Помоги проекту - поделись книгой:
Понятие волны — одна из самых интересных находок физики XIX века. Волна — распространение возмущения, вызванного какой-либо причиной (плотностью, давлением или электрическим и магнитным полями) в среде (воде, воздухе, металле или даже вакууме), предполагающее перемещение энергии без перемещения материи (см. рисунок 3). Материя не перемещается, но происходят ее колебания, передающиеся смежной материи, так что эффект распространения волны проходит некоторое расстояние. Простой пример для понимания волн — подземные толчки. Толчок представляет собой волны, передающиеся со скоростью 20000-30000 км/ч. Когда колебания от толчка ощущаются через несколько минут за пять тысяч километров от эпицентра, очевидно, что это не материя преодолела такое значительное расстояние, то есть колебание не принесло с собой никакой материи из эпицентра землетрясения.
Колебательное движение частицы, обладающей электрическим или магнитным зарядом, вызывает возмущение вокруг нее, то есть волну. Эта волна зависит от скорости, с которой движется частица, потому что она определяет амплитуду и расстояние между началом и концом волны.
В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором говорилось также о теории силовых линий Фарадея и доказывалось наличие неразрывных связей между этими двумя областями. На самом деле существует только одно поле, объединяющее электрические и магнитные явления, — электромагнитное. Из этого можно сделать несколько важнейших выводов: изменение интенсивности электрического тока вызывает электромагнитное возмущение, распространяющееся в виде волн. Переменное электрическое поле передает свое возмущение магнитному полю, которое, в свою очередь, индуцирует переменное электрическое поле: так, после многочисленных повторений, возмущение распространяется во всех направлениях. Электрические и магнитные волны продвигаются вперед шаг за шагом, перенося энергию, полученную у источника излучения. При появлении нового поля его можно расширить, уменьшить или каким-либо другим способом изменить — в зависимости от того, синхронизированы вершины и ложбины волны или накладываются на другие. Предполагалось наличие широкого спектра электромагнитных колебаний, различающихся по длине волны, то есть по расстоянию между вершинами волны, которые более точно называют «гребнями» (см. рисунок 4).
Максвелл смог рассчитать скорость распространения электромагнитных волн в вакууме и был поражен, обнаружив, что она равна 315300 км/с и совпадает со скоростью света (сейчас принятая величина — 299792 км/с), рассчитанной французским астрономом Ипполитом Физо (1819-1896) в 1849 году. Не могло быть и речи о совпадении. Это означало, что свет является электромагнитной волной, что объединяло оптику с электромагнетизмом. В ту эпоху понять такие вещи было очень трудно.
Эти невидимые волны дразнили исследователей: казалось невероятным, что волна может распространяться в вакууме без какой-либо материальной среды. Тогда ошибочно утверждалось, будто волны являются следствием распространения флюида. Сегодня мы знаем, что механические волны, такие как звук и сейсмическая активность, распространяются в упругой среде, твердой, жидкой и газообразной, но электромагнитным волнам для распространения среда не нужна — они могут распространяться в вакууме. При этом скорость распространения электромагнитных волн в действительности зависит от среды; в вакууме она равна скорости света.
Отец электромагнетизма преждевременно скончался в 1879 году в возрасте 48 лет, не увидев подтверждения своих теорий, хотя это подтверждение было получено довольно скоро — в 1885 году. Когда Герц исследовал длину волны, превышавшую длину волны света, ему удалось получить в лаборатории электромагнитные волны с характеристиками, предсказанными Максвеллом. Герц доказал, что они могут перемещаться со скоростью света даже в вакууме; свет на самом деле был электромагнитной волной. Для своих экспериментов он использовал осциллятор (аппарат, вызывавший периодические колебания электрического тока) и резонатор, улавливавший колебания и присоединявшийся к ним, то есть начинавший колебаться, следуя циклу. Он доказал, что энергия перемещается от одного аппарата к другому через пространство, и даже смог определить форму волны, устанавливая резонатор в разных точках лаборатории. Для эксперимента был использован переменный высокочастотный ток.
