Знаменитый изобретатель, гений своего времени Никола Тесла родился 10 июля 1856 года. В день его рождения Нина Любимова, старший преподаватель кафедры прикладной физики Пермского Политеха, рассказала о самых интересных его изобретениях, объяснила принцип их работы и как они нашли себя в современном мире.
Катушка Теслы
Механизм основан на резонансных стоячих электромагнитных волнах. Состоит из первичной и вторичной проводниковых катушек. Первичная обмотка содержит небольшое количество витков, конденсатор и искровой промежуток, которые обязательно заземленные. Вторичная обмотка — прямая катушка. При совпадении частот колебаний первичной обмотки с собственными колебаниями вторичной возникает резонанс, формируя высокое переменное напряжение между концами катушки — так возникает молния.
Никола Тесла использовал конденсатор для питания первичной обмотки, вызывая резонанс во вторичной. Подбор частоты тока и материала для вторичной обмотки критически важен для увеличения напряжения.
— Принцип можно пояснить на примере маятника с тяжелым грузом. Если вводить его в движение, толкая в какой-то определенный момент в одной точке, то амплитуда будет расти по мере увеличения усилия. Но если найти точку, в которой движение будет входить в резонанс, то амплитуда будет увеличиваться многократно. В случае с маятником она ограничена параметрами подвеса, но если мы говорим о напряжении, то расти оно может чуть ли не бесконечно. В обычных условиях наблюдается рост напряжения в десятки и даже сотни раз, достигая миллионов вольт даже в далеко не самых мощных приборах, — объясняет Нина Любимова.
Катушка Теслы изначально разрабатывалась для беспроводной передачи энергии на расстояние. Но развитие этой технологии ограничено из-за потенциальной опасности для электроники:
— Катушка Теслы может спалить всю электронику на очень большом расстоянии. Даже простейшие макеты, которые делаются в домашних условиях, могут вывести из строя домашние бытовые приборы, не говоря уже о действительно мощных установках, — отмечает ученый Пермского Политеха.
Реальное применение разработки находят только в шоу в качестве спецэффектов. Считается, что их использование безопасно для человека, но при этом оно позволяет создавать красочные фиолетовые молнии, которые можно видеть буквально перед собой. Это выглядит очень эффектно и помогает заинтересовать детей наукой.
Созданные молнии могут показать, где есть повреждение вакуумной системы — они всегда стремятся к месту нарушения герметичности. Это используют в косметологии. Дело в том, что параметры тока в катушке Теслы относительно безопасны для человека и лишь ходят по поверхности кожи, слега «пробирая» ее изнутри.
Приборы, основанные на таком эффекте, позволяют стимулировать и тонизировать кожу, решая некоторые проблемы с венами, морщинами и другими неприятными изменениями. Например, аппараты микротоковой терапии и Дарсонваль. Но пользоваться такими приборами должен профессионал, так как полностью безопасными назвать их нельзя.
Увеличительный передатчик энергии
Ученый ПНИПУ Нина Любимова рассказывает, что это усовершенствованная версия катушки Теслы, которую изобретатель намеревался использовать для беспроводной передачи электрической энергии на большие расстояния.
В 1899 году Тесла заявил, что сделал революционное открытие «земных стационарных волн» — низкочастотных электромагнитных волн, которые образуются в результате отражения ионосферы Земли. Они возникают при взаимодействии между поверхностью планеты с верхними слоями атмосферы, содержащими заряженные частицы. Эти волны могли бы использоваться в качестве проводника и резонировать на определенной частоте.
Увеличительный передатчик вместо разряда электричества предназначен для генерации стоячих волн с использованием естественного резонансного контура (тех самых «стационарных волн») Земли, который может использоваться на расстоянии приемным контуром (новшеством Теслы). В дополнение к двум большим катушкам, увеличительный передатчик имеет третью, которая работает как резонатор. Тесла даже сообщил, что ему удалось привести в действие поле лампочек, расположенных в километре от увеличительного передатчика, и создать вспышки молнии длиной до 40 метров.
