Резонансный трансформатор Н. Тесла — это не секрет

« вернуться в раздел «Радиотехника — теория»

Знакомство с трансформатором Н. Тесла

Новомодный феномен резонансного трансформатора Николы Тесла возник недавно, а Интернет забит фотографиями и интригующими видеосъемками молний и коронарных разрядов.

Вспомним, что трансформатор первоначально был предназначен не для показательных выступлений, а для передачи радиосигналов на далекие расстояния. В связи с этим предлагаю ознакомиться с его принципом работы и найти ему практическое применение.

Трансформатор Тесла состоит из двух основных цепей, первичной и вторичной, см. рис. 1а.

1. Первичная цепь, как генерирующая колебания определенной частоты, состоит из высоковольтного источника питания, накопительного конденсатора С1, разрядника и катушки связи L1. Когда искровой промежуток находится в проводящем состоянии, LC–элементы связаны последовательно, формируя цепь определенной частоты.

2. Вторичной цепью является последовательный колебательный контур, который состоит из резонансной катушки индуктивности L2, открытой емкостью С, образованной заземлением и сферой, см. рис. 1а.

Частоты колебаний обоих цепей определены их структурными параметрами и должны совпадать. Выходное напряжение трансформатора Тесла исчисляется десятками тысяч вольт благодаря повышенному количеству витков во вторичной цепи. Вторичная цепь резонансного трансформатора Тесла, это открытый колебательный контур, который был открыт ранее Дж. К. Максвеллом.

Обратимся к классической теории принципа действия открытого колебательного контура

Как известно колебательный контур состоит из катушки индуктивности и конденсатора. Исследуем простейший колебательный контур, катушка которого состоит из одного витка, а конденсатор представляет собой две рядом расположенные металлические пластины. Подадим в разрыв индуктивности контура 1 переменное напряжение от генератора, см. рис.2а. В витке потечет переменный ток и создаст вокруг проводника магнитное поле. Это сможет подтвердить магнитный индикатор в виде витка, нагруженного лампочкой. Для того, что бы получить открытый колебательный контур, раздвинем пластины конденсатора. Мы наблюдаем, что лампа индикатора магнитного поля продолжает гореть. Чтобы лучше понять, что происходит в данном опыте, смотри рис. 2а. По витку контура 1 течёт ток проводимости, который вокруг себя создает магнитное поле Н, а между пластинами конденсатора — равный ему так называемый ток смещения. Несмотря на то, что между пластинами конденсатора нет тока проводимости, опыт показывает, что ток смещения создаёт такое же магнитное поле, как и ток проводимости. Первым, кто об этом догадался, был великий английский физик Дж. К. Максвелл.

В 60-х годах 18-го столетия, формулируя систему уравнений для описания электромагнитных явлений, Дж. К. Максвелл столкнулся с тем, что уравнение для магнитного поля постоянного тока и уравнение сохранения электрических зарядов переменных полей (уравнение непрерывности) несовместимы. Чтобы устранить противоречие, Максвелл, не имея на то никаких экспериментальных данных, постулировал, что магнитное поле порождается не только движением зарядов, но и изменением электрического поля, подобно тому, как электрическое поле порождается не только зарядами, но и изменением магнитного поля. Величину, где электрическая индукция, которую он добавил к плотности тока проводимости, Максвелл назвал током смещения. У электромагнитной индукции появился магнитоэлектрический аналог, а уравнения поля обрели замечательную симметрию. Так, умозрительно был открыт один из фундаментальнейших законов природы, следствием которого является существование электромагнитных волн.

Раз так, убедимся еще раз, что происходит, когда закрытый колебательный контур превращается в открытый и как можно обнаружить электрическое Е-поле? Для этого рядом с колебательным контуром поместим индикатор электрического поля, это вибратор, в разрыв которого включена лампа накаливания, она пока не горит. Постепенно раскрываем контур, и мы наблюдаем, что лампа индикатора электрического поля загорается, рис. 2б. Электрическое поле теперь не сосредоточено между пластинами конденсатора, его силовые линии идут от одной пластины к другой через открытое пространство. Таким образом, мы имеем экспериментальное подтверждение утверждения Дж. К. Максвелла, что емкостной излучатель порождает электромагнитную волну. Никола Тесла обратил на этот факт внимание, что при помощи совсем не больших излучателей можно создать достаточно эффективный прибор для излучения электромагнитной волны. Так родился резонансный трансформатор Н. Тесла. Проверим и этот факт, для чего вновь рассмотрим назначение деталей трансформатора.

И так, геометрические размеры сферы и технические данные катушки индуктивности определяют частоту последовательного резонанса, которая должна совпадать с частотой генерации разрядника.

Только режим последовательного резонанса позволяет трансформатору Тесла достигать таких величин напряжений, что на поверхности сферы появляется коронарный разряд и даже молнии.

Рассмотрим работу трансформатора Тесла, как последовательного колебательного контура:

Этот контур необходимо рассматривать как обычный LC–элемент, рис. 1а.б, а так же рис. 2а, где включены последовательно индуктивность L, открытый конденсатор С и сопротивление среды Rср. Угол сдвига фаз в последовательном колебательном контуре между напряжением и током равен нулю (?=0), если ХL = -Хс, т.е. изменения тока и напряжения в нем происходят синфазно. Это явление называется резонансом напряжений (последовательным резонансом). Следует отметить, что при понижении частоты от резонанса, ток в контуре уменьшается, а резонанс тока несет емкостной характер. При дальнейшей расстройке контура и понижении тока на 0,707, его фаза смещается на 45 градусов. При расстройке контура вверх по частоте, он приобретает индуктивный характер. Это явление часто используют в фазоинверторах.

Рассмотрим схему последовательного колебательного контура изображенную на рис. 3, где добротности контура Q может находиться в пределах 20-50 и много выше.

Здесь полоса пропускания определяется добротностью контура:

?f=fo/Q

Тогда напряжение на пластинах излучателя будет выглядеть согласно следующей формуле:

U2 = Q * U1

Напряжение U2 согласно расчетам составляет 2600В, что подтверждается практической работой трансформатора Тесла. В таблице 1 расчетные данные приведены для частоты 7.0 МГц не случайно, это дает возможность любому желающему коротковолновику провести радиолюбительский эксперимент в эфире. Здесь входное напряжение U1 условно взято за 100 Вольт, а добротность за 26.

Таблица 1

Данное утверждение приемлемо в тех случаях, когда отсутствует изменение частоты или сопротивления нагрузки данного контура. В трансформаторе Н. Тесла оба фактора постоянны по определению.

Полоса пропускания трансформатора Тесла зависит от нагрузки, т.е., чем выше связь открытого конденсатора С (сфера-земля) со средой, тем больше нагружен контур, тем шире его полоса пропускания. Это связано с увеличением тока смещения. Тоже происходит с колебательным контуром, нагруженным активной нагрузкой. Таким образом, размеры сферы трансформатора определяет его емкость С и соответственно диктует не только ширину полосы пропускания, но и сопротивление излучения, которое в идеале должно равняться сопротивлению среды. Здесь нужно понимать, что чрезмерное увеличение полосы пропускания за счет увеличения объема излучателей приведет к снижению добротности и соответственно приведет к уменьшению эффективности резонансного трансформатора в целом.

Рассмотрим емкостной элемент трансформатора Тесла, как двухполюсный элемент связи со средой:

Вполне справедливо называть емкостной трансформатор Тесла, диполем Тесла, ведь «диполь» означает di(s) дважды + polos полюс, что исключительно применимо к двухполюсным конструкциям, каковым и является резонансный трансформатор Николы Тесла с емкостной двухполюсной нагрузкой (сфера+земля).

В рассматриваемом диполе, емкость излучателя является единственным элементом связи со средой. Излучатель антенны, это два электрода внедренные в среду, см. Рис. 4. и при появлении на них потенциала напряжения, оно автоматически прикладывается к среде, вызывая в ней некий потенциал –Q и +Q. Если это напряжение переменно, то и потенциалы меняют свой знак на противоположный с той же частотой, а в среде появляется ток смещения. Так как прикладываемые напряжение и ток синфазны по определению последовательного колебательного контура, то и электромагнитное поле в среде претерпевает те же изменения.

Вспомним, что в диполе Герца, где напряжение сначала прикладывается к длинному проводнику, то для волны в ближней зоне характерно, что Е=1, а Н?1. Это связано с тем, что в этом проводнике существуют реактивные LC элементы, которые вызывают задержку фазы поля Н, т.к. полотно антенны соизмеримо с ?.

В диполе Тесла, где ХL = −Хс (реактивной составляющей нет), излучающий элемент длиной до 0,05 ? не резонансен и представляет лишь емкостную нагрузку. При толстом и коротком излучателе, его индуктивность практически отсутствует, она компенсируется сосредоточенной индуктивностью. Здесь напряжение прикладывается сразу к среде, где одновременно возникают поле Е и поле Н. Для волны диполя Тесла характерно, что Е=Н=1, т.е. волна в среде сформирована изначально. Здесь мы отождествляем напряжение в контуре с электрической составляющей поля Е (единица измерения В/м), а ток смещения с магнитной составляющей поля Н (единица измерения А/м), только диполь Тесла излучает синфазное поле Е и поле Н.

Попробуем еще раз рассмотреть данное утверждение немного в другой плоскости:

Допустим, мы имеем напряжение, приложенное к пластинам (реактивной составляющей нет, она скомпенсирована), которые нагружены на активное сопротивление среды Rср, как на участок электрической цепи (Рис. 4).

Вопрос: Имеется ли ток в среде (в цепи) именно в этот момент времени?

Ответ: Да, чем больше приложено напряжение к активному сопротивлению среды, тем больше ток смещения в этот же период времени, и это не противоречит закону Дж. К. Максвелла и если хотите закону Ома для участка цепи. По этому синфазное изменение величины напряжения и тока в последовательном контуре в режиме последовательного резонанса, вполне справедливо порождают синфазность полей Е и Н в среде, см. Рис. 4б.

Подводя итог, мы можем сказать, что емкостной излучатель создает вокруг себя мощное и концентрированное электромагнитное излучение. Диполь Тесла обладает особенностью накопления энергии, что характерно только последовательному LC-контуру, где суммарное выходное напряжение значительно превосходит входное, что наглядно видно по результатам таблицы. Данное свойство давно практикуют в промышленных радиоустройствах для повышения напряжения в устройствах с большим входным сопротивлением.

Таким образом, мы можем сделать следующий вывод:

Диполь Тесла — это высокодобротный последовательный колебательный контур, где сфера является открытым элементом, осуществляющим связь со средой. Индуктивность L является лишь закрытым элементом и резонансным трансформатором напряжения, не участвующим в излучении.

Внимательно изучив цели построения резонансного трансформатора Николы Тесла, невольно приходишь к выводу, что он был предназначен для передачи энергии на расстояние, но эксперимент был прерван, а потомкам остается догадываться о истинной цели этого чуда конца 19 и начала 20 века. Не случайно Никола Тесла в своих записях оставил следующее изречение: «Пусть будущее рассудит и оценит каждого по его трудам и достижениям. Настоящее принадлежит им, будущее, ради которого я работаю, принадлежит мне».

Краткая справка: Электромагнитная волна была открыта Максвеллом в 60-х годах 18 века при помощи емкостного излучателя. На рубеже 20-го века Н. Тесла доказал возможность передачи энергии на расстоянии при помощи емкостных излучателей резонансного трансформатора.

Г. Герц, продолжая опыты с электромагнитным полем и опираясь на теорию Максвелла в 1888 году доказал, что электромагнитное поле излучаемое емкостным излучателем равно полю излучаемое электрическим вибратором.

В настоящее время диполь Герца и магнитная рамка К. Брауна, открытая в 1916 году, широко используются на практике, а емкостной излучатель незаслуженно забыт. Уважая заслуги Максвелла и Тесла, автор данной статьи в память о них провел лабораторные эксперименты с емкостной антенной и принял решение обнародовать их. Эксперименты были проведены на частоте 7 МГц в домашних условиях и показали не плохие результаты.

ИТАК! Многочисленные эксперименты показали, что резонансные элементы любого контура можно изменять в разных пределах, и как с ними поступишь, так они и поведут себя. Интересно то, что если уменьшать излучающую емкость открытого контура, то для получения резонанса приходится увеличивать индуктивность. При этом на краях излучателя и других неровностях появляются стримеры (от англ. Streamer). Streamer — это тускло видимая ионизация воздуха (свечение ионов), создаваемая полем диполя. Это и есть резонансный трансформатор Тесла, каким мы его привыкли видеть на просторах Интернета.

Можно увеличить емкость и в режиме резонанса напряжений добиться максимальной отдачи сбалансированного электромагнитного поля и использовать изобретение Тесла, как диполь для передачи энергии на расстояния, т.е. как емкостную антенну. И все же, Тесла был прав, когда отказался от металлического сердечника внутри повышающей катушки, ведь он вносил потери в том месте, где зарождалась электромагнитная волна. Тем не менее, результаты экспериментов привели к единственно правильному условию, когда LC-параметры стали соответствовать табличным данным (табл. 1).

Проверка принципа действия диполя Тесла на практике

Для проведения экспериментов с трансформатором Тесла над конструкцией не пришлось долго думать, здесь помог радиолюбительский опыт. В качестве излучателей вместо сферы и земли были взяты две гофрированные алюминиевые (вентиляционные) трубы диаметром 120 мм и длиной по 250 мм. Удобство применения заключалось в том, что их можно растягивать или сжимать как витки катушки, тем самым, меняя емкость контура в целом и соответственно соотношение L/С. «Трубы–емкости» располагались горизонтально на бамбуковой палке с расстоянием 100 мм. Катушка индуктивности L2 (30 мкГн) проводом 2 мм, была вынесена ниже оси цилиндров на 50 см. с тем, чтобы не создавать вихревых токов в сфере излучателей. Еще лучше будет, если катушку вынести за один из излучателей, располагая ее на одной оси с ними, где эл. магнитное поле минимально и имеет форму «пустой воронки». Образованный, этими элементами колебательный контур был настроен в режиме последовательного резонанса, где было соблюдено основное правило, где ХL = -Хс. Катушка связи L1 (1 виток, 2 мм), обеспечивала связь с трансивером мощностью 40 Вт. При ее помощи было настроено согласование импровизированного диполя Тесла с фидером 50 Ом, что обеспечило режим бегущей волны и полную отдачу мощности без отражения обратно в генератор. Данный режим в трансформаторе Тесла обеспечивает разрядник. Фидер длиной 5 метров для чистоты эксперимента был обеспечен с обоих сторон ферритовыми фильтрами.

Для сравнения испытывалось три антенны:

• диполь Тесла (L= 0.7м, КСВ=1,1),
• разрезной укороченный диполь Герца (L = 2×0,7м, удлинительная катушка, фидер 5 метров защищенный ферритовыми фильтрами КСВ=1,0),
• горизонтальный полуволновой диполь Герца (L = 19,3м, фидер защищен ферритовыми фильтрами КСВ=1,05).

На расстоянии 3 км. в черте города был включен передатчик с постоянной несущей сигнала.

Диполь Тесла (7 МГц) и укороченный диполь с удлиняющей катушкой, по очереди размещались возле кирпичного здания на расстоянии всего 2 метра, и на момент эксперимента находились в равных условиях на высоте (10-11 м).

В режиме приема диполь Тесла превосходил укороченный диполь Герца на 2-3 балла (12-20 дБ) по шкале S-метра трансивера и более.

Затем вывешивался заранее настроенный полуволновый диполь Герца. Высота подвеса 10-11 м. на расстоянии от стен в 15-20 м.

По усилению диполь Тесла уступал полуволновому диполю Герца примерно на 1 балл (6-8 дБ). Диаграммы направленности всех антенн совпадали. Стоит отметить, что полуволновый диполь был размещен не в идеальных условиях, а практика построения диполя Тесла требует новых навыков. Все антенны находились внутри двора (четыре здания) как в экранированном котле.

Общие выводы

Рассматриваемый диполь Тесла на практике работает почти как полноценный полуволновый диполь Герца, что подтверждает равенство электромагнитных полей от электрического и емкостного диполя. Он подчиняется принципам двойственности, что не идет в разрез с теорией антенн. Несмотря на свои малые размеры (0,015-0,025 ?), диполь Тесла осуществляет связь с пространством с помощью емкостных излучателей. Он создают в пространстве вокруг излучателя синфазное поле Е и поле Н, из чего следует, что поле диполя Тесла в пределах излучателей уже сформировано и имеет «мини-сферу», что приводит к ряду новых выводов о свойствах этого диполя. Таким образом, диполь Тесла имеет все основания для практических экспериментов в радиолюбительской службе в диапазонах коротких, средних и особенно длинных волн. Думаю, что любителям длинноволновой связи (137 кГц) стоит обратить на этот эксперимент особое внимание, где КПД рассматриваемого диполя в десятки раз выше экспериментальных антенн на основе укороченного диполя Герца или резонансных рамок.

Вспомним, где на практике применяется диполь Тесла? К сожалению, для гражданского контингента до некоторого времени он был закрыт. Молчание нарушил американский радиолюбитель Т. Хард, который в среде радиолюбителей представил миру радиолюбителей небезызвестную ЕН–антенну.

Справка

Такой тип антенн (см. Рис. 5) с середины 40-х годов с успехом практиковался в войсковой мобильной КВ радиосвязи многих стран, в том числе и СССР. Рабочий диапазон частот — 1,5-12 МГц. Непосредственным участником разработки этой антенны в армии США был Т. Хард. Он дал новую жизнь изобретению Н. Тесла, которую в среде DX-менов категорично отвергают. Их понять можно, ведь этот диполь нетрадиционен и похож на недоработанную модель автомобиля, а DX-менам нужно участвовать в «гонках» без риска. Не стоит скрывать, что есть и другие причины, — Т. Хард представил принцип действия ЕН-антенны в рамках нетрадиционной теории. Вместе с тем, большинству радиолюбителей-экспериментаторов данный тип антенн очень интересен, и его относят к числу экспериментальных и даже мобильных антенн. Что касается схожести запатентованных конструкций Н. Тесла и Т. Харда, то это вызывает лишь улыбку. Что ж, диполь Герца тоже имел своих последователей, это длинный ряд вибраторных антенн, таких как диполь Надененко, антенна Бевереджа, Уда-Яги и пр. Таким образом, каждый из нас вправе внести свою лепту в развитие емкостных антенн и оставить потомкам свое имя в антенной технике.

Современная ЕН-антенна Т. Харда и ее схожесть с диполем Тесла

Так что же представляет из себя ЕН-антенна Т. Харда? Это по сути та же антенна емкостного типа, один в один схожая с диполем Тесла, см. рис. 5а и 5б., разница заключается лишь в месте размещения катушки L2, и это справедливая заслуга Теда, ведь в точке создания электромагнитного поля среда должна быть свободна от вихревых полей создаваемых катушкой индуктивности.

Здесь вместо земли и сферы используется два цилиндра, которые и создают открытую емкость излучающего конденсатора.

Проводя равенство между диполем Тесла и ЕН-антенной Т. Харда, можно придти к следующему определению: ЕН-антенна — это высокодобротный последовательный колебательный контур, где емкость С является открытым элементом, который осуществляет связь со средой. Индуктивность L является закрытым резонансным элементом, он работает как компенсатор малой реактивной составляющей емкостного излучателя.

С этими антеннами можно ближе познакомиться на: http://ehant.narod.ru/book.htm.

Итак, мы пришли к выводу, что диполь Н. Тесла и ЕН-антенна Т. Харда — это совершенно одинаковые антенны, их отличают лишь конструктивные различия. Из теории последовательного колебательного контура мы видим, что в данной антенне должно соблюдаться условие последовательного резонанса. К сожалению, на практике трудно выполнить условия точного фазирования, хотя и возможно. Т. Хард об этом умолчал, но предусмотрел это и предложил несколько вариантов для фазировки антенны так называемой «входной катушкой». По сути это реактивный L–элемент, хотя в некоторых конструкциях используют и фазирующие LC–элементы на основе трансформатора Бушеро-Шери.

Краткое рассмотрение энергетики в пользу диполя Тесла

По утверждению приверженцев ЕН-антенн, синфазность излучения полей Е и Н имеет место и играет немалую роль в помехозащищенности.

Это справедливо, т.к. вектора Е и Н в силу своей синфазности складываются, а отношение сигнал к шуму возрастает в 1,4 раза или на 3 Дб уже в ближней зоне антенны, что не так уж и маловажно.

Если в некоторый момент времени зарядить конденсатор C до напряжения V₀, то энергия, сосредоточенная в электрическом поле конденсатора, равна:

где:
С — ёмкость конденсатора.
Vo — максимальное значение напряжения.

Из приведенной формулы ясно, что напряжение среды Ес в данной антенне прямо пропорционально емкости открытого конденсатора умноженное на квадрат приложенного напряжения... И это напряжение вокруг излучателя антенны может составлять десятки и сотни киловольт, что немаловажно для рассматриваемого излучателя.

Рассматриваемый тип антенны является высокодобротным колебательным контуром, а добротность колебательных контуров значительно больше единицы, то напряжение, как на катушке индуктивности, так и на обкладках конденсатора превышают напряжение приложенное к цепи в Q раз. Не случайно явление резонанса напряжений используется в технике для усиления колебания напряжения, какой либо частоты.

Из теории антенн мы знаем, что для создания необходимого поля, нужны объем и добротность. Уменьшив размеры диполя Герца (Рис. 6а) до размеров рассматриваемых излучателей антенны, к примеру, в 10 раз, во столько же раз уменьшилось расстояние между обкладками конденсатора СС, и соответственно действующая высота h_д. Объем ближнего поля Vo уменьшился в 1000 раз (рис. 6б).

Теперь придется включить «компенсирующую» катушку L с добротностью значительно более 1000 и настроить антенну в резонанс. Тогда из-за большой добротности напряжение на цилиндрах СС возрастет в 100 раз, а собственное поле Vo антенны между цилиндрами — в Q, т. е. в 1000 раз!

Таким образом мы имеем теоретическую вероятность того, что поле диполя Тесла равно полю диполя Герца. Что соответствует утверждению самого Г. Герца.

Тем не менее, все выглядит хорошо только в теории. Дело в том, что на практике высокой добротности катушки Q?1000 можно добиться только специальными мерами, да и то только в режиме приема. Следует также обратить особое внимание на повышенную концентрацию электромагнитной энергии в диполе Тесла (ЕН–антенне), которая расходуется на нагрев ближнего пространства и вызывает соответствующее падение КПД антенны в целом. Именно по этим причинам одиночный диполь Тесла при равных условиях подвеса имеет меньшее усиление, чем диполь Герца, хотя имеются и другие утверждения. Если диполь изготовить с немецкой педантичностью и американской уверенностью, может так оно и получится.

В связи с вышесказанным хочется отметить, что антенна Т. Харда — это не вымысел, это достаточно высоко отработанная модель, но которую еще можно и нужно усовершенствовать. Здесь, как говорится, «КОНЬ НЕ ВАЛЯЛСЯ». Пусть Тед не смог донести до нас истинной теории работы его индивидуальной разработки. В конце концов, это всего лишь Т. Хард с усовершенствованной конструкцией диполя Н. Тесла. Да это и не важно! Важно то, что есть возможности идти дальше по этому пути. Пусть следующая разработка антенны будет от Иванова, Сидорова или Петрова!

В тексте были использованы материалы экспериментов. К. Максвелла, работы Н. Тесла, интересные статьи профессора В. Т. Полякова, издания таких известных авторов, как Г. З. Айзенберг, К. Ротхаммель, З. Беньковский, Э. Липинский, материалы Интернет и разработки Т. Харда.

73! UA9LBG & Радио-Вектор-Тюмень
E-mail: ua9lbg@yandex.ru & radio-vector@mail.ru

P.S.: Автор будет признателен тем, кто работает в этом же направлении и опубликует свои новые наблюдения на этом сайте.