В следующее десятилетие многие ученые пытались найти применение герцевым волнам для передачи энергии и сообщений из одного места в другое. Способность таких волн передаваться на расстоянии позволяет им преодолевать длинные дистанции и препятствия. Они могут изменить направление распространения, как свет в воде, а также отталкиваться или отражаться, как свет в зеркале. Употребляя точные термины, мы можем назвать данные свойства отражением, рефракцией и дифракцией волн. Многие осознавали потенциал их применения в различных областях. Задача заполнить пробелы электромагнитного спектра и найти возможности применения волн занимала ученых на рубеже XIX и XX веков.
Электромагнитные волны различаются по своей специфической энергии, которая задается длиной волны и частотой. Кроме того, они могут различаться интенсивностью излучения. Электромагнитный спектр объединяет все электромагнитные волны на основе энергетического распределения.
Радиоволны занимают сектор электромагнитного спектра с наименьшей энергией. Длина их волны настолько велика, что они перемещаются без поглощения и рассеивания молекулами воздуха; очень длинные волны даже могут сделать полный оборот вокруг Земли. Поэтому такие волны прекрасно подходят для передачи массовых визуальных и звуковых сигналов с помощью настроенных пар «передатчик — приемник».
Следующую часть спектра занимают микроволны. Несмотря на название, они не так малы, как показывает приставка (10-6); их длина находится в диапазоне от 1 мм до 1 м. Микроволны достаточно длинные для распространения сигналов по воздуху, как и радиоволны, но, в отличие от радиоволн, их можно сконцентрировать в направленный пучок для безопасной и конфиденциальной передачи. В качестве примера возьмем радар, работающий на микроволнах: микроволны отражаются от твердых тел и возвращают передатчику эхо первоначального сигнала, то есть происходит возврат замедленной волны, оказавшей воздействие на тело. Для точной локализации объекта нужно знать скорость распространения волны в воздухе и время, необходимое микроволне для перемещения на расстояние от передатчика до тела, положение которого требуется определить, и возвращения к передатчику.
В средней зоне спектра находится самый известный тип электромагнитного излучения — свет или видимый спектр с длиной волны от 400 до 700 нанометров. Нанометр (нм) равен одной миллиардной части метра, то есть 10-9 метра. Название «видимый свет» может сбивать с толку, потому что если это излучение человек и может видеть, то только потому, что его зрение эволюционировало, чтобы улавливать его. На самом деле многие животные могут видеть не только в этой части спектра. Змеи воспринимают менее энергетические виды излучения, например инфракрасное, длина волны которого — от 0, 7 до 1000 микрометров. С другой стороны, пчелы способны прекрасно видеть более энергетические виды излучения, такие как ультрафиолетовое: длина его волны — от 40 до 15 нанометров.
После диапазона волн, доступных для восприятия человеку и некоторым животным, находится диапазон волн с очень короткой длиной, несущих много энергии. В первую очередь, мы говорим о рентгеновских лучах с длиной волны, равной одной десятимиллионной части миллиметра, то есть одному ангстрему (А); это примерно размер атома. Рентгеновские лучи способны практически насквозь проходить через тело человека, мускулы, органы и так далее, не взаимодействуя с окружающим и не подвергаясь значительному ослаблению; при этом они поглощаются плотными тканями, такими как кости.
Далее следует диапазон гамма-лучей, длина волны которых не превышает размер протона. Это электромагнитное излучение имеет наименьшую длину волны, которую способно измерить определенное оборудование. Подобные лучи характеризуются очень мощной энергетической составляющей до такой степени, что важно контролировать их присутствие около человека, потому что они проникают глубоко в материю и наносят вред ядрам клеток. Возникающие в космосе гамма- лучи не доходят до поверхности Земли, но если, например, какая-нибудь звезда взорвется и превратится в сверхновую на расстоянии 25 000 световых лет от Земли, поток освобожденных гамма-лучей выведет из строя все телекоммуникационные системы нашей планеты (см. рисунок 6).
