НИКОЛА ТЕСЛА ЛЕКЦИИ СТАТЬИ
Посвящение к Белградскому изданию 1956 г.:
Югославский Национальный Комитет по Празднованию Столетия со Дня Рождения Николы Теслы и Музей Николы Теслы в Белграде считают публикацию научных трудов Николы Теслы почетной обязанностью по отношению к великому ученому и изобретателю, науке и человечеству. И выполнить ее оказалось намного легче благодаря тому счастливому обстоятельству, что в соответствии с волей Теслы все его труды были собраны в Музее Николы Теслы в Белграде. К сожалению, в нашем распоряжении не было одной части документов Николы Теслы, той, которая касается первого периода его творческой активности, которая была утеряна, когда его лаборатория погибла в огне. Большая часть документов, которые есть в нашем распоряжении, еще не изучена. Отобранные для настоящей публикации документы печатаются не только как яркое доказательство важной научной работы Теслы, которая составляет фундамент современной электротехники, но они также служат отчетливым указателем для нынешнего и будущих поколений изобретателей во всех областях науки и техники, где Никола Тесла достиг столь великих результатов.
Президент
Югославскою Национального Комитета по Празднованию Столетия
со Дня Рождения Николы Теслы
Родолюб Голякович
ПРЕДИСЛОВИЕ к Белградскому изданию
* В настоящее издание не вошла составляющая около половины объема оригинальной книги часть «Патенты», представляющая, безусловно, большой интерес, ввиду чрезвычайной трудоемкости приведения переводов патентов того времени к понятному виду для современного читателя. Возможно, она будет издана позднее, пока же мы можем лишь отослать заинтересованного читателя к оригиналу, (прим. изд.)
Никола Тесла родился в Смилянах, Провинция Лика, в Югославии 10 Июля 1856 г. С 1862 по 1874 он посещал начальную и средняя школу в Смиляне и Госпице, и высшую школу в Карловах. С 1875 по 1878 он обучался в Передовой Технической Школе в Граце и закончил свое обучение в Университете в Праге в 1880.
С 1876 года, будучи студентом в Граце, Тесла заинтересовался созданием мотора без коллектора. В Феврале 1882, в Будапеште, он открыл принцип вращающегося магнитного поля. В 1883, в Страсбурге, он сделал первые модели индукционных моторов. На следующий год Тесла уехал в Соединенные Штаты Америки, где в течение короткого времени работал в Лаборатории Эдисона. Позднее, в 1885, он основал в Нью-Йорке предприятие "Tesla Arc Light Company". После основания компании "Tesla Electric Company" в 1887 Тесла смог получить необходимые финансовые и материальные ресурсы, которые требовались для реализации его изобретения полифазной системы передачи энергии и для индукционных моторов высокой эффективности.
После получения первоначальных патентов на асинхронный мотор и полифазную систему для передачи электрической энергии 12 Октября 1887, Тесла получил за период с 1887 по 1891 следующий ряд из 40 патентов в той же области. Полифазная система передачи энергии была применена в 1891 в гидроэлектростанции на Ниагарском Водопаде, первые три агрегата которой начали работать в 1896 с совокупной мощностью в 15,000 лошадиных сил.
Во второй половине 1890 Тесла начал работу в области токов высокой частоты, построив машины генераторы с частотой до приблизительно 30 кГц. В 1891 он изобрел трансформатор для получения токов высокой частоты и высокого напряжения, который позднее стал известен как "трансформатор Теслы". Тесла изложил результаты, достигнутые в области токов высокой частоты, в своих известных лекциях, которые он прочел за период между 1891 и 1893 годами. Работа в этой области была временно прервана из-за пожара в лаборатории Теслы 13 Марта 1895.
После постройки новой лаборатории в 1896 Тесла вновь возобновил свою работу, и с 1896 по 1914 он опубликовал ряд новых изобретений, которые положили начало современной радиотехнике. Особенно важно было открытие четырех резонансных цепей, лежащих в основе радиопередачи. Создание в течение 1899 большой радиостанции на 200 кВт в Колорадо позволило Тесле применить принципы и идеи, выдвинутые в его лекциях в 1892 и 1893.
Весной 1898 Тесла построил радио-управляемую модель корабля, и 1 Июля 1898 получил патент, относящийся к управлению на расстоянии посредством радио движущихся судов и транспортных средств. Этим изобретением он заложил основу беспроводной телемеханики. Он представил результаты своей работы в статье, озаглавленной "Проблема Увеличения Человеческой Энергии", опубликованной в Июне 1900.
