-за значительного увеличения потребления электроэнергии.

Исследуя широкий диапазон частот переменного тока первоначально в пределах, которые могли бы быть применены в многофазной системе (25-200 периодов в секунду), Тесла вскоре перешел к изучению свойств и возможностей практического использования токов повышенных (10-20 тысяч периодов в секунду) и высоких (20-100 тысяч периодов в секунду) частот. Для получения значительно большего числа периодов и значительно более высоких напряжений, чем это могло быть достигнуто созданными им генераторами токов высокой частоты, необходимо было найти и опереться на иные принципы. Хорошо знакомый с мировой литературой по электрофизике и электротехнике, Тесла изучил работу знаменитого американского физика Джозефа Генри, высказавшего еще в 1842 году предположение, что при некоторых электрических разрядах (в том числе и разряде лейденской банки) имеются не только "главные разряды", но и встречные, причем каждый последующий несколько слабее предыдущего. Так было впервые замечено существование затухающего двухстороннего электрического разряда.

Тесла знал и о том, что спустя одиннадцать лет после Генри английский физик лорд Кельвин экспериментально доказал, что электрический разряд конденсатора есть процесс двухсторонний, продолжающийся до тех пор, пока энергия его не будет израсходована на преодоление сопротивления среды. Частота этого двухстороннего процесса достигает 100 миллионов колебаний в секунду. Искра между шариками разрядника, кажущаяся однородной, в действительности состоит из нескольких миллионов искр, проходящих в короткий промежуток времени в обе стороны.

Кельвин дал математическое выражение процесса двухстороннего разряда конденсатора. Позднее Феддерсон, Шиллер, Кирхгоф, Гельмгольц и другие исследователи не только проверили правильность этого математического выражения, но и значительно дополнили теорию электрического разряда. Знаком был Тесла и с работами Антона Обербанка, наблюдавшего явление электрического резонанса, то есть процесс резкого возрастания амплитуды (размаха) колебаний при приближении частоты внешнего колебания к частоте собственные внутренних колебаний системы.

Хорошо известны были ему и опыты Герца и Лоджа, занимавшихся изучением электромагнитных волн. Особенно большое впечатление на Теслу произвели эксперименты Генриха Герца, подтвердившие теоретические предположения Джемса К. Максвелла о волновой природе электромагнитных явлений. Надо заметить, что в работах Герца Тесла впервые нашел указание на явление так называемых "стоячих электромагнитных волн", то есть волн, накладывающихся одна на другую так, что они в одних местах усиливают друг друга, создавая "пучности", а в других уменьшают до нуля, создавая "узлы".

Зная все это, Никола Тесла в 1891 году закончил конструирование прибора, сыгравшего исключительную роль в дальнейшем развитии самых различных отраслей электротехники и особенно радиотехники. Для создания токов высокой частоты и высокого напряжения он решил воспользоваться известным свойством резонанса, то есть явлением резкого возрастания амплитуды собственных колебаний какой-либо системы (механической или электрической) при наложении на них внешних колебаний с той же частотой. На основании этого известного явления Тесла создал свой резонансный трансформатор.

Действие резонансного трансформатора основано на настройке в резонанс его первичного и вторичного контуров. Первичный контур, содержащий как конденсатор, так и индукционную катушку, позволяет получить переменные токи весьма высокого напряжения с частотами в несколько миллионов периодов в секунду. Искра между шариками разрядника вызывает быстрые изменения магнитного поля вокруг первичной катушки вибратора. Эти изменения магнитного поля вызывают возникновение соответствующего высокого напряжения в обмотке вторичной катушки, состоящей из большого числа витков тонкой проволоки, причем частота переменного тока в ней соответственно количеству искровых разрядов достигает нескольких миллионов перемен в секунду.

Наибольшей величины частота достигает в момент, когда периоды первичной и вторичной цепи совпадают, то есть когда наблюдается явление резонанса в этих цепях.