Космические лучи занимают крайнюю часть спектра, их длина волны самая короткая, а частота — самая высокая. Они являются высокоэнергетическими субчастицами, и их происхождение до сих пор спорно. При этом подтверждено наблюдениями, что Солнце испускает космические лучи, обладающие более низкой энергией. Большая часть таких лучей отклоняется магнитным полем Земли, и они не достигают поверхности планеты, однако это не означает, что их эффект не заметен. В ходе реакции с азотом в верхних слоях атмосферы они образуют углерод-14 — радиоактивный изотоп углерода, использующийся для датировки органических образцов. При отклонении магнитным полем от поверхности Земли лучи скапливаются на полюсах, где вызывают ионизацию атмосферы, которая, в свою очередь, является причиной невероятно зрелищных северных сияний.
Тесла был убежден в большом потенциале герцевых волн. Уже в те годы, когда он осмысливал понятие вращающегося магнитного поля (до экспериментов Герца), Тесла описывал Вселенную как «симфонию переменных токов» широкого спектра: его переменный ток в 60 Гц был нижней точкой, восходящая от которой линия достигала значений в тысячи миллионов герц. Изобретатель был уверен, что для понимания и освоения космоса необходимо глубоко изучить необъятную территорию электрических колебаний.
Благодаря триумфу, связанному с переменным током, в десятилетие блеска своего гения Тесла имел достаточно финансовых возможностей, чтобы целиком погрузиться в исследования, для которых ему требовалось доработать используемые им инструменты и прототипы. Чтобы добиться очень высоких значений мощности — порядка нескольких мегаватт, — он разработал знаменитую катушку, носящую его имя. Это высокочастотный резонансный трансформатор, быстро ставший незаменимым устройством во всех научных лабораториях, так как он позволяет усилить слабые волны простейшей цепи Герца и выдерживает токи практически любого напряжения.
Тесла разработал разные модели, испытывая много всяких конфигураций. Обычно катушки Теслы вырабатывают ток радиочастот очень высокого напряжения, и благодаря этому в воздухе можно увидеть потрясающе зрелищные электрические разряды, достигающие нескольких метров. С точки зрения современных технологий напряжение катушек Теслы совсем невелико, но в ту эпоху они намного превосходили имевшиеся в распоряжении источники высокого напряжения — электростатические машины.
В первых устройствах использовался разрядник (по- английски spark-gap), состоящий из двух противопоставленных, как правило сферических электродов: между ними образовывался разряд при подаче на них напряжения, которое начинало превышать определенную величину электрической прочности воздуха, соответствующую расстоянию между электродами.
Искра вылетает из разрядника с очень высоким напряжением, порядка нескольких тысяч вольт (хотя данная величина зависит от степени разведения электродов), поэтому для питания контура необходим источник с высоким напряжением. В эпоху, когда Тесла разрабатывал первые катушки, единственным имеющимся источником высокого напряжения была индукционная катушка Румкорфа — предшественница современных трансформаторов, генерирующая высокое напряжение и пульсирующий ток от исходного постоянного тока. Эту катушку придумал в 1851 году французский инженер немецкого происхождения Генрих Даниэль Румкорф (1803-1877), хотя тогда переменный ток практически не использовался.
Первая часть катушки Теслы состоит из обычных элементов катушки Румкорфа (см. рисунок 7). Питание идет от основного источника постоянного тока (G), а вторичная обмотка (S) подключена к двум конденсаторам высокого напряжения (С). Стойки разрядника (А В) располагаются параллельно катушке перед конденсаторами, а контакты разрядника — металлические шарики диаметром меньше 3 см (хотя Тесла использовал для разрядников разные материалы и формы). Конденсаторы состоят из подвижных пластин, опущенных в масло. Чем меньше пластины, тем больше генерируемая частота первых катушек (так как емкость конденсатора меньше). Пластинки, кроме того, помогают компенсировать высокую самоиндукцию вторичной обмотки, добавляя ей емкость. Также на разрядник установлены пластинки из слюды (М), чтобы с их помощью получить поток воздуха, который тушит электрическую дугу, когда уменьшается напряжение между электродами и разряд становится более резким.
