ระบบไร้สายโลกของ Nikola Tesla
ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2442 นักวิทยาศาสตร์ชาวเซอร์เบีย นิโคลา เทสลาเริ่มงานทดลองในห้องทดลองของเขาในโคโลราโดสปริงส์ (สหรัฐอเมริกา) เป้าหมายของเทสลาในเวลานั้นคือการศึกษาเชิงปฏิบัติเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการส่งพลังงานไฟฟ้าผ่านสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ
ห้องปฏิบัติการของเทสลาสร้างขึ้นบนที่ราบสูงขนาดใหญ่ซึ่งอยู่ที่ระดับความสูง 2,000 เมตรเหนือระดับน้ำทะเล และพื้นที่หลายร้อยกิโลเมตรรอบๆ เป็นที่ทราบกันดีว่ามีพายุฝนฟ้าคะนองค่อนข้างบ่อยและมีฟ้าแลบสว่างมาก
เทสลากล่าวว่าด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์ที่ปรับแต่งอย่างละเอียด เขาสามารถตรวจจับฟ้าผ่าที่เกิดขึ้นในระยะทาง 7 หรือ 800 กิโลเมตรจากห้องปฏิบัติการของเขา บางครั้งเขาจะรอเกือบหนึ่งชั่วโมงกว่าจะมีเสียงฟ้าร้องจากการปลดปล่อยสายฟ้าครั้งต่อไป ในขณะที่อุปกรณ์ของเขาระบุระยะทางไปยังจุดที่เกิดการปลดปล่อยอย่างแม่นยำ เช่นเดียวกับเวลาที่เสียงจะไปถึงห้องทดลองของเขา
ต้องการศึกษาการสั่นสะเทือนทางไฟฟ้าในโลก นักวิทยาศาสตร์ได้ติดตั้งหม้อแปลงรับสัญญาณเพื่อให้ขดลวดปฐมภูมิต่อสายดินกับขั้วใดขั้วหนึ่ง ในขณะที่ขั้วที่สองเชื่อมต่อกับขั้วอากาศที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ซึ่งสามารถปรับความสูงได้
ขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ควบคุมตนเองที่มีความละเอียดอ่อน การสั่นในขดลวดปฐมภูมิทำให้เกิดพัลส์ปัจจุบันปรากฏขึ้นในขดลวดทุติยภูมิ ซึ่งจะควบคุมการทำงานของเครื่องบันทึก
วันหนึ่ง Tesla สังเกตเห็นฟ้าผ่าจากพายุฝนฟ้าคะนองที่โหมกระหน่ำภายในรัศมีน้อยกว่า 50 กิโลเมตรจากห้องปฏิบัติการของเขา จากนั้นด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์ของเขา เขาก็สามารถบันทึกการปล่อยสายฟ้าได้ประมาณ 12,000 ครั้งในเวลาเพียงสองชั่วโมง!
ในระหว่างการสังเกตการณ์ ในตอนแรกนักวิทยาศาสตร์รู้สึกประหลาดใจที่ฟ้าผ่าที่อยู่ห่างจากห้องปฏิบัติการของเขามักจะส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์บันทึกเสียงของเขามากกว่าฟ้าผ่าที่อยู่ใกล้กว่า เทสลายืนยันอย่างชัดเจนว่าความแตกต่างของความแรงของการคายประจุไม่ใช่สาเหตุของความแตกต่าง แต่แล้วไงล่ะ?
ในวันที่ 3 กรกฎาคม เทสลาได้ค้นพบ จากการสังเกตพายุฝนฟ้าคะนองในวันนั้น นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่าเมฆพายุที่วิ่งด้วยความเร็วสูงจากห้องปฏิบัติการของเขาทำให้เกิดฟ้าผ่าเกือบปกติ (เกิดซ้ำในช่วงเวลาเกือบปกติ) เขาเริ่มดูเทปบันทึกเสียงของเขา
เมื่อพายุฝนฟ้าคะนองเคลื่อนตัวออกจากห้องปฏิบัติการ กระแสพัลส์ในหม้อแปลงรับเริ่มอ่อนลง แต่จากนั้นก็เพิ่มขึ้นอีกครั้ง จุดสูงสุดมา จากนั้นผ่านไปและถูกแทนที่ด้วยความเข้มที่ลดลง แต่จากนั้นจุดสูงสุดก็กลับมาอีกครั้ง จากนั้นจึงลดลงอีกครั้ง .
เขาสังเกตเห็นรูปแบบที่แตกต่างนี้แม้ในขณะที่พายุฝนฟ้าคะนองได้เคลื่อนตัวออกไปแล้วประมาณ 300 กิโลเมตรจากห้องปฏิบัติการของเขา ความรุนแรงของการรบกวนที่เกิดขึ้นยังคงมีนัยสำคัญ
นักวิทยาศาสตร์ไม่สงสัยเลยว่าคลื่นเหล่านี้เป็นคลื่นที่แพร่กระจายจากจุดที่ฟ้าผ่าลงมาที่พื้น ราวกับว่าเคลื่อนไปตามเส้นลวดธรรมดา และเขาสังเกตเห็นยอดและรางน้ำของพวกมันในช่วงเวลาเดียวกับที่ตำแหน่งของขดลวดรับกระทบพวกมัน
จากนั้นเทสลาก็เริ่มสร้างอุปกรณ์ที่จะสร้างคลื่นที่คล้ายกัน ต้องเป็นวงจรที่มีความเหนี่ยวนำสูงมากและมีความต้านทานน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
เครื่องส่งสัญญาณประเภทนี้สามารถส่งพลังงาน (และข้อมูล) ได้ แต่โดยพื้นฐานแล้วไม่ใช่ในลักษณะเดียวกับที่ใช้ในอุปกรณ์เฮิรตซ์ นั่นคือไม่ผ่าน รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า… สิ่งเหล่านี้ควรจะเป็นคลื่นนิ่งที่แพร่กระจายไปตามพื้นโลกในฐานะตัวนำและผ่านชั้นบรรยากาศที่นำไฟฟ้าได้
ตามที่นักวิทยาศาสตร์คิดขึ้น ความถี่ในระบบถ่ายโอนพลังงานของเขาจะต้องลดลงในระดับที่ลดการปล่อย (!) ของพลังงานในรูปแบบให้เหลือน้อยที่สุด คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า.
จากนั้นหากเป็นไปตามเงื่อนไขของการสั่นพ้อง วงจรจะสามารถสะสมพลังงานไฟฟ้าของพัลส์ปฐมภูมิจำนวนมาก เช่น ลูกตุ้ม และผลกระทบต่อสถานีรับสัญญาณที่ปรับให้เข้ากับเสียงสะท้อนก็คือการสั่นแบบฮาร์มอนิก ซึ่งโดยหลักการแล้ว ความเข้มของคลื่นดังกล่าวอาจเกินกว่าปรากฏการณ์ของไฟฟ้าตามธรรมชาติที่เทสลาสังเกตเห็นในช่วงพายุฝนฟ้าคะนองในโคโลราโด
ด้วยการส่งสัญญาณดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าเขาจะใช้คุณสมบัติการนำไฟฟ้าของตัวกลางธรรมชาติ ซึ่งตรงข้ามกับวิธีของเฮิรตซ์ด้วยการแผ่รังสี ซึ่งพลังงานจำนวนมากจะกระจายออกไปอย่างง่ายๆ และพลังงานที่ส่งไปถึงผู้รับเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
หากคุณซิงโครไนซ์เครื่องรับของ Tesla กับเครื่องส่งสัญญาณของเขา พลังงานสามารถรับได้สูงถึง 99.5% (Nikola Tesla, บทความ, p. 356) ราวกับว่าโดยการถ่ายโอนกระแสผ่านสายไฟที่มีความต้านทานต่ำ แม้ว่าในทางปฏิบัติการถ่ายโอน ได้รับพลังงานแบบไร้สาย โลกทำหน้าที่เป็นตัวนำเดียวในระบบดังกล่าว เทสลาเชื่อว่าเทคโนโลยีนี้ทำให้สามารถสร้างระบบส่งพลังงานไฟฟ้าแบบไร้สายได้ทั่วโลก
การเปรียบเทียบที่เทสลาให้ความแตกต่างระหว่างระบบของเขากับระบบเฮิรตเซียนในแง่ของประสิทธิภาพของการส่งพลังงาน (หรือข้อมูล) คือสิ่งนี้
ลองนึกภาพว่าโลกเป็นลูกบอลยางที่เต็มไปด้วยน้ำ เครื่องส่งสัญญาณเป็นปั๊มลูกสูบที่ทำงานที่จุดใดจุดหนึ่งบนพื้นผิวของลูกบอล น้ำถูกดึงออกจากลูกบอลและส่งกลับไปที่ลูกบอลด้วยความถี่ที่แน่นอน แต่ระยะเวลานั้นต้องนานพอที่ลูกบอลโดยรวมจะขยายและหดตัวที่ ความถี่นั้น
จากนั้นเซ็นเซอร์ความดันบนพื้นผิวของลูกบอล (ตัวรับ) จะได้รับแจ้งถึงการเคลื่อนไหว โดยไม่คำนึงว่าอยู่ไกลจากปั๊มเพียงใด และมีความเข้มเท่ากันหากความถี่สูงขึ้นเล็กน้อย แต่ไม่สูงมาก การสั่นจะสะท้อนจากด้านตรงข้ามของลูกบอลและก่อตัวเป็นโหนดและแอนตีโหนด ในขณะที่หากงานเสร็จสิ้นในเครื่องรับเครื่องใดเครื่องหนึ่ง พลังงานก็จะถูกใช้ไป แต่เครื่องรับนั้น ระบบส่งกำลังจะพิสูจน์ได้ว่าประหยัดมาก…
ในระบบเฮิรตเซียน หากเราดำเนินการเปรียบเทียบต่อไป ปั๊มจะหมุนด้วยความถี่มหาศาล และช่องเปิดที่น้ำถูกนำเข้าและส่งกลับมีขนาดเล็กมาก พลังงานส่วนมหาศาลถูกใช้ไปในรูปของคลื่นความร้อนอินฟราเรด และพลังงานส่วนเล็กๆ จะถูกส่งไปยังลูกบอล ดังนั้นเครื่องรับจึงทำงานได้น้อยมาก
ในทางปฏิบัติ เทสลาเสนอให้บรรลุสภาวะเรโซแนนซ์ในระบบไร้สายของโลกดังนี้ เครื่องส่งและเครื่องรับเป็นขดลวดหลายรอบที่ลงกราวด์ในแนวตั้งพร้อมค่าการนำไฟฟ้าพื้นผิวสูงที่ขั้วต่อที่ต่อกับสายบน
เครื่องส่งสัญญาณใช้พลังงานจากขดลวดปฐมภูมิ ซึ่งมีรอบน้อยกว่าขดลวดทุติยภูมิอย่างมาก และเชื่อมต่อแบบอุปนัยที่แข็งแกร่งกับด้านล่างของขดลวดทุติยภูมิแบบหลายเทิร์นที่มีสายดิน
กระแสสลับในขดลวดปฐมภูมิได้มาจากความช่วยเหลือของตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุถูกชาร์จโดยแหล่งที่มาและปล่อยผ่านขดลวดปฐมภูมิของเครื่องส่งสัญญาณ ความถี่ของการสั่นของวงจรการสั่นปฐมภูมิจึงเกิดขึ้นเท่ากับความถี่ของการสั่นอิสระของวงจรทุติยภูมิ และความยาวของลวดของขดลวดทุติยภูมิจากกราวด์ถึงขั้วเท่ากับหนึ่งในสี่ของ ความยาวคลื่นของการสั่นกระจายไปตามนั้น
โดยมีเงื่อนไขว่าความจุไฟฟ้าในตัวเองเกือบทั้งหมดของวงจรทุติยภูมิตกอยู่ที่เทอร์มินอล จากนั้นจะอยู่ที่เทอร์มินอลซึ่งจะได้รับแอนติโนด (การแกว่งสูงสุดเสมอ) ของแรงดันและโหนด (เป็นศูนย์เสมอ) ของกระแสไฟฟ้า และที่จุดต่อลงดิน - แอนติโหนดของกระแสและโหนดของแรงดันเครื่องรับมีการออกแบบคล้ายกับเครื่องส่งสัญญาณโดยมีความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือขดลวดหลักเป็นแบบหลายเลี้ยวและอันสั้นที่ด้านล่างคือ รอง.
เทสลาได้ข้อสรุปว่าเพื่อการทำงานที่มีประสิทธิภาพสูงสุด แรงดันไฟฟ้าจากขดลวดทุติยภูมิจะต้องได้รับการแก้ไข สำหรับสิ่งนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาวงจรเรียงกระแสเชิงกลซึ่งไม่เพียงช่วยแก้ไขแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังสามารถถ่ายโอนพลังงานไปยังโหลดได้เฉพาะในช่วงเวลาที่แรงดันไฟฟ้าของขดลวดทุติยภูมิของวงจรรับอยู่ใกล้กับค่าแอมพลิจูด