Турбина Теслы
— Представляет собой бесступенчатую центростремительную проточную турбину, запатентованную Теслой в 1913 году. Она использует эффект пограничного слоя, а не жидкость, падающую на лопасти, как в обычной турбине. Турбина состоит из набора гладких дисков, при этом сопла направляют движущееся водянистое вещество к краю диска. Она перемещается на диск посредством вязкости и адгезии поверхностного слоя жидкости, при которой ее молекулы, находящиеся в контакте с поверхностью диска, образуют тонкий слой с более высокой плотностью или упругостью. По мере того как жидкость замедляется и добавляет энергию к дискам, она вращается в центр выхлопа, — рассказывает эксперт ПНИПУ.
Турбина может находиться в установке, работающей со смесью пара и продуктов горения, и в которой выхлопное тепло используется для подачи пара. Он попадает в турбину, обеспечивая работу клапана, регулирующего подачу пара таким образом, что давление и температуру можно настроить на оптимальные условия работы. Устройство может работать и как насос, если изменить форму дисков и корпуса.
Именно в качестве насоса изобретение Теслы используют с 1982 года и до сих пор. Для перекачивания жидкостей, которые являются абразивными, вязкими, чувствительными к сдвигу, содержат твердые вещества или трудно добываются иными насосами. Сам Никола Тесла не получил крупного контракта на производство. Главным недостатком его времени было плохое знание характеристик материалов и их поведения при высоких температурах. Лучшая металлургия в тот день не могла предотвратить смещение турбинных дисков и их деформирование во время эксплуатации.
Сейчас устройство Теслы часто используется как турбина, применяемая в электрогенераторах и ветряных установках. Турбина преобразует кинетическую энергию движущегося воздуха или воды в механическую энергию вращения ротора, который затем приводит генератор, производящий электроэнергию.
Индукционный двигатель
Одним из первых его конструкторов также стал Никола Тесла. Это устройство преобразует электрическую энергию в механическую работу. Основным элементом индуктивного электродвигателя является статор, который представляет собой неподвижную обмотку. Внутри статора располагается ротор — вращающийся элемент, который состоит из обмоток и сердечника. Когда на статор подается переменное напряжение, создается меняющееся электромагнитное поле, которое взаимодействует с ротором и вызывает его вращение.
— Преимущества индуктивных электродвигателей заключаются в относительно низкой стоимости, надежности и простоте конструкции. Они обладают высокой энергоэффективностью. Кроме того, они могут работать в широком диапазоне скоростей и обеспечивают плавный пуск и остановку, — добавляет Нина Любимова.
Индуктивные электродвигатели применяются в различных отраслях промышленности. Их часто используют в насосных станциях для перемещения жидкостей, вентиляционных системах для обеспечения притока свежего воздуха в производственные помещения, а также конвейерных лентах для перемещения грузов.
Телеавтоматон — лодка с дистанционным управлением
Никола Тесла разработал лодку с дистанционным управлением еще в конце 19-ого века. Он использовал принципы радиопередачи данных для координации движения этого небольшого судна. Система управления включала передатчик, который отправлял сигналы на приемник, размещенный на борту. Он интерпретировал эти команды, изменял (как нужно) работу двигателей и положение руля.
Тесла провел демонстрацию этой технологии в 1898 году на Электрической выставке в Мэдисон-сквер-гарден в Нью-Йорке. Он продемонстрировал управление движением лодки с помощью радиосигналов, что было значимым достижением для того времени. «Потомками» телеавтоматона стали многие современные устройства с радиоуправлением, например, дроны и другие беспилотные аппараты.
Расстояние, которое могла преодолеть лодка Теслы и поддерживать контакт с пилотом, неизвестно. Сейчас между пультом управления и аппаратом могут быть десятки и сотни километров, все зависит от устройства.
— Отрасль производства беспилотников в наши дни больше заинтересована в улучшении системы безопасности, чем увеличении дальности их работы. В современных моделях, можно выделить тренды, обеспечивающие их преимущества: нейросетевые технологии (бортовой искусственный интеллект), защищенные каналы дальней связи, мультиспектральные сенсоры и инерциальные системы навигации. Передовая робототехника, искусственный интеллект, большие данные и дополненная реальность стали базисом при создании современного дрона, — рассказывает эксперт Пермского Политеха.
Еще один приоритет — мультирубежность. Так обозначают динамическую эшелонированную защиту на базе сквозных цифровых технологий. Ее классические принципы предполагают использование нескольких рубежей безопасности (обнаружения или охраны). Это повышает устойчивость систем безопасности и физической защиты к угрозам.