С этого места начинается то, что считается непосредственно катушкой Теслы. Конденсаторы катушки Румкорфа соединены с цепью из двух обмоток (р), разделенных разрядником (b) и разделителем из твердого каучука. Каждая из обмоток выполнена из 20 витков проволоки, покрытой изолятором из каучуковых трубок толщиной 3 мм. Напротив обмоток первичной цепи находится вторичная обмотка (s), значительно более длинная, чем другие. Она состоит из 300 витков металлической проволоки, покрытой шелком и обернутой каучуковой трубкой, а концы ее вставлены в стеклянные трубки. К ним подключены электроды (К), в последующих моделях замененные тороидом, который часто идентифицируют с катушкой Теслы (см. рисунок 8 на следующей странице).
В позднейших устройствах катушка Румкорфа не использовалась, питание шло от высокочастотных трансформаторов с применением нескольких конденсаторов из бутылочного стекла, погруженных в масло, чтобы избежать потерь от разрядов. В отличие от обычных трансформаторов, в которых увеличение напряжения ограничено соотношением количества витков на первичной и вторичной обмотках, в катушке Теслы напряжение пропорционально квадратному корню соотношения первичной и вторичной индуктивности в связи с применением электрического резонанса.
Идея о том, что необходимо погрузить высоковольтную установку в масло для изоляции, быстро распространилась и стала универсальной системой изоляции для всех аппаратов высокого напряжения. Для уменьшения сопротивления обмоток, значение которого увеличивается вместе с частотой до такой степени, что может стать сильным ограничивающим фактором для высоких частот, Тесла использовал закрученные проводники с двумя отдельными изолированными проводами. Ему постоянно не хватало времени запатентовать свои аппараты и методы, так что и эта находка распространилась, не предоставив своему создателю никаких выгод, а через несколько лет уже другие люди стали ее продавать. Скрученный провод сегодня известен как литцендрат.
Тесла разработал несколько катушек: одни — большие для высокого напряжения, другие (новые конфигурации катушек) были сделаны специально для распространения токов и колебаний по окружающей среде от одной точки в пространстве до другой, находящейся далеко. Были и катушки, принимающие передаваемые сигналы. Использование катушек в качестве передающих и принимающих устройств стало отправной точкой для исследований возможности радиопередач. В начале 1890-х годов Тесла смог создать устройства для генерирования и улавливания радиоволн, хотя это достижение обычно связывают с именем Гульельмо Маркони (1874-1937).
Катушки Теслы для передачи сигнала на расстоянии стали прообразом первых беспроводных радиоаппаратов — искровых передатчиков. Искры, возникающие на электродах катушек Теслы, создают короткий импульс радиочастоты (РЧ) из-за самоколеблющегося разряда, который вызывается при накоплении заряда конденсатором. В искровых беспроводных передатчиках вторичная обмотка подключена к длинному проводу, подвешенному в воздухе и используемому как передающая антенна. Электрические характеристики (индуктивность и емкость) вторичной обмотки и антенны определяют частоту испускания сигнала искровым передатчиком.
Для приема сигнала Тесла применял схожую с передатчиком катушку, используя взаимоиндукцию. Электрическое поле, создаваемое катушкой-передатчиком, могло индуцировать ток в катушке-приемнике, находящейся на расстоянии. После улавливания сигнала вторичной обмоткой приемника он использовался как трансформатор напряжения для того, чтобы получить на выходе первичной обмотки меньшее напряжение и большую силу тока.
В результате этих экспериментов весной 1893 года Тесла представил детальный доклад о принципах радиосвязи в Институте Франклина в Филадельфии. Через некоторое время в Сент-Луисе, перед членами Национальной ассоциации электрического света, он провел первую экспериментальную демонстрацию системы радиосвязи — со всеми элементами, которые впоследствии использовали в усовершенствованных версиях другие изобретатели. Все это происходило за три года до экспериментов Маркони. Именно Тесла впервые описал основные компоненты радио. Это антенна, заземление, контур земля- воздух для настройки, установка для получения сигнала и еще одна — для передачи сигнала, которые должны были быть настроены на одну частоту, а также устройства для улавливания волн.
