- Blog -
A Tesla-tekercs feltalálása
Elhallgatott tudomány
2016-12-13
A generátorok kifejlesztése közben Tesla megismételte Hertz elektromágneses hullámokkal végzett kísérleteit, mivel Párizsban „elragadott a lelkesedés tüze, és meglehetősen égtem a vágytól, hogy a saját szememmel lássam a csodát.” Ez a lelkesedés vezetett az egyik leghíresebb találmányához, a Tesla-tekercshez...
Hertz az elektromágneses hullámok előállítása és kimutatása céljából végzett klasszikus kísérleteiben egy nagy teljesítményű indukciós tekercset használt, amelyet egy akkumulátorhoz, egy árammegszakítóhoz és egy szikraközhöz csatlakoztatott. Kísérleteinek értékeléséhez azonban először meg kell értenünk ennek az indukciós tekercsnek a működését. A Ruhmkorff-tekercs néven ismert indukciós tekercsben két tekercselés volt – az egyik vastag huzalból, a másik pedig vékony huzalból készült –, amelyek paraffin vagy guttapercha felhasználásával gondosan el voltak szigetelve egymástól, és egy közös vasmag köré voltak tekercselve. Mint a transzformátorban, a vastag tekercset primer tekercsnek hívták, a vékony tekercset pedig szekunder tekercsnek. Az akkumulátor és az árammegszakító a primer tekercshez csatlakozott, míg a szikraköz a szekunder tekercshez volt csatlakoztatva.
Akárcsak a transzformátor esetében, az indukciós tekercs az áramváltozás hatására nagyfeszültségű szikrákat bocsátott ki. Ezért amikor az árammegszakító nyitotta vagy zárta az áramkört, az akkumulátorból a primer tekercsbe folyó áram mennyisége megváltozott, és emiatt a primer tekercs körüli elektromágneses mező kitágult vagy összement. Mivel a primer tér megváltozott, áramot indukált a szekunder tekercsben. A huzalok eltérő vastagsága miatt a szekunder tekercs sokkal több fordulatot tett meg, mint a primer tekercs, ami nagyban megnövelte a szekunder tekercsben indukált áram feszültségét. Mivel a szekunder tekercsben keletkező feszültség olyan magas volt, ionizálni tudta a levegőt a szikraközben, amely lehetővé tette, hogy egy szikra átüssön a kapcsok között. A gondosan megépített indukciós tekercsek olyan szikrákat bocsátottak ki, amelyek át tudtak ugrani egy tizenhat hüvelyk (40 cm) nagyságú közt. A tizenkilencedik század közepén a fizikusok az elektrosztatikus effektusok tanulmányozásához indukciós tekercseket használtak nagy mennyiségű elektromos töltés előállítására.
De most térjünk vissza a Hertzhez. 1887 előtt több kísérletet végzett egy indukciós tekerccsel, amelyben szikrákat állított elő a szekunder tekercsben, amikor az árammegszakító nyitotta a primer áramkört a berendezésben. Ahogyan a kiváló rádiótörténész, Hugh Aitken emlékeztet bennünket, ezek a szikrák „természetesen hirtelen elektromos áram löketet jelentenek, pontosan azt a fajta elektromos töltésáramlást, amely a Maxwell-egyenletek szerint elektromágneses sugárzást hoz létre.” Hertz észrevette, hogy minden alkalommal, amikor az indukciós tekercsben szikrák keletkeztek, egy szikraközös rézhurok segítségével a laboratórium más részein is ki tudott mutatni szikrákat. A hurok átmérőjének körültekintő meghatározásával és a szekunder tekercsen a szikraköz mindkét oldalán a sárgaréz golyók beállításával be tudta mutatni, hogy a berendezése olyan elektromágneses hullámokat állít elő, amelyek a térben terjednek, és a hurokkal kimutathatók voltak.
