Najznačajniji izumi
Nikola
Tesla je zahvaljujući svojim izumima postao svetski naučnik. Koliko je
tačno Teslinih pronalazaka bilo izlišno je govoriti. Neki izumi su
naišli na razumevanje patentne komisije i bili zavedeni u američkom
patentnom zavodu. Međutim dosta njih je ostalo nepatentirano. Autor: Aleksandar Ćulibrk
Tesla
se bavio elektrotehnikom u raznim oblastima, gde god je postojala i
najmanja mogućnost za njenu primenu. Zbog toga postoji raznovrsnost
oblasti Teslinih pronalazaka. Tu spadaju najpre elektrotehnika, a odmah
zatim i mašinstvo. Teslini pronalasci su takođe bili primenjivani i u
oblastima telekomunikacija i medicine.
Neki od najpoznatijih izuma su: Teslin transformator (i
generator) struja visoke frekvencije, poznat kao Teslin oscilator;
indukcioni motor (poznat kao asinhroni motor); teledirigovani čamac
(čamac sa daljinskim navođenjem); sijalice; prenos električne energije
na daljinu bežičnim purem.
Svakako najveći doprinos elektrotehnici je iz oblasti energetike. Tesla je izmislio naizmeničnu struju.
Naizmenična struja ima velike prednosti nad jednosmernom. Jedna
od prednosti jeste smanjenje gubitaka prilikom prenosa električne
energije od elektrana do krajnjih potrošača, što je veoma važno. Gubici
u prenosu zavise od kvadrata jačine struje, odnosno gubici rastu sa
kvadratom struje. Zato je potrebno imati što manju struju kroz prenosnu
mrežu. Naizmeničnu struju je najlakše umanjiti ugradnjom transformatora
koji podižu napon, a samim tim smanjuju struju, jer njihova snaga
zavisi od proizvoda napona i struje.
Tesla je uzeo tri kalema i prostorno ih pomerio za trećinu kruga, tako da je dobio sistem prikazan na sledećoj slici.
|
Sistem kalemova za dobijanje obrtnog polja |
Kroz
te kalemove je propustio svoju naizmeničnu struju. Da bi video šta je
uradio, uzeo je jedno jaje (veštačko naravno) i stavio ga unutar
sistema. Jaje je počelo da rotira oko svoje aksijalne ose i to na svom
vrhu. Ovakav sistem tri kalema se naziva trofazni sistem.Trofazni
sistem naizmeničnih struja najlakše stvara obrtno elektromagnetno
polje, na čijem principu i danas rade asinhroni (indukcioni) motori,
koji ne moraju imati provodnike na svom rotoru.
Kako naizmenična struja menja svoju vrednost tokom vremena,
ona je u jednom trenutku jednaka nuli. Ova činjenica olakšava
isključenje struje, što je takodje bitno za očuvanje opreme, jer struje
mogu biti veoma velike. Inače, struja u toku jedne periode (koja traje
20ms ili pedeseti deo sekunde) tri puta bude jednaka nuli.
Kao „drugi“ bitan pronalazak, isto toliko važan, jeste Teslin
indukcioni motor, danas poznatiji kao asinhroni motor. Motor ima ulogu
da električnu energiju koju dovodimo na krajeve njegovog statora,
pretvori uz pomoć elektromagnetnog obrtnog polja u mehaničku energiju
koja se manifestuje obrtanjem rotora.
Kako asinhroni motor radi?
Vrlo jednostavno. Na kralemove statora se dovodi naizmenična
struja koja stvara promenljivo elektromagnetno polje. Kada se neki
provodni element (parče gvoždja, bekarni provodnik idr.) nađe u
promenljivom elektromagnetnom polju na njegovim krajevima se indukuje
elektromotorna sila (ems) i kroz njega protiču struje. Kada kroz
provodnik protiče struja, na njega deluje sila koja teži da ga pomeri.
Ovo se upravo odigrava u gvožđu i na provodnicima.
Zašto je Teslin indukcioni motor tako poseban?
Poseban je zato što na njegovom rotoru nema namotaja (kao i na modelu Teslinog jajeta), a rotor se ipak okreće.
Dakle, Teslin indukcioni motor se sastoji od:
- magnetskog kola (gvožđe statora i rotora),
- električnog kola (bakarni namotaji na statoru).
Prvi Teslin indukcioni motor bio je dvofazni i bez žlebova po
unutrašnjem obimu statora. Ovo nije bilo dobro, jer sva sila koja je
trebala da pokreće rotor delovala je na provodnike umesto na magnetno
kolo rotora. To je bio veliki problem, jer te sile nisu male. Ovaj
teslin motor bio je napajan, u početku, bio napajan naizmeničnom
strujom od 133Hz. Bio je konstruisan sa istaknutim polovima. Sa
Vestinghausom je sklopio ugovor od 250 000$ + 2,5$/KS (dolara po
konjskoj snazi). Naravno, ovo nije dugo trajalo, pa je Tesla morao da
se odrekne dodatka od 2,5$/KS na zahtev (molbu) Vestinghausa koji je
već počeo da grca u dugovima.
Danas se asinhroni motori izrađuju za velike opsege snaga i
brzina. Mogu biti snage do nekoliko desetina MW, a brzina obrtanja može
dostići brzine od približno 3000 obrtaja u minuti. Bitna osobina ovih
motora je u tome što povlače iz mreže od 6 do 10 puta veće struje od
nominalne koju ima pri stalnom radu. Ovo je veoma težak udar za mrežu.
Zato se asinhroni motori puštaju u rad preko nekih dodatnih uređaja.
Savremeni asinhroni motori se sada izrađuju uglavnom kao trofazni. Oko
99% motora danas u svetu su trofazni i jednofazni asinhroni motori.
Pored asinhronog motora sa kaveznim rotorom, postoji i motor sa
namotanim rotorom koji ima namotaje od bakra na svom rotoru.
|
Rotor (levo) i stator (desno) asinhronog motora sa kaveznim rotorom (bez namotaja na rotoru); Kavezni rotor asinhronog motora; Namotani rotor asinhronog motora |
Nakon raskida ugovora sa Vestinghausom, Tesla počinje rad u oblasti struja visokih frekvencija.
Napravio je kalem sastavljen od nekoliko rezonantnih oscilatornih kola.
Tesla je konstruisao mnogo različitih oscilatora koji se dosta
razlikuju u konstrukciji.
|
Oscilator visokog napona visoke frekvencije u australijskom muzeju |
Prvi
teslin kalem je bio napracvljen od staklene posude dimenzija 6 x 8 inča
sa 60 do 80 navojaka. U se nalazi primar koji se sastoji od 8 do 10
navojaka, i cela kombinacija je potopljena u posudu sas mineralnim
uljem.
Na osnovu ranijih istraživanja drugih naučnika, Tesla je
razvio seriju različitih kalemova koji su davali struju visokog napona
i visoke frekvencije. U većini svojih eksperimenata koristio je mašine
koje je sam izumeo. Prvi kalemovi su radili na principu proboja u zoni
električnog luka (vazdušni prostor koji se na slici 6 nalazi između
kuglastih elektroda). Ovo se isto može postići primenom Ramkorfovog
kalema, dva kondenzatora i još jednog specijalno konstruisanog namotaja
između čijih krajeva se dešava proboj.
|
Jedna od konstrukcija Teslinog oscilatora |
Ramkorfov
kalem se napaja iz glavnog izvora i na njegove krajeve su redno vezana
dva kondenzatora. Ispred njih, a paralelno Ramkorfovom namotu nalazi se
prostor električnog luka. Elektrode na kojima se ovija električno
pražnjenje su najčešće u obliku kugli, mada je Tesla koristio razne
oblike elektroda (šiljak, ploča). Kondenzatori su napravljeni od
pokretnih ploča koje su potopljene u ulje. Što su ploče bile manje to
je pražnjenje bilo učestalije. One su, takođe, smanjivale i veliku
samoinduktivnost sekundarnog namota.
Kondenzatori su zatim vezani na po jedan primar, drugog,
specijalno dizajniranog namota. Oba primara imaju po 20 navojaka gumom
izolovane žice. Sekundar ima 300 navojaka svilom izolovane žice.
Kasniji Teslini oscilatori su bili veći, i radili na mnogo
većim naponskim nivoima. Kondenzatori su bili veći i potopljeni u ulje
kako bi se umanjila korona. Ulje je koristio i kao izolaciju namota
transformatora.
Moderni oscilatori koriste bifilarno motane namotaje na
vazdušnom jezgru. Ovaj rezonantni transformator generiše vosoki napon
na radio frekvencijama. Namotaj dostiže veliki napon koristeći energiju
jednog rezonantnog kola (primara) prenoseći je na drugo rezonantno kolo
(sekundar). Takođe, moderan Teslin oscilator je dizajniran da generiše
dugačke električne lukove, dok je Teslin prvi oscilator bio konstruisan
za bežičnu komunikaciju i prenos snage.Tesla
se dosta bavio radio tehnikom. Jedan od bitnijih radova bila je
eliminacija smetnji u radio vezama. Tesla je znao da se prirodne i
veštačke smetnje prostiru kroz zemlju i vazduh na potpuno isti način, i
da i jedne i druge mogu da generišu i horizontalne i vertikalne
elektromotorne sile (ems). U vazduhu se potencijal povećava oko 50V po
stopi u vertikalnom pravcu, i zato nastaje naponska razlika od 20 ili
čak 40000V između gornjeg i donjeg kraja antene. Mase naelektrisane
atmosfere koje su stalno u pokretu izazivaju struju u provodniku koja
nije ujednačena, već prilično haotična, što proizvodi impulsni šum u
osetljivoj telefonskoj slušalici. Što je viši terminal i veći prostor
ispunjen žicama efekat je jači. Taj efekat je čisto lokalnog karaktera
i malo ima veze sa pravim problemom.
Godine 1900. Tesla je usavršavao svoj bežični sistem, a jedan
model aparata je imao 4 antene. Antene su pažljivo podešene na istu
frekvenciju i paralelno povezane u cilju povećanja prijema iz bilo kog
pravca. Kada je pokušao da utvrdi poziciju izvora prenesenih impulsa,
svaki dijagonalno postavljen par bio je posebno vezan serijski sa
primarnim kalemom za pobuđivanje kola detektora. U prvom slučaju zvuk u
telefonu je bio dosta jak, dok ga u drugom slučaju uopšte nije bilo kao
što je Tesla i očekivao. Dve antene su neutralizovale jedna drugu, ali
su se statičke smetnje javljale u oba slučaja.
Korišćenjem prijemnika koji su uzemljeni na dva mesta, smetnje
koje su posledica naelektrisanja vazduha poništavaju se, a podložnost
ostalim vrstama smetnji redukuje se na polovinu zbog usmeračkih
karakteristika kola.
Tesla je 1896. godine konstruisao jedan uređaj koji je mogao
da obavlja više operacija. Taj uređaj se prvi put pojavio 1898. godine
i izazvao je najveću senzaciju kao nijedan njegov izum do tada. To je
bio brodić na daljinsko upravljanje bez žica. Njime se upravljalo
sadejstvom više kola, tako da je svaka interferencija bila isključena.
Najčešće je koristio prijemna kola u obliku petlji kondenzatora.
Tih dana konstruisan je još jedan teleautomatski brod.
Kretanje broda se kontrolisalo pomoću više zavojaka postavljenih u
utrobu broda koji je potpuno hermetički zatvoren i mogao je da zaroni.
Aparatura koju je konstruisao bila je slična kao i u prvoj verziji
broda, samo sa malim dodacima.
Tesla je dosta radio na sistemu za bežični prenos električne
energije, tj. na prenos električne energije kroz prirodni medijum
(zemlja, vazduh). Te eksperimente je obavljao u svojoj laboratoriji u
Kolorado Springsu.
Tesla je adaptirao jedan od svojih prijemnih transformatora u
nameri da eksperimentalno odredi električni potencijal Zemljine kugle i
da odredi njegove učestale i slučajne promene. U sekundarno kolo
transformatora bila je uključena specijalna naprava koja se sama vraća
u početno stanje, a upravlja radom registrujućeg instrumenta. Primarno
kolo je bilo jednim krajem spojeno sa zemljom i sa jednim uzdignutim
krajem čija se kapacitivnost može podešavati. Promene potencijala su
izazivale električne udare na primaru, oni su proizvodili struje u
sekundarnom kolu, a srazmerno tim strujama delovao je registrujuči
instrument preko svoje specijalne naprave. Utvrđeno je da Zemlja
bukvalno treperi od električnih vibracije.
Tada je Tesla sa svojim pomoćnikom Levenštajnom ekspeimentalno
dokazao postojanje stacionarni htalasa za koje je i sam mislio da tako
nešto nije moguće. Dakle, naša planeta se i pored tako ogromnih
dimenzija ponašala kao jedan provodnik ograničenih dimenzija. Ovo je
bio osnov Teslinog razmišljanja o mogućnosti slanja telegrafskih poruka
bez živa na bilo koju daljinu, pa čak i prenošenja energije u
neograničenim količinama na bilo koju udaljenost na Zemlji i to bez
ikakvih gubitaka.