Тесла в своих идеях относительно радио шел не совсем по верному направлению. Для экспериментов он использовал те же принципы и то же оборудование, что и для беспроводной передачи электрической энергии. Он считал, что радио основано на проводимости, а не на излучении, и что передача и прием могут быть достигнуты при электрическом резонансе и емкостных разрядах. Изобретатель часто оказывался в плену более общих рассуждений из-за пристрастия к простоте, контрастировавшей с невероятной амбициозностью его проектов.
На самом деле изобретение радио невозможно приписать какому-то одному исследователю. Над вопросом одновременно работали несколько ученых, они проводили демонстрации своих результатов и получали патенты. В 1894 году, после демонстрации Теслы, но до Маркони, английский физик Оливер Лодж (1851-1940) стал первым человеком, передавшим телеграфный сигнал без проводов, используя герцевые волны, на расстояние 150 м. Лоджу удалось сделать передатчик и приемник: таким образом он передал сигнал с помощью азбуки Морзе между двумя зданиями в Оксфорде.
Два года спустя, в 1896-м, молодой Гульельмо Маркони представил в Лондоне беспроводной передатчик, аналогичный тому, который был у Лоджа. Аппарат включал заземление и антенну, с его помощью Маркони провел простейшие эксперименты в Болонье. Скоро он увидел, что его оборудование как две капли воды похоже на аппараты Теслы, представленные в 1893 году, — подробные данные о них были опубликованы на разных языках.
Затем, когда разгорелся конфликт относительно авторства изобретения, Маркони отрицал, что прочел статьи про систему Теслы. Однако на самом деле вряд ли он оставался в неведении, поскольку на лекции, прочитанной Теслой в Лондонском королевском обществе в 1892 году, присутствовал и инженер- электрик Уильям Генри Прис, который в тот момент как раз занимался проектом системы беспроводного телеграфа для британской почты, а затем стал работать и тесно общаться с Маркони. В своем убеждении, что знание должно служить человечеству, Тесла на лекции рассказал о своих последних экспериментах, которые включали также изобретение радио. Он ловко обошел некоторые моменты, но опытный инженер в данной сфере мог без особого труда заполнить лакуны.
Когда Маркони в 1901 году передал радиосигнал через Атлантику, букву S на азбуке Морзе, прошедшую путь с Новой земли (Канада) до Корнуолла (Соединенное Королевство), то для своего оборудования он использовал 14 патентов, зарегистрированных Теслой и включавших описание ключевых устройств для системы радиопередачи. Вопрос о том, кто первым придумал радио, годы спустя вновь заставил разгореться жаркие споры, но об этом мы поговорим далее.
В 1860-е годы группа физиков из Боннского университета начала исследование природы свечения вакуумных трубок Гейслера и обнаружила, что когда электрический ток движется между электродами — от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду), — то по прямой траектории проходят некоторые лучи. Эти лучи были названы катодными. Было доказано, что они могут проецировать объекты, тени. Между 1869 и 1875 годами британский ученый Уильям Крукс (1832-1919) внес изменения в вакуумную трубку, создав внутри нее более совершенный вакуум, и более глубоко исследовал природу катодных лучей. В одном из своих опытов Крукс разместил в трубке мальтийский крест, и на задней стенке трубки в флуоресценции, возникающей при столкновении лучей со стеклом, возникла четкая тень (проекция) креста (см. рисунок 9). При использовании фотопластинок трубка Крукса делала нечеткие снимки, но данное явление английский ученый мало исследовал.
Тесла, пораженный феноменом, обнаруженным им во время экспериментов с фотографиями, которыми он занимался со своим другом Марком Твеном, начал сопоставлять результаты и изучать работы Крукса, что привело его к исследованию катодных лучей. Для этого Тесла разработал собственную трубку — однополярную лампу, имеющую только один электрод. Когда на него поступало высокое напряжение от одной из катушек, от электрода исходил пучок катодных лучей, сталкивавшихся со стеклянной стенкой.
