УНИПОЛЯРНОТО ДИНАМОДизайнът на Тесла се различавал от този на Фарадей по два основни начина. Първо, той използвал магнит, който бил по-голям от диаметър на диска, така че магнитът покривал диска. Второ, той разделил диска на отделения чрез спирални прорези, направени от центъра навън към външния ръб.
Униполярният генератор на ТеслаПри Фарадеевия униполярен генератор "възбуденият поток", както отбелязва Тесла, "следователно няма изцяло да премине през външната верига... и... определено, по-значителната част от генерирания поток няма да се прояви външно...". Като направил така, че магнитът напълно да покрива диска, Тесла усвоил повърхността на целия диск за целите на електрическото генериране, вместо само онази малка част от него, директно приближена до магнита, както е при Фарадеевото устройство. Това не само, че увеличава количеството на генерираното електричество, но, като кара потока да протича от центъра към външния ръб, прави целия този поток достъпен за външната верига.
По-важното е, че тези модификации върху Фарадеевия дизайн елиминират един от най-големите проблеми във всяка физическа система - противодействието на всяко действие. Точно това противодействие работи в посока противопоставяне на всяко усилие, положено с цел възбуждане на началното действие. В една електрическа система, ако има два оборота намотана жица един до друг, и ако по жицата се пусне да протича електрически поток, токът, протичащ през първия оборот, ще възбуди магнитно поле, което ще действа против потока, протичащ във втория оборот.
Спиралните отделения на диска карат потока да изминава пълния радиус на диска или, както е при алтернативната му версия на генератора, да прави пълна обиколка по външния ръб на диска. поради това, че потокът протича в голям кръг по ръба на диска, магнитното поле, създадено от потока, не само че не работи против постоянния магнит над кръглата плоча, както е при конвенционалните генератори, но в действителност подсилва магнита. Така че, когато диска прерязва магнитните силови линии, за да произведе електрически поток, същият този поток, който идва от диска, подсилва магнита, което му позволява да произведе дори още повече ток.
Както конвенционалните генератори на прав ток, униполярното динамо също функционира и като мотор, ако по диска се пусне ток, докато е под магнита, и това изглежда е последният елемент, който може да направи устройството самоподдържащо се, тоест, способно да генерира ток, след като е разкачено от външния източник на движение, като например падаща вода.
Въртенето се стартира, да кажем, от мотор, захранван с електричество от мрежата. И генератор и моторен диск са монтирани в метален корпус. Когато дискът развива скорост, се произвежда електрически поток, който на свой ред подсилва магнитите, които карат още още повече ток да се възбуди в диска. Този електрически поток, най-вероятно, първо се насочва към моторния диск, което увеличава скоростта на системата. В определен момент скоростта на двата диска е достатъчно висока, така че магнитното поле, създавано от потока, да има силата да поддържа въртенето на динамото/мотора от само себе си.
Какъв процес може да е поддържал оперирането на униполярното динамо след захраненото стартиране, е спекулация към този момент, само че са важни две характеристики на генератора. Първо, когато към веригата се прибави съпротивително натоварване, като крушка например, това намаля волтажа в центъра на диска. Този по-нисък волтаж в центъра означава, че се увеличава разликата във волтажа между центъра и външния ръб на диска, в сравнение с потенциалната разлика преди добавянето на крушката. С увеличаването на разликата между центъра и външната обиколка, динамото работи по-усилено и произвежда повече електрически поток. Второ, и още по-важно, динамото се ниждае или от много малко, или не се нуждае от никаква енергия, за да продължава да работи, защото електрическият поток, идващ от генератора, върши двойна работа. Потокът кара крушката да свети, но по пътя си от генератора до нагреваемата жичка в крушката, той изминава път, който добавя към инерцията на динамото и, следователно, консумира енергия в много малка степен. Процесът продължава, както изглежда, докато топлинните загуби в нагреваемата жичка не се изравнят с енергията на маховика на генератора.
Спрямо критериите на Елсасер за самоподдържащ се генератор, униполярното динамо на Тесла най-много се приближава до условието да по-добър електрически проводник. Не че е използван нов материал, ами е приложена нова геометрия, така че потокът да не създава собствените си опониращи сили. това е подобно, но не е равнозначно, на това да е налице по-добър проводник.
Дали динамото е действително "безгоривен" генератор или не, то определено е гениално постижение на инженерната мисъл, който взима един от основните принципи в природата, че на всяко действие има равно и обратно противодействие, и го обръща на обратно, чрез употр*бата на новаторска геометрия на проводника, и го превръща в реакция, която се добавя към оригиналното действие. Вместо обратната реакция да забавя системата, която я е създала, реакцията добавя енергия към системата.
Тесла, обаче, не го задоволявал този механичен самоподдържащ се генератор. Динамото осигурявало енергията за захранването на единична машина, но неговата визия била да осветява цели градове, и в статията на списание "Век" от 1900г той доразвил теорията за такава машина.
Представете си, предложил той, един затворен цилиндър с малка дупчица в него близо до дъното. Да кажем, че този цилиндър, добавил той, съдържа много малко енергия, но че е поставен в околна среда, която има много енергия. В този случай, енергията ще протича от околната среда, големият енергоизточник, през малкият отвор в дъното на цилиндъра и навътре в цилиндъра, където има малко енергия. Също си представете, че проникващата в цилиндъра енергия се преобразува от една форма в друга, както, например, топлината се преобразува в механична енергия при парния двигател. Ако беше възможно изкуствено да се създаде такава "мивка" за енергията на околната среда, тогава "ние бихме били в състояние да осигурим до всяка точка на земното кълбо продължително захранване с енергия, ден и нощ".
Той продължава, в статията, да описва тази енергийна помпа, но леко променя представата. На повърхността на Земята ние се намираме във високо енергийно ниво и можем да си се представим на дъното на езеро и как водата ни заобикаля точно така, както ни заобикаля енергията в околната среда. Ако в цилиндъра ще се създава "мивка" за енергията, ще трябва да заменим водата, която ще нахлуе в него, с нещо много по-леко от водата. Това може да стане, като изпомпаме водата навън от цилиндъра, но когато водата се влее обратно в него, ние ще можем да извършим същата работа при допускането на водата, каквато сме свършили при изпомпването й навън. "Следователно, нищо няма да спечелим от тази двойна операция, първо повдигайки водата, и след това оставяйки я да падне обратно долу".
Енергията, обаче, може да се преобразува в различни форми, когато преминава от по-висока към по-ниска енергийна плътност. Той казва, "представете си, че водата, когато навлиза в цилиндъра, се преобразува в нещо друго, което може да се извади от него без да се използва никаква, или много малко сила". Например, ако енергията от околната среда се приеме, че играе ролята на водата, кислородът и водородът, изграждащи водата, са другите форми на енергия, в които водата може да се превърне при навлизането си в цилиндъра.
В идеалния случай, цялата вода, вливаща се в цилиндъра, ще се разгради на кислород и водород... и резултатът ще бъде, че водата постоянно ще се влива вътре, но въпреки това цилиндърът ще остане напълно празен, защото формиралите се газове ще го напускат. По този начин ние бихме произвели, като първоначално сме изхарчили определено количество работа за създаването на мивката... в която водата да се излива, едно условие, позволяващо ни да се сдобием с каквото и да е количество енергия без повече усилия.
Тесла разбирал, че никоя система за преобразуване на енергията няма да бъде съвършена, малко вода винаги ще влезе в цилиндъра, но "ще има по-малко за изпомпване, отколкото ще има за вливане, или, с други думи, ще е нужна по-малко енергия за поддържане на първоначалното условие, отколкото количеството енергия, която ще се развива [от вливащата се вода], а това означава, че някакво количество енергия ще бъде добито от околната среда".
Той открил, че това изпомпване можело да се извърши с бутало, "което не беше свързано с нищо друго, но беше свободно да вибрира с огромна честота". това той успял да постигне с "механичния си осцилатор", парно задвижван двигател за произвеждане на високочестотни потоци. Колкото по-бързо работела помпата, толкова по-ефикасна била в извличането на енергия от космоса. ИЗследването на тази идея постигнало кулминацията си при осцилатора, демонстриран на Световния панаир в Чикаго през 1893г. Чак много по-късно, в статията от 1900г, той разкрива: "Тогава разкрих принципите на механичния осцилатор, но оригиналното предназначение на машината се обяснява тук за първи път".
Намотка за електромагнитиСъщо така през 1893г Тесла кандидатствал за патент върху електрическа намотка, която е най-вероятният кандидат за не-механичен наследник на енергийния му екстрактор. Това е неговата "Намотка за електромагнити", патент номер 512,340. това е друг любопитен дизайн, защото, за разлика от обикновенаната намотка, направена като се увива жица в тръбовидна форма, тази се състои от две жици, положени една до друга във форма, но края на първата е свързан с началото на втората.
Сравнение на волтажните придобивкиВ патента Тесла обяснява, че тази двойна намотка ще съхранява много пъти повече енергия от конвенционалната намотка. Предварителните измервания на две спирали с еднакъв размер и с еднакъв брой обороти, едната от единичен, другата от двоен проводник, показват разлика в развивания волтаж. На фигурата, горната крива е от дизайна на Тесла, а долната е произведена от намотка с единичен проводник. Патентът, обаче, не подсказва в какво може да се състои тази необичайна способност на намотката.
В статията в списание "Век" Тесла сравнява извличането на енергия от околната среда с работата на други учени, които, по онова време, се били учели как да кондензират атмосферните газове в течно състояние. Той особено цитира работата на някакъв доктор Карл Линде (Karl Linde), който открил, както Тесла го описва, "само-охлаждащ се" метод за втечняване на въздуха. Както казва Тесла, "Това беше единственото експериментално доказателство, от което имах нужда, за това, че енергията от околната среда може да се добива по начина, който си мислех".
Втечняващият кондензатор на ЛиндеВтечняването на въздуха по метода на Линде <- линк
Това, което свързва работата на Линде с електромагнитната намотка на Тесла, е че и двете използват двоен път за материала, с който работят. Линде имал компресор за изпомпване на въздуха до високо налягане, оставял налягането да спадне, докато въздухът се предвижвал през тръба, след което използвал изстудения въздух, за да намали температурата на влизащия въздух, като го карал да се движи наобратно на първата тръба по втора тръба, съдържаща първата. Вече изстуденият въздух добавял към изстудителния процес на машината и бързо кондензирал газовете до течно състояние.
Намерението на Тесла било да кондензира енергията, хваната между земята и горната атмосфера и да я превърне в електрически поток. Той си представял Слънцето като огромна топка електричество, положително заредено, с потенциал от около 200 милиарда волта. Земята, от друга страна, е заредена с отрицателно електричество. Гигантската електрическа сила между тези две тела се състояла, поне отчасти, от това, което наричал космическа енергия. Тя се променяла от нощ към ден, от сезон към сезон, но винаги е налична.
Положителните частици са спирани в йоносферата и между нея и отрицателните заряди в земята, едно разстояние от около 100 км, има голяма разлика във волтажа - нещо от рода на 360 000 волта. Понеже газовете на атмосферата действат като изолатор между тези противоположни хранилища на електрически заряди, областта между земята и границата с космоса прихваща голямо количество енергия. Въпреки големия размер на планетата, електрически, тя е като кондензатор, който съхранява положителните заряди отделени от отрицателните заряди чрез непроводим материал като изолатор.
Земята има заряд 90 000 кулона. С потенциал 360 000 волта, Земята представлява кондензатор с 0.25 фарада (фарад = кулон/волта). Ако формулата за изчисляване на енергията, съхранявана в един кондензатор (E = 1/2CV2) се приложи към Земята, се оказва, че околната среда съдържа 1.6 x 1011 джаула или 4.5 мегават-часа електрическа енергия.
За да черпи от този енергиен склад, Тесла трябвало да постигне две неща - да направи "студена мивка" в енергията от околната среда и да измисли начин, по който да направи "мивката" самоизпомпваща се. За да се обясни как може да е действал този процес, отново е нужна спекулация.
Такава "мивка" ще трябва да е била в по-ниско енергийно състояние спрямо заобикалящата я среда и, за да може енергията продължително да се излива в нея, "мивката" ще трябва да е поддържала състоянието си на ниска енергия, докато е отговаряла на подходящите изисквания на натоварването (консуматора), свързан с нея. Електрическата енергия, ват-секундите, е продукт на волтите, умножено по амперите, умножено по секундите. Тъй като периодът на осцилациите не се променя, или волтажа (напрежението, налягането), или амперата (дебита, потока) е трябвало да бъде променливата в енергийното уравнение на намотката.
При това, двойната намотка максимизира волтажната разлика между оборотите си, затова е вероятно потока е бил това, което се е минимизирало, за да се произведе ниско енергийно състояние в намотката. За да бъде намотката отначало "празна" и с ниска енергия, тя трябва да е работела с висок волтаж (налягане) и много малко количество заряд (дебит).
Намотката, тогава, ще да е била вкарвана в осцилиране на резонансната си честота, за което ще да се е ползвал външен енергоизточник. По време на част от цикъла й, спрямо земното електрическо поле намотката ще изглежда като една плоча на кондензатор. С увеличаването на волтажа през намотката, количеството заряд, което ще може да "изпере" от по-енергичното земно поле, ще се увеличи.
Енергията, поета в намотката - през "малкия отвор", който изглежда представлява атомната структура на проводника според физиката от времето на Тесла - е "кондензирана" в положителни и отрицателни компоненти на електрически поток, едно по-ниско енергийно състояние спрямо полето-източник.
Потокът е равен на водата, преобразувана в газове в Тесловото описание на самодействащия двигател. Потокът "бяга" от "мивката" към какъвто там консуматор е включен през намотката. Движението на потока към натоварването (консуматора) би произвело силно магнитно поле (констатираното намерение на патента), което, когато се срути, отново, би произвело висок потенциал, "мивка" от нисък заряд, която да се скачи с електрическото поле на Земята.
Поради това, че вливащата се енергия извършва двойна функция, подобно на униполярния генератор, подаването на поток към консуматора и спомагането на изпомпващото действие, енергийният разход на системата при предвижването на заряд би бил нисък, което би позволило на системата да се сдобие с повече енергия от околната среда, отколкото изразходва за оперирането си. Намотката не иска никаква допълнителна енергия от външен източник, за да изпомпва извлечената енергия.
Енергията би идвала директно от Слънцето.
По-модерен прочит на такова устройство, в случай че се окаже, че оперира по теоретично описания начин, би било описанието, че това е себе-осцилираща система. Веднъж след като устройството е приведено в осцилация, много малко енергия се изразходва за задвижване на консуматора. поради това, че това е електро-статично осцилираща система, само малко количество заряд се движи през консуматора всеки цикъл, кулоните за секунда = амперите са малко. Ако зарядът се използва при ниска честота, енергията, съхранявана в кондензаторната система ще се преобразува в топлина бавно, което ще позволи на осцилациите да продължават за дълъг период от време.
Предвид видната си позиция в научния свят по онова време, любопитно е защо изобретението на Тесла не е комерсиализирано или защо поне не е било обект на повече публикации. Икономиката, а не науката, явно е била основният фактор. Възприемането на променливия ток е срещнало противопоставяне от мощни за времето финансисти. Майкъл Пупин, друг водещ електрически научен изследовател в края на века, отбелязва в своята автобиография:
...капитаните на индустрията... се страхуваха, че ще трябва да хвърлят за скрап част от апаратите си за прав ток, както и плановете за произвеждането им, ако системата за променлив ток получи подкрепа... невежеството и предразсъдъците победиха в началото на 90те години, защото капитаните на индустрията обръщаха малко внимание на високо квалифицираните учени.
Патентите на Тесла за електрически генератори и мотори били връчени в края на 1880-те години. По време на 1890-те голямата енергийна индустрия, в лицето на Уестингхаус и Дженерал Електрик, дошла на власт. При десетки милиони долари, инвестирани в планове и съоръжения, индустрията нямало току-така да изостави много доходоносната технология, която била само на десет години, заради поредната нова технология.
Тесла видял, че от самодействащия генератор можело да се направят печалби, но някъде в тези мисли, той осъзнал, че устройството щяло да има негативно влияние върху света. В края на главата в списание "Век", в която описва своя нов генератор, той пише:
Работих дълго време с пълното убеждение, че практическата реализация на метода за добиване на енергия от Слънцето ще има неизчислима индустриална стойност, но по-задълбоченото изучаване на този въпрос разкри факта, че въпреки че обоснованите ми очаквания биха били комерсиално доходоносни, това няма да е в твърде голяма степен.
Години по-късно, през 1933г, той е по-остър в коментарите си за обявяването на неговия безгоривен генератор. Във филаделфския "Публик Леджър" от 2 ноември има интервя на Тесла под заглавие "Тесла "черпи" космическа енергия". В него той е "Попитан дали внезапното обявяване на неговия принцип ще обезпокои настоящата икономическа система, доктор Тесла отвърна, "Тя вече е дълбоко обезпокоена". Той добави, че сега както никога преди е назряло времето за развиване на нови ресурси".
Вече минаха почти 100 години, откакто Никола Тесла обяви радикално нов метод за произвеждане на електричество. Нуждата за развиване на нови ресурси е още по-голяма днес, отколкото в края на последното столетие. Може би тези пренебрегнати изобретения ще направят визията му за "увеличаване на човешката енергия чрез употребяване на Слънчевата енергия" реалност.
Благодарности
Благодарности на г-н Джон Рацлав от Милбре, Калифорния, за това че щедро сподели разнообразни материали относно Тесла и помогна за формирането на това издание.
