|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 03/2007
Nikola Tesla i jego trzy fazy
|
|
|
Spuściznę Nikoli Tesli spotykamy na każdym kroku wszędzie tam, gdzie stosowane są elektryczność i magnetyzm.
|
Oprócz elektrotechniki i nauki o elektromagnetyzmie, Tesla wniósł znaczący wkład również w rozwój takich dziedzin jak radiotechnika, robotyka, informatyka czy fizyka cząstek. W 150. rocznicę urodzin tego największego z wynalazców elektrotechniki warto przypomnieć jego niezwykłe losy i historyczne dokonania.
Nikola Tesla przyszedł na świat 28 czerwca 1856r. we wsi Smiljan w Chorwacji w rodzinie serbskiego popa. Według rodzinnego przekazu urodził się podczas burzy z wyładowaniami atmosferycznymi, co – jak utrzymują przesądni- miało przesądzić o jego przyszłości. Studiował tylko jeden semestr na wydziale elektrycznym politechnik w Grazu, a następnie także tylko pół roku fizykę i matematykę na uniwersytecie praskim. Mimo fragmentarycznego wykształcenia już w młodości ujawniły się jego niezwykle zdolności. Dysponował „fotograficzną” wręcz pamięcią i nieograniczoną wyobraźnią. W trakcie długiego życia opanował biegle 6 obcych języków. W 1881 r. rozpoczął pracę w budapeszteńskiej filii amerykańskiej firmy telegraficznej, w której wkrótce został głównym inżynierem. Już wtedy dokonał swoich pierwszych wynalazków z zakresu telefonii. W 1882 r. przeniósł się do Paryża, gdzie podjął pracę w Continental Edison Company. Tu właśnie opracował założenia silnika indukcyjnego oraz koncepcję tzw. wirującego pola magnetycznego. Jednak trudności z realizacją swoich wynalazków zmusiły go do dalszych poszukiwań lepszych warunków pracy.
Gdy Tesla przybył do Stanów Zjednoczonych w 1884 r. miał ze sobą jedynie list polecający do Tomasza Edisona, który zatrudnił go w swojej firmie Edison Machine Works. Wkrótce powierzono mu zadanie usprawnienia maszyn prądu stałego skonstruowanych przez Edisona. Po wykonaniu zlecenia, które przyniosło firmie wielkie zyski, Tesla upomniał się o obiecane wynagrodzenie 50.000 dolarów (około 1 mln według dzisiejszej wartości). W odpowiedzi Edison rzucił żartem: „Tesla, ty nie rozumiesz naszego amerykańskiego humoru”. Mimo propozycji podwyżki płacy do 25 dolarów tygodniowo, Tesla zrezygnował z dalszej pracy i przez pewien czas zarabiał nawet kopaniem rowów. Od tego czasu między oboma wynalazcami zapanowała narastająca niechęć. W 1886 r. Tesla założył własną firmę Tesla Electric Light&Manufacturing. Niestety inwestorzy finansujący jego działalność nie akceptowali planów rozwoju rodzącej się technologii prądu przemiennego, której Tesla był twórcą i zagorzałym entuzjastą. Wskutek braku środków ponownie musiał pracować fizycznie na utrzymanie. Jednak rok później skonstruował bezszczotkowy silnik indukcyjny prądu przemiennego i zademonstrował go w American Institute of Electrical Engineers (obecnie IEEE). Wtedy też opracował swój słynny transformator (zwany także cewką Tesli) i rozpoczął współpracę z innym potentatem amerykańskiej elektrotechniki George Westinghousem. Dopiero Westinghouse wykazał pełne zrozumienie dla koncepcji wykorzystania układów wielofazowych prądu przemiennego dla generacji, przesyłu i użytkowania energii elektrycznej. Wieloletni spór Tesli i Westinghouse z Edisonem, znany też jako tzw. „wojna prądów”, stanowi barwny i zarazem rozstrzygający okres w rozwoju elektrotechniki.
Pod koniec lat 80. XIX wieku George Westinghouse i Thomas Edison stali się przeciwnikami z powodu różnego podejścia do stosowania prądu stałego i przemiennego. W początkowym okresie rozwoju elektrotechnika oparta o wynalezione przez Edisona układy prądu stałego była standardowym rozwiązaniem w USA. Nie chciał on pogodzić się z utratą praw patentowych na silniki i lampy prądu stałego. Tymczasem Tesla opracował system wytwarzania, przesyłu i użytkowania energii elektrycznej na bazie prądu przemiennego. We współpracy z Westinghouse, któremu sprzedał prawa do układów wielofazowych, przystąpił do przemysłowego wdrażania swoich wynalazków. W tamtych czasach względy bezpieczeństwa obsługi urządzeń elektrycznych były jednym z najważniejszych argumentów w sporze między wymienionymi koncepcjami.
Prądy przemienne o częstotliwości przemysłowej (50-60Hz) mogą być groźniejsze dla człowieka niż prądy stałe o tym samym napięciu z uwagi na wywoływane przez nie zakłócenia pracy serca. Jednak wysokie napięcie stałe także stwarza wielkie zagrożenie, gdyż powoduje skurcz mięśni uniemożliwiający uwolnienie porażonego. Przy obu rodzajach prądu w układach przesyłu i rozdziału dla dostarczenia dużej mocy konieczne jest stosowanie odpowiednio wysokich napięć. Ponieważ oba rodzaje prądu wymagają stosowania podobnych środków bezpieczeństwa, czego świadomi byli ówcześni elektrycy, techniczne i ekonomiczne zalety przesyłu mocy na napięciu przemiennym ostatecznie wzięły górę. Edison zaangażował się osobiście w kampanię wstrzymania rozwoju technologii prądu przemiennego. Wielokrotnie uczestniczył w doświadczeniach i egzekucjach zwierząt, aby dowieść, że prąd stały jest bezpieczniejszy. W końcu w 1890 r. doprowadził nawet do zbudowania krzesła elektrycznego. Pierwsza egzekucja skazańca z wykorzystaniem prądu przemiennego, która miała wykazać śmiertelne działanie prądu nowego rodzaju, była jednak nieudana z powodu zbyt niskiego napięcia.
W wieku 36 lat Tesla uzyskał patenty na układy wielofazowe prądu przemiennego. Pierwszy publiczny sukces tej technologii miał miejsce na Światowej Wystawie w Chicago w 1893 r. Było to historyczne wydarzenie, gdy obaj wynalazcy zaprezentowali zwiedzającym elektryczne oświetlenie (w tym lampy fluorescencyjne własnej konstrukcji) prądem przemiennym. W końcu lat 80. animozje między Teslą i Edisonem zaczęły narastać, gdy ten drugi wciąż usilnie promował stosowanie prądu stałego. Dopóki Tesla nie skonstruował trójfazowego silnika indukcyjnego, zalety przesyłu energii na napięciu przemiennym były kwestionowane przez brak urządzeń zdolnych do jej wykorzystania. Dopiero ten wynalazek praktycznie rozstrzygnął wieloletnią rywalizację na korzyść Tesli. Jednak z tej wyniszczającej „wojny prądów” zwycięzcy tj. Tesla i Westinghouse wyszli niemalże bankrutami. Przełomowym momentem dla ostatecznego zwycięstwa technologii Nikoli Tesli okazała się budowa elektrowni wodnej na wodospadzie Niagara. Międzynarodowa komisja, której przewodniczył wybitny fizyk Lord Kelvin, opowiedziała się za użyciem układów prądu przemiennego do generacji mocy i jej przesyłu do oddalonego o 40 km Buffalo. Po trzech latach budowy, 16 listopada 1896 roku z hydrogeneratorów Niagara Falls popłynął prąd przemienny o częstotliwości 25 Hz. Mimo pełnego triumfu Tesli ostatnie komunalne instalacje prądu stałego niskiego napięcia (głównie do napędu schodów ruchomych) pracowały jeszcze w 2005 r. na Manhattanie w Nowym Jorku.
Koncepcja wirującego pola magnetycznego – największe jak się wydaje dokonanie Tesli - stanowi podstawę działania silników i prądnic elektrycznych. Magnes trwały umieszczony w takim polu obraca się podążając za „uciekającymi” liniami sił. Jeszcze w pierwszej połowie XIX wieku potrafiono wytwarzać wirujące pole magnetyczne przez napędzanie wirnika z magnesami trwałymi lub z uzwojeniem prądu stałego. Zjawisko to było wykorzystywane w pierwszych maszynach prądu stałego. Tesla podjął poszukiwania alternatywnych sposobów wytwarzania takich pól z użyciem uzwojeń stojana zasilanych prądami przemiennymi. Z podstaw elektrotechniki wiadomo, że jedno uzwojenie zasilane prądem sinusoidalnie zmiennym (przemiennym) wytwarza w szczelinie maszyny stojące, oscylujące pole magnetyczne o takim samym przebiegu czasowym (czyli sinusoidalnym), przy czym amplituda jego natężenia zależy od położenia danego punktu na obwodzie. Tesla stwierdził, że najprostszym modelem generującym zjawisko wirującego pola jest stojan o dwóch cewkach przesuniętych w przestrzeni o 90 stopni (tj. o osiach prostopadłych) zasilanych prądami przemiennymi przesuniętymi w fazie również o 90 stopni. W wyniku sumowania strumieni magnetycznych tych uzwojeń w szczelinie maszyny powstaje pole, którego punkty o danej (ustalonej) wartości indukcji magnetycznej wirują z prędkością obrotową odpowiadającą częstotliwości prądu. W przypadku częstotliwości przemysłowej 50 Hz pole to wykonuje 50 obrotów na sekundę (przy jednej parze biegunów). Tesla udoskonalił ten model przez użycie nieco bardziej złożonego układu trójfazowego, który okazał się epokowym wynalazkiem elektrotechniki. W układzie trójfazowym wirujące pole magnetyczne uzyskuje się przez zasilanie trzech uzwojeń rozmieszczonych co 120 stopni na obwodzie stojana prądami przemiennymi przesuniętymi w fazie również o 120 stopni. Przedstawiona idea układu trójfazowego utorowała triumfalne wkroczenie elektryczności do cywilizacji XX wieku. Nieprzypadkowo współcześni często określali Teslę jako „człowieka, który wynalazł XX wiek”.
Dalsze losy Nikoli Tesli przypominają życie wielu wybitnych jednostek, w których radość zwycięstwa przeplata się z goryczą niepowodzeń. U schyłku życia uchodził za „szaleńca” wygłaszającego niezrozumiałe lub niewiarygodne stwierdzenia o przyszłości nauki. Niektóre z jego wynalazków i odkryć próbowano wykorzystać do poparcia różnych teorii pseudonaukowych, a nawet okultystycznych. Zawsze wspominał z dumą swe serbskie pochodzenie, chorwacki dom rodzinny i drugą ojczyznę - Stany Zjednoczone. Tam właśnie, w Nowym Jorku zmarł w styczniu 1943 r. w samotności hotelowego pokoju. We wszystkich tych krajach jest wciąż traktowany z szacunkiem należnym największemu wynalazcy naszych czasów.
Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj
Zamów prenumeratę
|
|
|
|