Тесла с его чрезвычайно важными открытиями и изобретениями занимает одно из выдающихся мест в истории современной науки и техники. За свои научные достижения Никола Тесла получил заслуженное и почетное признание многих известных научных организаций и знаменитых ученых во всем мире. Докторская степень была присвоена ему университетами:
Сорбонны (Париж), Колумбии, Вены, Праги, Белграда, Загреба, Иеля, Небраски, Гренобля, Брно, Бухареста, Граца, Софии, и др.
7 Января 1943 он умер в Нью-Йорке, где провел самый долгий период своей жизни.
Цель этой книги — познакомить читателя с наиболее важными работами Николы Теслы во многих областях науки, которой он посвятил себя. Тесла обнародовал свои изобретения в лекциях, прочитанных во многих научных организациях, получал на свои многочисленные изобретения патенты, и писал статьи в различных газетах и журналах. И следуя ему, книга состоит из трех частей: лекции, патенты и статьи.
Первая часть книги содержит в хронологическом порядке пять из наиболее важных лекций Николы Теслы. Самая важная — классическая лекция: "Новая Система Трансформаторов и Моторов Переменного Тока", прочитана перед AIE E (Американским Обществом Инженеров Электротехников — The American Institute of Electrical Engineers) 16 Мая 1888, в которой Тесла объяснил принципы его знаменитого индукционного мотора. Другая важная лекция, включенная в эту книгу, это "Эксперименты с Переменными Токами Очень Высокой Частоты и Их Применение к Методам Искусственного Освещения", прочитанная перед AIE E 20 Мая
1891. "Эксперименты с Переменными Токами Очень Высокой Частоты", прочитанная для Общества Инженеров Электротехников и Королевским Обществом в Лондоне в Феврале 1892, соответственно, 3, 4 и 19 числа. "О Свете и Других Явлениях Высокой Частоты, прочитанная перед Институтом Франклина, Филадельфия, 24 Февраля 1893, и еще раз, перед Национальной Ассоциацией Электрического Света, Сент Луис, в Марте того же года. В этих лекциях Тесла рассказывал о своих достижениях в области высоких частот и высоких напряжений. Эта часть книги заканчивается лекцией "Высокочастотные Осцилляторы для Электро-Терапевтических и Других Целей", прочитанная перед Американской Электро - Терапевтической Ассоциацией в Буффало, 13 Сентября 1898.
Вторая часть этой книги посвящена патентам Николы Теслы, избранными из множества патентов, зарегистрированных в Патентном Ведомстве Соединенных Штатов Америки. Эти патенты разбиты на группы, каждая из групп упорядочена в порядке регистрации. В первой группе собрано 25 патентов на электрические моторы и генераторы, вторая группа содержит 9 патентов на передачу электрической энергии. Затем следуют группа из 6 патентов на решение определенных проблем освещения. Затем 17 патентов на контроллеры и высокочастотные устройства, и группа из 12 патентов из области радио-техники. После ряда важных патентов на радио-управление и группы из 5 патентов на турбины и аналогичные устройства, эта часть книги завершается группой из 11 патентов на решение различных проблем, вызывавших интерес Теслы.
Третья часть этой книги, содержащая избранные научные и технические статьи Николы Теслы, также поделена на группы. Статьи Теслы представлены в порядке их публикации. Первая группа из 17 статей относится к работе Теслы в области Рентгеновских лучей, осциллятора Теслы, токов высокой частоты, электрических машин, электрического разряда в трубках, и заканчивается статьей о телефотографии. Вторая группа этой части состоит из 8 статей, касающихся воззрения Теслы на мир и его мнений о будущем электричества, где он обсуждает как технические, так и общие проблемы, представляющие интерес для человечества. Эта часть оканчивается собственным биографическим очерком Теслы.
ЛЕКЦИИ
НОВАЯ СИСТЕМА ТРАНСФОРМАТОРОВ И МОТОРОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Я очень хочу выразить свою благодарность Профессору Энтони, за его помощь, которую он оказал в данном вопросе. Я также хотел бы выразить мою признательность М-ру Попу и М-ру Мартину за их содействие. Извещение пришло относительно недавно, и я не смог рассмотреть предмет столь широко, как мне бы того хотелось, так как мое здоровье сейчас не и лучшем состоянии. Я прошу о вашем любезном снисхождении, и буду глубоко удовлетворен, если то немногое, что я сделал, встретит ваше одобрение.