Тесла разработал очень простые методы автоматической зарядки конденсатора от источника тока низкого напряжения и разрядки его через трансформатор с воздушным сердечником. Теоретические расчеты изобретателя показали, что даже при самых незначительных величинах емкости и индукции в созданном им резонансном трансформаторе при соответствующей настройке можно получить путем резонанса весьма высокие напряжения и частоты.

Открытые им в 1890 году принципы электрической настройки резонансного трансформатора и возможность изменять емкость для изменения длины волны электромагнитных колебаний, создаваемых трансформатором, стали одним из наиболее важных оснований радиотехники, а мысли Теслы об огромной роли конденсатора и вообще емкости и самоиндукции в развитии электротехники оправдались.

При создании резонансного трансформатора пришлось решить еще одну практическую задачу: найти изоляцию для катушек сверхвысокого напряжения. Тесла занялся вопросами теории пробоя изоляции и на основании этой теории нашел лучший способ изолировать витки катушек - погружать их в парафиновое, льняное или минеральное масло, называемое теперь трансформаторным. Позднее Тесла еще раз возвратился к разработке вопросов электрической изоляции и сделал весьма важные выводы из своей теории.

Едва начав опыты с токами высокой частоты, Никола Тесла ясно представил себе огромные перспективы, открывавшиеся перед человечеством при широком использовании токов высокой частоты. Направление работ Теслы свидетельствует о необычайно разносторонних выводах, которые он сделал из своего открытия.

Прежде всего, он пришел к убеждению, что электромагнитные волны играют исключительно важную роль в большинстве явлений природы. Взаимодействуя друг с другом, они либо усиливаются, либо ослабляются, либо вызывают новые явления, происхождение которых мы иногда приписываем совершенно другим причинам. Но не только электромагнитные излучения играют огромную роль в самых различных явлениях природы. Тесла интуицией большого ученого понял значение различных излучений еще до замечательных открытий радиоактивных элементов. Когда позднее, в 1896 году, Анри Беккерель, а затем Пьер и Мария Кюри открыли это явление, Тесла нашел в этом подтверждение своих предвидений, высказанных им еще в 1890 году.

Огромное значение переменных токов в развитии промышленности, получившей, наконец, необходимый ей электродвигатель, стало ясно Николе Тесле при первом же знакомстве с преимуществами трехфазного тока, требующего для его передачи всего лишь три провода. Для Теслы уже в то время было несомненно, что должен быть открыт способ передачи электроэнергии и вовсе без проводов, с помощью электромагнитных волн. Эта проблема привлекла внимание Теслы, стала предметом его занятий еще в конце 1889 года.

Однако практическое применение токов высокой частоты для самых разнообразных целей требовало изучения на первый взгляд самых различных, не связанных между собой вопросов. Эти-то эксперименты в широком масштабе и начал проводить в своей лаборатории Никола Тесла.

Начав систематические опыты с токами высокой частоты и высокого напряжения, Тесла должен был прежде всего разработать меры защиты от опасности поражения электрическим током. Эта частная, вспомогательная, но весьма важная задача привела его к открытиям, заложившим основу электротерапии - обширной области современной медицины.

Ход мыслей Николы Теслы был чрезвычайно оригинален. Известно, рассуждал он, что постоянный ток низкого напряжения (до 36 вольт) не оказывает вредных действий на человека. По мере повышения напряжения возможность поражения быстро возрастает.

С увеличением напряжения, поскольку сопротивление тела человека практически неизменно, сила тока так же увеличивается и достигает при 120 вольтах угрожающей величины. Более высокое напряжение становится опасным для здоровья и жизни людей.

Иное дело ток переменный. Для него предел опасного напряжения значительно выше, чем для постоянного, и этот предел отодвигается с повышением частоты. Известно, что электромагнитные волны очень высокой частоты не оказывают никакого болезненного действия на человека¹⁰. Пример тому свет, воспринимаемый при нормальной яркости здоровым глазом без всяких болезненных ощущений. В пределах каких же частот и напряжений переменный ток опасен? Где начинается зона безопасного тока?

Шаг за шагом исследовал Тесла действие переменного электрического тока на человека при разных частотах и напряжениях. Опыты он проводил на самом себе. Сначала через пальцы одной руки, затем через обе руки, наконец, через все тело пропускал он токи высокого напряжения и высокой частоты. Исследования показали, что действие электрического тока на человеческий организм складывается из двух составляющих: воздействия тока на ткани и клетки нагревом и непосредственного воздействия тока на нервные клетки.

Оказалось, что нагревание далеко не всегда вызывает разрушительные и болезненные последствия, а воздействие тока на нервные клетки прекращается при частоте свыше 700 периодов, аналогично тому, как слух человека не реагирует на колебания свыше 2 тысяч в секунду, а глаз - на колебания за пределами видимых цветов спектра.

Так была установлена безопасность токов высоких частот даже при высоких напряжениях. Более того, тепловые действия этих токов могли быть использованы в медицине, и это открытие Николы Теслы нашло широкое применение; диатермия, лечение УВЧ и другие методы электротерапии есть прямое следствие его исследований. Тесла сам разработал ряд электротермических аппаратов и приборов для медицины, получивших большое распространение как в США, так и в Европе. Его открытие было затем развито другими выдающимися электриками и врачами.

Однажды, занимаясь опытами с токами высокой частоты и доведя напряжение их до 2 миллионов вольт, Тесла случайно приблизил к аппаратуре медный диск, окрашенный черной краской. В то же мгновение густое черное облако окутало диск и тотчас поднялось вверх, а сам диск заблестел, словно чья-то невидимая рука соскоблила всю краску и отполировала его.

Удивленный Тесла повторил опыт, и снова краска исчезла, а диск сиял, поддразнивая ученого. Повторив десятки раз опыты с разными металлами, Тесла понял, что он открыл способ их очистки токами высокой частоты.

"Любопытно, - подумал он, - а не подействуют ли эти токи и на кожу человека, не удастся ли с их помощью снимать с нее различные, трудно поддающиеся удалению краски".

И этот опыт удался. Кожа руки, окрашенная краской, мгновенно стала чистой, как только Тесла внес ее в поле токов высокой частоты. Оказалось, что этими токами можно удалять с кожи лица мелкую сыпь, очищать поры, убивать микробы, всегда в изобилии покрывающие поверхность тела человека. Тесла считал, что его лампы оказывают особое благотворное действие не только на сетчатку глаза, но и на всю нервную систему человека. К тому же лампы Теслы вызывают озонирование воздуха, что также может быть использовано в лечении многих болезней. Продолжая заниматься электротерапией, Тесла в 1898 году сделал обстоятельное сообщение о своих работах в этой области на очередном конгрессе Американской электротерапевтической ассоциации в Буффало.

В лаборатории Тесла пропускал через свое тело токи напряжением в 1 миллион вольт при частоте 100 тысяч периодов в секунду (ток достигал при этом величины в 0,8 ампера). Но, оперируя с токами высокой частоты и высокого напряжения, Тесла был очень осторожен и требовал от своих помощников соблюдения всех им самим выработанных правил безопасности. Так, при работе с напряжением в 110- 50 тысяч вольт при частоте в 60-200 периодов он приучил их работать одной рукой, чтобы предотвратить возможность протекания тока через сердце. Многие другие правила, впервые установленные Теслой, прочно вошли в современную технику безопасности при работе с высоким напряжением.

Создав разнообразную аппаратуру для производства опытов, Тесла в своей лаборатории начал исследование огромного круга вопросов, относящихся к совершенно новой области науки, в которой его больше всего интересовали возможности практического использования токов высокой частоты и высокого напряжения. Работы его охватывали все многообразие явлений, начиная от вопросов генерирования (создания) токов высокой частоты и кончая детальным изучением различных возможностей их практического использования. С каждым новым открытием возникали все новые и новые проблемы.

Как одна из частных задач Теслу заинтересовала возможность использовать открытие Максвеллом и Герцем электромагнитной природы света. У него возникла мысль: если свет представляет собой электромагнитные колебания с определенной длиной волны, нельзя ли искусственно получить его не путем нагрева нити электрической лампы накаливания (что дает возможность использовать лишь 5 процентов энергии, превращающейся в световой поток), а путем создания таких колебаний, которые вызвали бы появление световых волн? Эта задача и стала предметом исследований в лаборатории Теслы в начале 1890 года.

Вскоре он накопил огромное количество фактов, позволивших перейти к обобщениям. Однако осторожность Теслы заставила его проверять десятки и сотни раз каждое свое утверждение. Он повторял сотни раз каждый опыт, прежде чем делал из него какие-либо выводы. Необычайность всех открытий Николы Теслы и огромный авторитет его привлекли внимание руководителей Американского института электроинженеров, вновь, как и три года назад, пригласивших Теслу прочесть лекцию о своих работах. Тесла избрал тему: "Опыты с переменными токами весьма высокой частоты и их использование для искусственного освещения".

По традиции, установившейся с первых лет существования института, было разослано ограниченное число приглашений лишь самым выдающимся электротехникам. Перед такой избранной аудиторией 20 мая 1892 года Тесла и прочел одну из своих самых вдохновенных лекций и продемонстрировал опыты, уже осуществленные им в своей лаборатории.

- Нет ничего, что в большей степени могло бы привлечь внимание человека и заслужило бы быть предметом изучения, чем природа. Понять ее огромный механизм, открыть ее созидательные силы и познать законы, управляющие ею, - величайшая цель человеческого разума, - этими словами начал Тесла свое выступление.

И вот он уже демонстрирует перед слушателями результаты своих исследований в новой, еще никем не изученной области токов высокой частоты.

- Рассеяние электромагнитной энергии в пространстве, окружающем источник токов высокой частоты, позволяет использовать эту энергию для самых различных целей, - убежденно говорит ученый и тут же показывает замечательный опыт. Он выдвигает гениальное положение о возможности передачи электроэнергии без проводов и в доказательство заставляет как обычные лампы накаливания, так и специально им созданные лампы без нитей внутри светиться, внося их в переменное электромагнитное поле высокой частоты. - Освещение лампами подобного рода, - говорит Тесла, - где свет возникает не под действием нагрева нитей протекающим током, а вследствие особых колебаний молекул и атомов газа, будет проще, чем освещение современными лампами накаливания. Освещение будущего, - подчеркивал ученый, - это освещение токами высокой частоты.

Особенно подробно остановился Тесла на описании своего резонансного трансформатора как источника волн весьма высокой частоты и снова подчеркнул значение разряда конденсатора в создании таких колебаний. Тесла правильно оценил большое будущее этой важнейшей детали современных радиотехнических средств. Он выразил эту мысль следующими словами:

- Я думаю, что разряд конденсатора будет в будущем играть важную роль, так как он не только предоставит возможность получать свет более простым способом в том смысле, какой указывает изложенная мною теория, но окажется важным и во многих других отношениях.

Подробно изложив результаты экспериментов с токами высокой частоты, получаемыми с помощью резонансного трансформатора, Тесла завершил лекцию словами, свидетельствующими о его ясном представлении значения дальнейшего изучения явлений, над которыми его работы едва приоткрыли завесу тайны:

- Мы проходим с непостижимой скоростью через бесконечное пространство; все окружающее нас находится в движении, и энергия есть повсюду. Должен найтись более прямой способ утилизировать эту энергию, чем известные в настоящее время. И когда свет получится из окружающей нас среды и когда таким же образом без усилий будут получаться все формы энергии из своего неисчерпаемого источника, человечество пойдет вперед гигантскими шагами.

Одно созерцание этой великолепной перспективы подымает наш дух, укрепляет нашу надежду и наполняет наши сердца величайшей радостью.

Под бурные аплодисменты Тесла закончил свое замечательное выступление. Необычайность всего показанного и особенно смелые выводы ученого, видевшего революционные последствия своих открытий, поразили слушателей, хотя далеко не все поняли содержание лекции так глубоко, как того хотелось бы Николе Тесле.