1890-ben Tesla megismételte Hertz kísérleteit, és könnyen lehet, hogy Amerikában ő volt az első kutató, aki ezt tette. Tesla nem volt megelégedve a Hertz által használt berendezéssel, ezért megváltoztatta a kísérleti elrendezést. Magától értetődő lépés volt a mechanikus árammegszakító helyett Tesla nagyfrekvenciás generátorának alkalmazása. Ahelyett, hogy a készülék a mechanikai megszakító által termelt néhány száz ciklus per másodperccel működne, miért ne működne inkább az ő generátora által előállított 10-20.000 ciklus per másodperc frekvencián? Tesla hamar felfedezte, hogy a frekvencia növekedésével egyidejűleg a keletkező hő mennyisége is növekedett, ami megolvasztotta a paraffin vagy guttapercha szigetelést a primer és szekunder tekercsek között az indukciós tekercs belsejében. A probléma megoldása érdekében két módosítást hajtott végre. Először is, megszabadult a szigeteléstől és helyette az indukciós tekercsekben légrést iktatott be a primer és a szekunder tekercsek közé. Másodszor, mivel az indukciós tekercsben a vasmag nagyon felmelegedett, újratervezte az általa használt változatot oly módon, hogy a vasmagot oda-vissza lehessen mozgatni a primer tekercsben. Rájött, hogy a mag mozgatásával együtt a primer tekercs induktivitását is be tudja állítani.
Teslának az indukciós tekercsekben gyakran használt kondenzátorokkal meggyűlt a baja. A szekunder tekercs által leadott szikra erősségének növelése érdekében a kutatók (köztük először Armand Hippolyte Fizeau 1853-ban) általában egy leydeni palackot vagy kondenzátort helyeztek keresztben a szekunder tekercs szikraköze köré. A nagyfrekvenciás generátorától eredő gyors pólusváltások alapján Tesla megállapította, hogy ez a kondenzátor gyakran ellensúlyozza a szekunder tekercs öninduktivitását és kiégette a tekercset. Erre válaszul áthelyezte a kondenzátort a berendezésében a generátor és a primer tekercs közé. Továbbá szabályozhatóvá tette ezt a kondenzátort. A kondenzátor és a tekercsek elrendezésével való kísérletezgetés teljesen természetes volt Tesla számára; a segédfázisú motorok kifejlesztése során indukciós tekercsek, ellenállások, és kondenzátorok kombinációját használta a bejövő áram fázisának eltolásához.
Tesla most arra jött rá, hogy a kondenzátor és indukciós tekercs gondos beállításával még magasabb frekvenciaszinteket lehet elérni. Az elektrotechnikai tudomány kutatói kezdetben azt feltételezték, hogy ha a kondenzátor kisül, az elektromos áram csak az egyik lemeztől a másikig folyik, ugyanúgy, ahogy a víz kifolyik a tartályból. Azonban 1856-ban a brit fizikus, Sir William Thomson matematikai úton bebizonyította, hogy kondenzátor kisülés rezgési folyamat. Ahogyan egy függőleges kiegyensúlyozott rugó fel-le mozog, amikor elengedik, az elektromos töltés a kondenzátor lemezek között oda-vissza hullámzik, amíg a tárolt energia disszipál és nagyfrekvenciás áram formájában áthalad az áramkörön.
A kondenzátor kisülés rezgő jellegének teljes mértékű kihasználása érdekében Tesla legközelebb gondosan beállította az indukciós tekercset. Ahogy a kondenzátort a terhelt rugó elektromos megfelelőjének tekinthetjük, az indukciós tekercs az inga megfelelőjének tekinthető. Mivel a primer tekercsen váltakozó áram folyik keresztül, a szekunder tekercsben indukált áram egy maximális és minimális érték között rezeg, ugyanúgy, ahogy a súly a mechanikus ingán ide-oda leng. Tesla felismerte, hogy ha minden elektrosztatikus kisülést vagy „lökést” össze tudná illeszteni úgy, hogy az egybeessen az indukált áram minden egyes maximumával, akkor növelni tudná az indukciós tekercs által termelt áram feszültségét. Ahogyan el tudjuk érni, hogy a mechanikai inga kicsit tovább menjen azáltal, hogy a lendület végén egy kicsit meglökjük, Tesla úgy állította be a kondenzátort és az indukciós tekercset, hogy minden egyes „lökés” akkor történjen, amikor az indukciós tekercsben az áram elérte a maximumát. Ezzel Tesla kihasználta a rezonancia elvét, vagyis hogy az áramkör egy része megerősíti az áramkör másik részét, és így növeli a kimenő értéket. A kondenzátor és az indukciós tekercs beállítása révén keltett rezonancia segítségével Tesla hamarosan olyan áramot tudott előállítani, amely másodpercenként akár harmincezer alkalommal váltakozott. Teslát lenyűgözte az, hogy a rezonancia hogyan okozhat ilyen erőteljes hatásokat, és más lehetőségek után nézett, ahol hasznosíthatná a rezonanciát, és hamarosan ez lett nagyfrekvenciás jelenségekkel kapcsolatos próbálkozásainak új vezérlő elve.