После разработки своего варианта трубки Крукса Тесла заметил, что в точке столкновения лучей со стенкой или на аноде в биполярной трубке возникают «невидимые лучи», оставляющие «аномальные отметки и образы». Его догадка оказалась удивительной. Будущие трубки рентгеновского излучения следуют такому же принципу. Говоря языком современных терминов, катодные лучи представляют собой поток электронов. Это стало понятным после длительной серии экспериментов, в том числе с магнитным полем. Когда электроны достигают стеклянной стенки, то резко останавливаются, и сильное торможение вызывает высокочастотные электромагнитные волны, находящиеся в зоне спектра, соответствующей рентгеновским лучам. Такое излучение называется тормозным (нем. Bremsstrahlung).
Никола Тесла первым идентифицировал его и предложил интерпретацию природы данного излучения. В статье, где говорилось о нем, изобретатель заявлял, что катодный поток состоял из мельчайших частиц. Такая мысль открывала для исследователя верный путь к пониманию явления. Квантовая физика в течение еще многих лет занималась описанием свойств элементарных частиц, носителей разных форм электромагнитного излучения и в силу этого ответственных за квантовые проявления электромагнитных явлений, так называемых фотонов.
Тесла открыл, что лучи, невидимые человеческому глазу, могут проходить через человека даже с расстояния нескольких метров, и получил невероятные изображения человеческих тел, которые назвал «тениграммы». Заметив, что некоторые ткани тела меньше пропускают лучи, он предложил использование излучения в медицине, например для того, чтобы определить положение инородных предметов в теле.
В ту эпоху ученые не знали об опасности экспериментов с излучением. Жажда открытий и энтузиазм привели многих исследователей рентгеновских лучей, а затем и радиоактивности к проведению очень вредных для здоровья опытов. Сам Тесла по 40 минут занимался фотографированием своего черепа, после чего у него возникали сонливость, временная потеря памяти и ощущение жжения в голове. Сначала он решил, что излучение может иметь терапевтический эффект и стимулировать работу мозга, но постепенно симптомы становились все более тревожными: раздражение и боль в глазах, ожоги на коже, выпадение волос... Тесла довольно скоро осознал, что излучение не безобидно. Одним из первых он заговорил о трех принципах безопасности при работе с рентгеновскими лучами — расстоянии, времени и защите.
В рентгеновской трубке ток нагревает катод, испускающий электроны, начинается термоионное излучение. Электроны ускоряются из-за разности потенциалов, сталкиваются с анодом и там рассеиваются. Они в основном взаимодействуют с ядрами атомов анода и передают им импульс. Согласно классической физике, заряженная частица в результате ускорения (как в случае электрона при взаимодействии с анодом) должна постоянно испускать электромагнитное излучение. Так как масса ядра значительно превышает массу электрона, он практически не получает энергии. Если Тн — начальная кинетическая энергия электрона, а Тк— конечная, то в процессе торможения в виде тормозного излучения будет рассеяна энергия, равная значению ΔТ:
ΔТ = Тн - Тк.
В тот момент, когда Тесла был поглощен этими ключевыми исследованиями, произошли обстоятельства, замедлившие его быстро продвигающуюся работу. В апреле 1895 года был запущен первый большой генератор гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде, названный именем Теслы и с указанием номеров его патентов, выгравированных на дощечке. План развития проекта реализовывался весьма успешно, с соблюдением всех сроков. Но как часто случалось в жизни Теслы, счастливые моменты достижений приходили одновременно с несчастьями:
13 марта того же года, ночью, в 02:35, начался пожар на первых этажах дома 33-35 по Пятой авеню. Пламя быстро распространялось, пятиэтажное здание запылало и обрушилось. Лаборатория Николы Теслы находилась на пятом этаже.
Поделиться книгой: