свойств переменных токов на всем диапазоне от самой низкой частоты до частоты света, никто еще не исследовал этот диапазон. Однако девятью годами ранее, в 1873-м, Джеймс Клерк Максвелл из Кембриджского университета в Англии опубликовал свою замечательную вводную работу по электромагнитной теории света и с помощью своих уравнений показал, что существует огромный диапазон электромагнитных колебаний выше и ниже видимого света — колебаний с гораздо более длинными и гораздо более короткими волнами. Пока Тесла создавал модели для своей многофазной системы, профессор Генрих Герц в 1887 году подверг теорию Максвелла экспериментальной проверке в диапазоне волн длиной в несколько метров. Такие волны он создавал с помощью искрового разряда индукционной катушки, а также собирал эти волны из пространства и преобразовывал их в небольшой разряд на некотором расстоянии от катушки.
Работа Герца подтвердила теорию Теслы о том, что почти каждая нота всего диапазона вибраций между уже известными вибрациями электрического тока и вибрациями света таит в себе интересное открытие. Тесла был уверен, что если он сможет постоянно повышать частоту электрических вибраций, пока она не сравняется с частотой света, он получит высокоэффективный процесс непосредственной выработки света вместо крайне неэкономичного процесса, использовавшегося в лампах накаливания Эдисона, в котором полезные световые волны являлись лишь малой частью тех волн, что терялись при выработке бесполезного тепла, оставляя потребителю только пять процентов электрической энергии.
Свои исследования Тесла начал с постройки роторных генераторов переменного тока, доведя в них число фаз до 384, и с этим оборудованием смог получать токи с астотой до 10000 герц. Он обнаружил, что эти высокочастотные токи дают больше интересных возможностей для эффективной передачи энергии на расстояние, чем его весьма практичная многофазная система с 60 герцами. Поэтому параллельно он занялся конструированием трансформаторов для повышения и понижения напряжения таких токов.
На основе высокочастотных генераторов переменного тока, сходных с теми, что в 1890 году задумал Тесла, Ф.У. Александерсон разработал впоследствии радиопередатчики большой мощности, которые более чем через два десятилетия поставили трансатлантическую радиосвязь на столь практичную основу, что правительство не выпустило контроль за ним за пределы государства и сохранило за Соединенными Штатами господствующее положение в мировой радиосвязи.
Разработанные Теслой высокочастотные трансформаторы работали просто замечательно. В них не применялось ни грамма железа, которое, как выяснилось, только мешало их работе. Они имели воздушный сердечник и состояли лишь из концентрических первичных и вторичных обмоток. С помощью этих трансформаторов, которые стали известны как трансформаторы Теслы, он смог получать очень высокое напряжение. В первых экспериментах он достигал потенциалов, пробивавших воздух пятисантиметровой искрой, но уже очень скоро он достиг огромного прогресса, и разряды получались уже в виде пламени. Работая с такими напряжениями, он столкнулся с трудностями с изоляцией своих аппаратов и разработал способ изолирования, который применяется теперь в высоковольтных устройствах во всем мире: устройство погружается в масло, в результате чего воздух из катушек полностью устраняется. Это изобретение имело огромное коммерческое значение.
Был, однако, определенный предел, выше которого использование роторных генераторов высокочастотных токов становилось непрактичным, поэтому Тесла приступил к конструированию генератора нового вида. В идее, которую он положил при этом в основу, не было ничего нового. В роторном генераторе ток вырабатывается при вращении провода, который последовательно перемещается через ряд магнитных полей. Того же эффекта можно добиться, если перемещать провод вперед-назад в колебательном движении в одном магнитном поле. Никто, однако, до тех пор не создал еще возвратно-поступательный генератор, Тесле же удалось создать его, причем весьма практичный для его конкретной цели. Но больше он нигде применяться не мог, и позднее Тесла пришел к выводу, что мог бы с гораздо большей пользой потратить потерянное на него время. Это была оригинальная одноцилиндровая машина без клапанов, способная приводиться в действие сжатым воздухом или паром и имевшая два окна, как у двухтактного судового двигателя. С обеих сторон к поршню присоединялся шток, проходивший сквозь головку цилиндра, а на каждом конце штока плашмя крепилась катушка, которая при возвратно-поступательном движении поршня совершала такое же движение в поле электромагнита. А магнитное поле своим смягчающим действием служило маховиком.
Тесле удалось добиться частоты в 20000 герц и такой замечательной стабильности в работе генератора, что он предложил поддерживать столь же постоянную частоту и в своей многофазной системе в 60 герц с синхронными двигателями, где с помощью редуктора она снижается до нужной величины, как в часах, показывающих правильное время при подключении к переменному току. Эта идея и легла в основание современных электронных часов. Как и во многих других случаях его практичных и полезных новаций, он не позаботился о патенте и не получил никакой финансовой выгоды из своего предложения.
Работая над своей многофазной системой, Тесла хорошо понял ту роль, что играют в цепях переменного тока два таких фактора, как емкость и индуктивность: первую можно уподобить пружине, вторую бензобаку. Его расчеты показывали, что при токах достаточно высокой частоты можно получать резонанс при относительно небольших значениях индуктивности и емкости. Резонанс получается в колебательном электрическом контуре, а посредством получения резонанса производится электрическая настройка цепи. В качестве механического аналога электрическому резонансу можно привести постепенное раскачивание маятника, которое производится очень легкими ударами через равные по длительности промежутки времени, заставляющими его совершать все более широкие колебания; или разрушение моста марширующими по нему солдатами. Каждая легкая вибрация усиливает предыдущую, и процесс идет по нарастающей.
В колебательном электрическом контуре роль емкости играет конденсатор, а индуктивности — проволочная катушка. Обычно конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин (обкладок), отделенных друг от друга тонким диэлектриком. Каждая обкладка соединена с одним из концов катушки индуктивности. Емкость конденсатора и размер катушки определяются частотой тока. В электрическом контуре при протекании тока может возникнуть резонанс. Выглядит это так: ток течет в одну из обкладок конденсатора, пока не заполнит его емкость целиком, а затем плавно перетекает обратно в катушку, которая накапливает энергию в создаваемом ею магнитном поле. Таким образом вся энергия конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. Далее благодаря свойствам катушки энергия магнитного поля переходит в ток, который поступает в другую обкладку конденсатора и перезаряжает его. Процесс повторяется снова. Для создания резонанса нужно, чтобы частота питающего тока совпала с частотой колебаний в контуре. Каждый раз, когда это происходит, питающий ток дает добавочное напряжение, и амплитуда колебаний возрастает до весьма значительных величин.
Несколько лет спустя, рассуждая в своей лекции о колебательном электрическом контуре, Тесла сказал:
Первый вопрос, на который надо ответить, это возможность получения эффектов чистого резонанса. Теория и эксперимент показывают, что природа не допускает такой возможности, поскольку, чем сильнее становятся колебания, тем быстрее растут потери в самих вибрирующих телах и окружающей среде. В результате колебания неизбежно затухают, но без этих потерь они продолжали бы расти до бесконечности. К счастью, чистый резонанс недостижим, иначе трудно сказать, какая опасность может ждать невинного экспериментатора.
Но в какой-то степени резонанса все же можно добиться, но он будет ограничен проводимостью и упругостью среды, или, грубо говоря, потерями на трение. Чем меньше эти потери, тем больше резонанс.
Тесла приложил принципы электрического резонанса к своим катушкам и стал получать такой резонанс, что смог поднимать напряжение до очень высоких значений. Благодаря исследованию им в 1890 году принципов резонанса стало возможным современное радио и развитие его предшественника-«беспроводной связи». Он работал с этими принципами и демонстрировал их раньше тех, кого потом стали считать пионерами в изучении электричества.