Tesla egyesítette a kondenzátor kisülés rezgő természetével kapcsolatos ismereteit a rezonancia elvével, és megszületett egy találmány, amely olyan áramot állított elő, amelynek a feszültsége és frekvenciája magasabb volt, mint a más berendezések által generált áramé. Ezt a találmányt oszcilláló transzformátornak nevezte el, de ahogy egyre több kutató kezdte el használni, a berendezés Tesla-tekercsként vált ismertté. Az oszcilláló transzformátor alapvető szerepet töltött be Tesla vezeték nélküli energiával kapcsolatos számos későbbi munkájában, és Tesla ezt tekintette az egyik legnagyobb felfedezésének. Később így emlékezett vissza: „Amikor 1900-ban 100 láb (30,48 m) hosszúságú elektromos kisüléseket értem el, és áramot juttattam a földgolyón keresztül, eszembe jutott az első aprócska szikra, amelyet a Grand Street-i laboratóriumomban megfigyeltem, és ugyanolyan érzések kerítettek hatalmukba, mint amilyeneket akkor éreztem, amikor felfedeztem a forgó mágneses mezőt.”
A nagyfrekvenciás generátor és az oszcilláló transzformátor együttes alkalmazásával Tesla hamarosan megtapasztalhatta a nagyfrekvenciás áram fiziológiai hatásait. Kísérletei korai szakaszában véletlenül megérintette egy oszcilláló transzformátor kimenetét, és a nagyfrekvenciájú áram áthaladt a testén. Legnagyobb meglepetésére nem sérült meg. Tesla rájött, hogy a tekercs önindukciója és a magas frekvencia következtében a szekunder tekercsben generált áram magas feszültségű, de kis áramerősségű volt. Sőt, mai ismereteink szerint, az áram a rádiófrekvenciás tartományban áthalad az emberi test felületén és a rövid behatás nem károsítja az idegeket és a belső szerveket. Saját tapasztalatai alapján Tesla 1891 februárjában arra a következtetésre jutott, hogy „minél nagyobb a frekvencia, annál nagyobb az az elektromos energiamennyiség, amely komolyabb kényelmetlenség nélkül átvezethető az emberi testen. Ennek a következtetésnek potenciális biztonsági haszna volt, hiszen a nagyfeszültségű váltakozó áram okozta áramütés elkerülésének egyik módja, hogy növelik a meglévő elosztási rendszerekben használt frekvenciát. Tesla riválisa, Elihu Thomson, akit régóta foglalkoztatott a váltakozó áram biztonságossága, tovább vizsgálta a nagyfrekvenciájú áram élettani hatását. Mindeközben Tesla nyilvános bemutatóin kamatoztatta a bőrhatást. A bőrhatásnak köszönhetően volt képes megragadni a nagyfrekvenciás készüléke egyik kapcsát és több tízezer voltot keresztülvezetni a testén, amely elegendő energiát biztosított ahhoz, hogy ragyogóan megvilágítsa a kezében tartott izzót vagy elektroncsövet.
Részlet W. Bernard Carlson „Tesla – az elektromosság korának feltalálója” című könyvéből
Részlet a „Tesla - Az elektromosság korának feltalálója” című könyvből. Kattints a teljes könyvért:
