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尼古拉.特斯拉---一种传输电能的系统  

2013-05-09 22:03:46|  分类: 特斯拉 |  标签: |举报 |字号 订阅

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特斯拉--一种传输电能的系统
发布者:珍珠沙粒时间:2013-01-15 17:54阅读: 134 次

美国专利局

一种传输电能的系统

尼古拉特斯拉,纽约县,纽约州

专利申请号:645567  公开日:1900年3月20日

Application filed July 7, 1893. 提交申请日:1897年9月2日 Serial No. 479,804. 申请编号:650343 (No model.) (无模型)



 

致相关负责人:

众所周知,我尼古拉特斯拉是一个美国公民,定居在纽约州纽约县。针对电力传输系统,我发明了一种实用新型的改进方法。参考该发明的图纸,对其做出以下详细说明。

到目前为止,众所周知,通过抽空密闭在容器内的空气,它的绝缘性就会受到破坏。尽管公认它有很高的电阻,但在一定程度上可以把它看成一个真正的导体。关于这一点,实用信息来源于对设备特性或利用目前已知的分析方法做出有限但必要的观察,从而可获得这种电气效应的特点。而这一点已经被威廉·克鲁克斯的经典研究报告所证实,至今为止,它还承担着该学科的主要知识来源。所有气体都是出色的绝缘体,除非把气体抽空到气压约为75毫米汞柱这一点时。即使在这样低的气压下,高压感应线圈的放电也只能部分以光束或光弧的形式通过稀薄气体。为了使电流全部通过,需要进一步考虑降低压强以排空密闭容器内导电的全部气体。虽然,在采用普通设备获得电场或电流脉冲的场合,这一点在每一方面都很正确。但是,我发现,使用我的方法和我设计的装置产生的脉冲,不管是气体的一般特性还是和大气压与导电性之间的关系,都和观察到的现象不一致。它是到目前为止从未观察的特性,很特殊。它的有效电动势经测量可以达到以几十万伏甚至几百万伏。通过不断地完善这些方法和装置,以及对这些脉冲动作方式的调查研究,我已经得到了一项还不为人知的极其重要的发现并有用的事实。在这些跟我目前发明直接相关的应用方面如下:首先,不管大气还是其他气体,它们都呈现良好的绝缘性,但是在受到我所提到的具有这种特性并有一定数量的电动脉冲的影响后,在很大程度上它们将失去其绝缘性,甚至是在标准气压下。至今为止,我观察到在将气体抽成真空或将其加热到高温时,其会呈现出一定的导电性。

其次,随着电压的增大和气体稀薄程度的增强,气体的导电性会跟着很迅速地增加,后面的规律和以前建立的完全不同。在这些事实的插图中,为了达到预期目的而设计的装置,可能用到它产生的几个观察结果。

例如,提供象上面所说的脉冲给一个导体或终端,但是要使其空间绝缘而且远离任何导体,它就被一个象电刷一样的发光火焰包围,或者放电经常覆盖地面数百或数千计平方英尺的范围。很明显,这种突出的现象证明了在受到巨大电压影响的空气具有较高的导电性。然而这种影响不仅限于肉眼可识别并在一定距离内可观察到的部分大气,它可以充满直径达60英尺或更大的球形或者柱形空间,但是要延伸到更远的区域,空气的绝缘性正如我确定的那样,很容易被衰减到原来的数百倍,通过从终端放电目标的发光焰多半需要更远的距离才能衰减数百倍。该距离随着脉冲压的增大,空气密度的降低,地面上终端活性的提高,以及只做了少量测试效果却很明显得空气湿度的增加而延伸。同样我观察到该区域明确而显著的影响会随着时间的推移不断扩大,并且放电就像大火一样蔓延很慢,这可能由于逐渐充电或者是空气离子化或者是绝缘气体化合物生成较少的原因。

此外,这种高压的释放,就像闪电有很明显的标志,从地面向空中发展的趋势,这可能是由于静电斥力,或者是轻微加热导致电气化上升或空气电离。后面观察到的现象表明,这种性质的放电可以从一个保持一定高度的终端逐渐地泄露到大气中,建立一个良好的传导路径提高空气层的导电能力,在闷热的天气里也可以经常看到无声的闪电现象。

很明显在一定范围内,脉冲电动势的增加会使空气导电性增强,在某些情况下,由于电压的增加,上面提到的放电光焰覆盖的范围将会被扩大到比原来的六倍还多,而不仅仅是超过50%。关于气体变稀薄对气体的导电性的影响,这是值得注意的。大约在75毫米汞柱的大气压下,大气或其他气体通常都会呈现出这样的特性,然而如果在我所提到的高压脉冲作用下,正如我已经指出的,即使在标准气压下,它们的导电性也会随着气体的稀薄程度而不断地增加,所以我要说,在130毫米汞柱的大气压下,气体对于普通电动势仍接近于良好的绝缘体,而在几百万伏的电动脉冲下,尽管它们变得更加稀薄化,它们却表现得如同优良导体一样。我发现的上述事实,具有安全、经济、切实可行的完善生产方式,那么我所描述的具有该特性的电流脉冲就可能通过简单易行的方式进行传输,同时要适当地使空气层稀薄化,但是传输的能量数量并不小,比如可以进行大规模的工业生产。

根据实验数据显示,可以传送到地球上的任何地方。为了便于更好地在理论和实际应用方面理解这种传输电能的方式和更清晰地从其他已知传输方式中区分它,有必要提及一下我和其他人不用金属导体就能将电能传输到远处所做的努力。主要是基于灵敏的接收装置,就关心的大气而言,它是优秀的绝缘体,如果完全利用目前空气或介质的导电性,所有这些尝试很明显的被认为是毫无意义的。由于不能满足诸多困难条件,到目前为止,由于缺乏满足这些高难度需求的设备,任何使用空气的导电性进行电能传输的行为都没有获得成功。尽管早就知道或是推测在15英里或者更高的海拔高度上一部分气体可以导电,但是即使假设已经制造出了必不可少的条件,仍然有困难,在现在的机械技术条件下可以说不可逾越,也就是说要将终端保持在海拔15英里或者更高的海拔上很难。但是通过之前提到的探索和适当的生产方式,就可避免将终端保持在难以达到的海拔高度,不同于现在所用的所有办法,而是一种可行的方式和利用自然介质传输能量的系统。此外,这种方法重要且实用的优势是,用这种方式,消耗在发电机和发射装置上的只有小部分能量,大部分能量可以通过任何一个不管多远的接收装置回收利用。

简单的说,我现在的发明是基于这些发现的,在一点产生电压,电压足够大时产生可供在空气中传输的电流,在远处接收电能进行利用。

在附图中,描述了装置的总体布置方式。诸如我打算将发明应用于工业水平,举例说用于偏远城市照明或是容易获得便宜电能的区域。

图中A是线圈,通常绕很多圈,半径很大,以螺旋形式缠绕,核心可以是磁铁或者什么都没有,视具体情况而定。

C是次级线圈,由横截面较大而距离较短的导线组成,绕在邻近线圈A的地方。在发射装置中,线圈A构成次级高压,线圈C为初级低压端。在初级线圈C的电路中包括一个合适的电流源G。次级线圈A 的一端在螺旋线圈的中心,从该终端电流由导线B引入到终端D,最好平面大些,在一定的海拔上按球形方式建立该终端,那么更适合之前描述的传输目的。次级线圈A的另一端连接到地上,若需要,也可以接到初级线圈上,以便初级线圈和次级线圈的邻近部分电位相同,从而确保安全。在接收站要安装一个结构相似的变压器。但是在这种情况下,线圈A’构成变压器的初级,其导线相对较细,线圈C’构成变压器的次级,由相对较粗的线或电缆构成。在次级线圈的电路中包含电灯L,电动机M或其他用电设备。线圈A’的中心和架空终端D’相连,另一端连接到地上,最好也连接到线圈C’上,原因和上面提及的相同。

可以看到,线圈相对中心的电位随着缠绕圈数的增加而增加,邻近线圈的压差呈现出相对小一点高压,普通线圈是做不到这一点的。此外,不管对线圈的设计和构造如何进行改良,由于它们的总布置图和连接方式,这些线路和装置高度带电,将不能用手够到。而相同的那些部分和邻近大地的电位相同或接近,所以可以靠近、触摸或使用。这确保了接受和发射装置,不管使用的电压大小,都有利于人身安全。我或我的任一助手在很多年中连续不断地进行了很多次试验,和上百万伏的高压打交道而从未收到过伤害,这便是很好的证据。

每个变压器中细线圈的长度应该为电路中电气干扰波长的1/4,这种估计基于电气干扰在线圈中的传播速度和电路设计的使用目的。举例说明,如果电流在线圈和电路中的传播速度是185000英里每秒,频率为925HZ,电路中将保持925个驻波,每个驻波200英里,有185000英里长。在上面假定的情况下,我将使用50英里长的次级电路。操作普通发电机到这样的频率。通过这样的调整,在次级线圈中使导线长度与频率成比例,线圈的最高电位点应和架空终端D、D'保持一致,那么就应该可以理解为了达到最好效果,不管线路长度如何都应满足这种条件。

实现我的发明主要是产生能量足够大的电流,这种设备使用大频率的初级电流很方便,导体得到的电压和频率是成正比的;但是电流频率很大程度上是任意的,如果电位足够高,并且线圈终端放置在足够的海拔高度,描述的情况就会发生,电流将会通过大气层传播,与通过铜线传输电流相比可能会遇到的阻抗可能更小。根据装置的构造可能有很多不同的细节,但是为了使每个人都可以在机械及电气技术方面熟练地对我的发明进行操作,以将该系统的优点用于实际应用当中。下面我将给出该模型的详细情况,为了获得它我已经用了很长时间,目的是得到将我的发明用于更大的规模的执行情况数据。在这种情况下,发射装置是我的电气振荡器,一种特殊的变压器,众所周知,它的特点是通过初级电路的一个电容震荡放电。作为发射端的元件,电源G是一个容量约为0.01uF的电容,通过50000V的交流发电机充电,以每秒5000次的频率,按机械方式间歇式通过初级线圈C放电。后者由一圈阻抗很小的粗绞合电缆构成,自感应系数大概为8000厘米,环的直径大概244厘米。整个初级电路的感应系数大约是10000厘米,因此初级电路通常可以根据调整,振动在每秒230000到250000次的范围内。螺旋式高压线圈A由50圈按单层方式缠绕的高绝缘8号电缆构成,线圈始端靠近初级回路,末端靠近中心。次级线圈的外部终端接地,如图所示,而另一活动端连接着放置在稀薄空气层中的一个终端,能量就是通过它进行传输的,它被包在一个长度五十英尺或更长些的绝缘管当中,依靠气压泵,其中的气压可以在120~150毫米汞柱的范围内调整。接收变压器同样地成比例,其转换速率和发射器的互为倒数。初级高压线圈A'如图连接,靠近低压线圈C'的一端接地,自由端连接在和放置于稀薄空气层相连的线路上,其远处即是发射端。发射装置中的初级线圈和次级线圈应保持高度同步,在次级线圈A端可得到二百多万到四百多万伏的电动势。在上述大气压下,可以自由地通过稀薄大气层放电。在这些条件下,很容易传输即直接又经济的电能,而且传输数量相当可观,比如传输工业级的能量。接收装置中次级线圈C’为电灯等电器提供电能。当初级线圈A’和次级线圈C’进行仔细地调整后,它们和发射端的A,C同步振动,结果特别令人很满意。但是,我发现以这种设计方式,产生以前提到的电动势的3~4倍并不困难。并且确定以这种方式,脉冲电流可以通过更加密集的空气层。我还发现通过这种方式不必将发射和接收终端直接相连,也可以利用空气层传输数量可观的能量。但是如果离得远,如前所述,通常表现为绝缘体的空气,就用脉冲来补偿并扩展导电空气的密度,以达到远距离传输。从前面的例子中可以看出,在终端线圈或导体A端得到的强电动势,不是由于大的变压比引起的。是谐振电路中电容和自感的共同作用,以及高频率增强了这种效果。如果接收端使用了一个较大的变压比,在这种情况下最有利的做法是尽可能的升压,尤其是发射端线圈A的。同样基于上述原因,要想接收电压升高,只需要一个大的变压比就可以了。

由这些装置产生的电动势可以满足很多应用,我希望这些能够应用于工业领域,而不是限于小范围,以我在该领域现有的知识及经验可以产生从2百万到5百万伏的电压,甚至更高。通过使用更高的电动势可以将更多的能量通过大气层传输到更遥远的地方,传输距离可以无限延伸不受限制。

至于终端D和D’的海拔,很明显由这些情况决定,包括要传输电能的数量和质量,当地大气的密度及大气的其他参数,周围的环境等等,要考虑的问题在每个个例中。因此,周围有高山,终端应高些。总之,终端应该比周围最高的物体还要高,以尽可能减少能量损失。在某些情况下,当需要的能量很少时,没必要提高终端的海拔,特别是终端D’的,因为当电流的频率很高时,终端可以通过静电感应从高空大气中收集足够的能量,同样电流也可以通过它传输。

根据上面指出的事实,当需要传输大量的电能时,根据该方法很容易达到该海拔高度并使终端能够可靠地保持下去,借助系留气球可以不断地从储藏所供给气体,同时通过钢绞线、设备或应急方法等任何手段使其安全地保持在某个位置,比如可以由有创意和熟练的工程人员人为地去完善它。从我的实验和观察中可以得出,电动势脉冲不超过15~20万伏时,成千上万个马力的能量可以传输很远的距离,经测量大约有数百到数千英里,而终端海拔不高于30000~35000英尺,有时出于经济考虑,相对较小的海拔也是必要的,如果需要可以大大缩小海拔,因为通过这种方式任何需要的电位都可以获得,通过空气层中的电流可能很小,但传输中的损失也会变小。

我知道发射线圈、接收线圈、变压器或其他装置有时候是可移动的,例如它们可以由容器浮在空中或由船只载在海中。这种情况下,高压线圈的一端和地的连接是不固定的。可能是间歇性的,任何这样或相似的修改都应认为在我的发明范围之内。

在此描述的主要是应用于工业生产,通过自然介质远距离传输电能的一种方法或系统。我所公开的原则及我所展示的装置还有许多其他有价值的用途。例如,可以远距离传输信息,照亮天空,有计划地使大气状态发生有益的变化,或者从空气中制造硝酸,复合肥等诸如此类,脉冲电流还有其他很多有价值的用途,我不想仅限于这一方面。很明显,我的发明有很多用途,例如,在其它电能发射系统中,不管出于何种目的,都可以将发射及接收变压器如图安装。如上面说明的,接收和发射线圈,都是接地和接架空终端,并进行调整使它们可以同步振动,线圈的参数要成比例。接收变压器的特性是,初级线圈一端接地,一端接架空终端,有效设备接在二次回路中,其他特性已经在说明书中会进行详细描述。在这份申请中,我不是声称按我这里给出并说明的形式--两个线圈连在一起,开发或转换高压电流,为了上述目的我对1897,年11月2日 的593138号专利做了改进,在此,我也不要求装置采用申请中的执行方法进行部署,因为在目前的发明中,有这样的装置,是需要按特殊方式构造和处于寻找一种确保特殊目标安全的考虑而安排的。因此,依据最后说明的特性,提出了1990年2月19日第5780号专利,作为该申请一个分支。

我现声明如下:

1、上文提到的通过自然介质传送电能的方法,在于制造一个能产生很高电压的发电站,从而引起电能的流动或传播,通过大地或者空气和远方的电能接收装置相连使得电能传播。

2、上文描述的电能传输装置,包括产生一个高压发电站,以大气为导体将电流引入到地或者具有一定海拔的终端,并由远距离的二级终端接收电能。

3、上文提到的通过自然介质传输电能的方法,发电站产生高压提高大气电导率,使得电能在大气中传播或流动,在远离发电站处安装电能接收装置,从而使电能得以传递。

4、上文提到的通过自然介质传输电能的方法,发电站产生高压脉冲,电流脉冲通过大气传播到远离发电站的接收终端,脉冲电流的能量和电路脉冲同步。

5、上文提到的通过自然介质传输电能的方法,电脉冲的波长和产生电路及导体的长度有关,以在架空终端产生最高电位。巨大的电动势提高空气的导电能力,电流脉冲通过大气传播到远离发电站的接收终端,通过导体长度和脉冲波长相关的接收端进行接收。

6、上文提到的通过自然介质传输电能的方法,通过接收装置接收电能后,用接收端给次级电路提供能量,并依靠该电能操作电路中的能量转换设备。

7、上文提到的通过自然介质传输电能的方法,包括利用这些脉冲给初级变压器供电,然后依靠初级电路的脉冲在由初级电路和接地与架空终端的二次回路发电,以得到一个足够高的电动势,从而提高大气的传导率,使电能通过大气层传输,在远处有一个接地和架空终端的接收端接收电能,并利用接收的电能经降压后提供二次回路使用。

 

尼古拉特斯拉

证明人:M. LAWSON DYER,

        G.W. MARTLING.

 

感谢:樊京 翻译

注:此为补档文件

http://www.awaker.org/a/ziyounenyuan/tesila/2013/0115/6600.html


 

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