Никола Тесла

Nikola TeslaНикола Тесла
(10 июня 1856 г. — 7 января 1943 г.)

Сто семь лет назад Никола Тесла опубликовал результаты своих опытов по резонансному методу передачи электрической энергии /1, 2/. Сегодня от его знаменитой электротехнической лаборатории в Колорадо-Спрингс, США остался только памятный знак (рис.1, 2), его патенты неизвестны, а в учебниках по электротехнике трансформатор Тесла упоминается только до 1940 года /3, 4/.

Резонансные методы передачи электромагнитной энергии оказались востребованными на высокой частоте в радиотехнике и технике связи и на низкой частоте используются в электротермии.

В начале ХХ века не было диодов, транзисторов, лазеров, телевидения и солнечных батарей, а трехфазные сети на частоте 50–60 Гц успешно справлялись с задачами по передаче электрической энергии в диапазоне от единиц ватт до тысячи мегаватт на расстоянии 100–1000 километров /5/. Поэтому о работах Тесла по передаче электрической энергии после его смерти в 1943 году стали забывать /6/.

В связи с развитием объединенных энергосистем в Европе, Северной и Южной Америке и предложениями по созданию глобальной энергосистемы Земли появились задачи по созданию устройств для передачи тераваттных трансконтинентальных потоков электрической энергии /7, 8/. Проблемы электромагнитной безопасности и надежности электроснабжения наряду с быстро возрастающей стоимостью земельных участков могут быть полностью решены при переходе от воздушных ЛЭП к кабельным высоковольтным линиям, но кабельные системы передачи электроэнергии на большое расстояние в настоящее время возможны только на постоянном токе. В конкуренцию между системами передачи электроэнергии на переменном и постоянном токе может вмешаться третий метод: резонансный волноводный метод передачи электрической энергии на повышенной частоте, впервые предложенный Тесла в 1897 году /9/.

В 30-е годы XX века были разработаны теоретические основы использования одиночного проводника в качестве волновода для передачи электромагнитной энергии на высокой частоте /10/. Если в цилиндрических волноводах ток в волноводе замыкается в виде токов смещения, протекающих по оси волновода, то ток в одиночном проводниковом волноводе замыкается в виде токов смещения в пространстве, окружающем проводник. На поверхности одиночного разомкнутого проводника в связи с наличием фазового сдвига между волнами тока и напряжения возникают поверхностные заряды, которые создают кулоновые возбуждающие электрические поля, и эти поля приводят к появлению кулоновых токов в проводнике /11/. Таким образом, в проводнике возникает потенциальное электрическое поле, которое обеспечивает перенос зарядов и ток в проводнике. Описанные процессы имеют электростатическую природу и сопровождаются малыми потерями в проводнике. Если взять два конденсатора, один из которых заряжен, и создать замкнутую цепь из этих конденсаторов, то ток проводимости в замкнутой цепи создаст джоулевы потери в проводниках, соединяющих конденсаторы.

Рис. 1. Н. Тесла в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс 25 – 31 декабря 1899 г. /2/.
 Фотография печатается с разрешения музея Н.Тесла в Белграде

Однако если мы соединим заряженный сферический конденсатор одиночным проводом с другой незаряженной сферой, то перенос зарядов с одной сферы на другую не будет сопровождаться джоулевыми потерями. В этом случае цепь не замкнута и в ней отсутствует ток проводимости.

Поверхностные заряды в одиночном проводниковом волноводе изменяются во времени и создают в пространстве, окружающем проводник, ток смещения, который замыкается током в проводнике, возбуждаемым потенциальным кулоновым электрическим полем. Известно, что токи смещения в отличие от токов проводимости не сопровождаются выделением джоулева тепла /12/.

Рис.3. Электрическая схема устройства Н. Тесла
для резонансной системы передачи электрической энергии /9/

Выделение тепла не происходит и при протекании тока в проводнике, возбуждаемого напряженностью кулонова электрического поля.

Н. Тесла писал, что процессы переноса электрической энергии в его резонансных высоковольтных системах имеют электростатическую природу и поэтому обладают низкими потерями.

В СССР возрождение резонансных технологий передачи электрической энергии началось с работ инженера Всесоюзного электротехнического института им. В.И. Ленина (ВЭИ) С.В. Авраменко, который в 80-е годы XX века разработал и запатентовал однопроводные электрические системы мощностью 10–100 Вт, напряжением 1–100 кВ. С.В. Авраменко использовал тиристорные преобразователи частоты 1–30 кГц и собственную ёмкость повышающих и понижающих трансформаторов Тесла для создания резонанса. С 1990 года эти работы получили дальнейшее развитие в ВИЭСХе, где С.В. Авраменко работал инженером (по совместительству) в лаборатории эксплуатации электрооборудования (заведующий лабораторией к.т.н. А.И. Некрасов).

Рис. 2. Профессор Д.С. Стребков у памятного знака в честь Н. Тесла
в  Колорадо-Спрингс 27 февраля 2004 г.