При сегодняшней разнородности мнений касательно относительных достоинств систем переменного и постоянного тока огромное значение придается вопросу, могут ли переменные токи успешно применяться в работе моторов. Трансформаторы, со всеми их преимуществами, дали нам сравнительно совершенную систему распределения. И хотя, как во всех областях техники, желательны еще многие усовершенствования, в этом направлении осталось сделать сравнительно немного. Передача энергии, напротив, практически полностью ограничена использованием постоянных токов, и несмотря на то, что для использования переменных токов было предпринято множество усилий, они, по крайней мере насколько известно, не дали желаемого результата. Из разнообразных моторов, приспособленных для работы в цепях переменного тока, отмечались следующие: 1. Последовательный мотор с разделенным полем. 2. Генератор переменного тока, поле которого возбуждается постоянными токами. 3. Мотор Элиу Томпсона. 4. Мото р с комбинированным переменным и постоянным током. И еще два мотора этого вида пришли мне в голову. 1. Мотор, одна из цепей которого подключается последовательно с генератором, а другая — во вторичную цепь трансформатора. 2. Мотор, у которого цепь якоря подключена к генератору, и обмотки возбуждения замкнуты на себя. Эти я. впрочем, упоминаю лишь мимоходом.
Предмет, который я сейчас имею удовольствие представить вашему вниманию, — это новая система распределения и передачи электрической энергии посредством переменных токов, дающая особые преимущества, особенно в плане моторов, которая, я уверен, сразу же даст превосходную применимость этих токов для передачи энергии и покажет, что многие результаты, до сих пор недосягаемые, с их применением достигаются; результаты, которые столь желательны в практической работе подобных, систем, и которые недостижимы при посредстве постоянных токов.
Прежде чем вдаваться в детали описания этой системы, я думаю, необходимо сделать несколько замечаний относительно определенных условий, присутствующих в генераторах и моторах постоянного тока, которыми, хотя они и хорошо известны, часто пренебрегают.
В наших динамо машинах, как известно, мы генерируем переменные токи, которые выпрямляем посредством коммутатора, этого довольно сложного устройства, и, можно так сказать, источника большинства проблем, возникающих в работе этих машин. Далее, токи, выпрямленные таким образом, не могут использоваться в моторе, но они должны — и опять посредством подобного ненадежного устройства, — быть вновь преобразованы в свое первоначальное состояние — переменный ток. Функция коммутатора чисто внешняя, и пи в коей мере не влияет на внутреннюю работу машин. Следовательно, на самом деле, все машины — это машины переменного тока, так как токи предстают в виде постоянных только во внешней цепи во время их передачи от генератора к мотору. И только ввиду этого факта переменные токи должны были привлечь к себе внимание как более непосредственное применение электрической энергии, и применение постоянный токов становилось бы оправданным, только если бы были динамо, которые сразу первоначально генерируют их, и моторы, которые бы приводились в действие непосредственно такими токами.
Рис. 1. Рис. 1а.
Но работа коммутатора в моторе двойная; во-первых, он обращает токи, идущие через мотор, и во-вторых, он выполняет, автоматически, прогрессивный сдвиг полюсов одной из его магнитных составляющих. Далее, допуская, что обе этих бессмысленных операции, то есть выпрямление переменных токов в генераторе и реверсирование постоянных токов в моторе, исключаются, все равно было бы нужно, для того, чтобы вызвать вращение мотора, получать прогрессивное смещение полюсов одного из его элементов, и сам собой встает вопрос — Как выполнить эту операцию непосредственно с помощью воздействия переменного тока? Теперь я перейду к объяснению того, как это выполняется.
Рис. 2. Рис. 2а.
В первом эксперименте барабанный якорь имел две обмотки под прямыми углами друг к другу, и концы этих обмоток подключались к двум парам изолированных контактных колец, как это делается обычно. Кольцо было сделано из тонких изолированных пластин листового железа и обмотано четырьмя обмотками, каждые две противоположные из которых соединялись друг с другом так, чтобы давать свободные полюса на диаметрально противоположных сторонах кольца. Остальные свободные контакты обмоток подключались к контактному кольцу якоря генератора, так что образовывалось две независимые цепи, как показано на рисунке 9. Теперь можно видеть, какие результаты достигались подобной комбинацией, и я буду ссылаться в этом отношении на схемы на рисунках с 1 до 8а. Когда поле генератора возбуждается независимо, вращение якоря устанавливает в обмотках СС токи, меняющиеся по силе и направлению хорошо известным образом. В положении, показанном на рисунке 1, ток в обмотке С нулевой, тогда как через обмотку С 1 проходит ее максимальный ток, и наши соединения устроены так, что кольцо намагничивается обмотками С 1 С 1, как показано буквами N S на рисунке 1а, а намагничивающий эффект обмоток с с нулевой, потому что эти обмотки включены в цепь обмотки С.
На рисунке 2 обмотки якоря показаны в следующем положении, когда уже совершена одна восьмая одного оборота. Рисунок 2а иллюстрирует соответствующие магнитные состояния кольца. В данный момент обмотка С 1 генерирует ток того же направления, что и перед этим, но слабее, создавая в кольце полюса N1 S 1; обмотка с также генерирует ток того же направления, и соединения таковы, что обмотки с с создают полюса N S, как показано на рисунке 2а. Результирующая полярность указана буквами N S, и можно наблюдать, что полюса кольца сдвинулись на одну восьмую его периметра.
На рисунке 3 якорь прошел одну четвертую оборота. На этой фазе ток и обмотке С максимален, и его направление таково, что дает полюса N S, как на рисунке За, при этом ток в обмотке С1 пулевой, эта обмотка находится в своем нейтральном положении. Полюса N S па рисунке За, таким образом, сдвинуты на одну четвертую окружности кольца.
Рисунок 4 показывает обмотки С С еще более продвинутом положении, когда якорь прошел три восьмых оборота. В этот момент обмотка С пока что генерирует ток того же направления, что и раньше, но меньшей силы, создавая сравнительно более слабые полюса n s на рисунке 4а. Ток в обмотке С 1 той же силы, но противоположного направления. В результате, он создает на кольце полюса N j Sj, как показано, и полярность N S, в итоге, при этом полюса сдвигаются на три восьмых периметра кольца.
На рисунке 5 пройдена половина оборота якоря, и возникающее в результате магнитное ноле показано на рисунка 5а. Теперь ток в обмотке С нулевой, а по обмотке С/ течет ее максимальный ток, имеющий то же направление, что и перед этим; намагничивающий эффект, таким образом, обуславливается только обмоткой С/ с j, и следуя рисунку 5а, можно увидеть, что полюса N S сдвинулись на одну вторую окружности кольца. В ходе следующего полуоборота действия повторяются, как показано на рисунках с 6 по 8а.
Если посмотреть на схемы, становится ясно, что в ходе одного оборота якоря полюса кольца сдвигаются один ра з по его окружности, а каждый оборот вызывая те же эффекты, в результате быстрое вращение полюсов согласуется с вращением якоря. Если соединения любой из обмоток на кольце поменять на обратные, сдвиг полюсов будет происходить в обратном направлении, но действие будет точно тем же самым. Вместо того, чтобы использовать четыре провода, с тем же эффектом можно использовать три провода, из которых один является общим обратным проводом для обеих цепей.
Это вращение или верчение полюсов проявляет себя в целой серии любопытных явлений. Если аккуратно укрепленный на оси диск из стали или другого магнитного металла приблизить к кольцу, он приходит в быстрое вращение, при этом направление вращения меняется от положения диска. Например, если в снаружи кольца он будет вращаться в одну сторону, то внутри кольца направление вращения сменится на обратное, но при этом направление не будет меняться, если его поместить в положение, симметричное кольцу. Это объясняется просто. Каждый раз, когда полюс приближается, он индуцирует противоположный полюс в ближайшей точке диска, и в этой точке образуется притягивание; благодаря этому, по мере того, как полюс двигается, удаляясь от диска, на него действует тангенциальное тянущее усилие, и когда это действие повторяется постоянно, в результате возникает более или менее быстрое вращение диска. Поскольку тянущее усилие действует главным образом на ту часть, которая ближе всего к кольцу, вращение снаружи и внутри, или справа и слева, соответственно, происходит в противоположных направлениях, рисунок 9. При расположении симметрично кольцу, усилия на противоположных сторонах диска одинаковы, и вращения нет. Воздействие основано на магнитной инерции железа; по этой причине на диск из твердой стали воздействие гораздо более сильное, чем на диск из мягкого железа, так как последнее способно к очень быстрым изменениям магнетизма. Такой диск оказался очень полезным инструментом во всех этих исследованиях, поскольку он позволил мне обнаруживать любую нерегулярность работы.