המערכת האלחוטית העולמית של ניקולה טסלה
ביוני 1899, מדען ממוצא סרבי, ניקולה טסלה, מתחיל עבודה ניסיונית במעבדתו בקולורדו ספרינגס (ארה"ב). המטרה של טסלה באותה תקופה הייתה מחקר מעשי של האפשרות להעביר אנרגיה חשמלית דרך הסביבה הטבעית.
המעבדה של טסלה מוקמת על רמה ענקית, שנמצאת בגובה של אלפיים מטר מעל פני הים, והאזור לאורך מאות קילומטרים מסביב ידוע בסופות רעמים תכופות למדי עם ברקים עזים מאוד.
טסלה אמר שבעזרת מכשיר מכוון עדין הוא הצליח לזהות פגיעות ברק המתרחשות במרחק של שבע או שמונה מאות קילומטרים מהמעבדה שלו. לפעמים הוא היה ממתין כמעט שעה לקול הרעם מפריקת הברק הבאה, בעוד המכשיר שלו קבע במדויק את המרחק למקום בו התרחשה הפריקה, וכן את הזמן שאחריו יגיע הצליל למעבדתו.
מתוך רצון לחקור רעידות חשמליות בגלובוס, התקין המדען את השנאי הקולט כך שהפיתול הראשי שלו היה מקורקע עם אחד מהטרמינלים שלו, בעוד שהטרמינל השני שלו היה מחובר למסוף אוויר מוליך, שניתן לכוון את גובהו.
הפיתול המשני של השנאי מחובר למכשיר רגיש לוויסות עצמי. תנודות בפיתול הראשוני גרמו להופעת פולסי זרם בפיתול המשני, אשר בתורו הפעיל את המקליט.
יום אחד צפה טסלה בפגיעות ברק מסופת רעמים שהשתוללה ברדיוס של פחות מ-50 קילומטרים מהמעבדה שלו, ואז בעזרת המכשיר שלו הצליח לתעד כ-12,000 פריקות ברקים תוך שעתיים בלבד!
במהלך התצפיות, המדען הופתע בתחילה מכך שמכות ברק רחוקות יותר מהמעבדה שלו השפיעו לעתים קרובות יותר על מכשיר ההקלטה שלו מאשר לאלו שפגעו קרוב יותר. טסלה קבעה חד משמעית שההבדל בחוזק ההפרשות לא היה הגורם להבדלים. אבל מה אז?
בשלישי ביולי, טסלה גילה את התגלית שלו. בהתבוננות בסופת רעמים באותו יום, המדען ציין כי ענני הסערה המהירים במהירות גבוהה מהמעבדה שלו יצרו פגיעות ברק כמעט קבועות (חוזרות במרווחים כמעט קבועים). הוא התחיל לצפות ברשמקול שלו.
ככל שסופת הרעמים התרחקה מהמעבדה, פעימות הזרם בשנאי הקולט נחלשו בתחילה, אך לאחר מכן התגברו שוב, הגיע שיא, לאחר מכן חלף והוחלף בירידה בעוצמה, אך לאחר מכן הגיע שוב שיא, ואז שוב ירידה .
הוא הבחין בדפוס מובהק זה גם כאשר סופת הרעמים כבר עברה כ-300 קילומטרים מהמעבדה שלו, עוצמת ההפרעות שנוצרו נותרה משמעותית למדי.
למדען לא היה ספק שמדובר בגלים שהתפשטו מהמקומות שבהם פגע הברק אל הקרקע, כאילו לאורך חוט רגיל, והוא צפה בפסגותיהם ובשוקותיהם בדיוק ברגעים שבהם מקום סליל הקולט פגע בהם.
לאחר מכן יצאה טסלה לבנות מכשיר שייצור גלים דומים. זה היה צריך להיות מעגל עם השראות גבוהה מאוד והתנגדות קטנה ככל האפשר.
משדר מסוג זה יכול להעביר אנרגיה (ואינפורמציה), אבל בעצם לא באותו אופן כפי מיושם במכשירי הרץ, כלומר, לא באמצעות קרינה אלקטרומגנטית... אלו אמורים להיות גלים עומדים המתפשטים לאורך כדור הארץ כמוליך ודרך אטמוספירה מוליכה חשמלית.
כפי שהגה המדען, יש להפחית את התדר במערכת העברת האנרגיה שלו במידה כזו שתמזער את פליטת (!) האנרגיה בצורה גלים אלקטרומגנטיים.
לאחר מכן, אם מתקיימים התנאים לתהודה, המעגל יוכל לצבור את האנרגיה החשמלית של פולסים ראשוניים רבים כמו מטוטלת. וההשפעה על תחנות קליטה מכווננות לתהודה תהיה תנודות הרמוניות, שעוצמתן עשויה באופן עקרוני לעלות בגודלן על תופעות החשמל הטבעי שטסלה צפה במהלך סופות רעמים בקולורדו.
בשידור כזה, המדען מניח שהוא ישתמש בתכונות ההולכה של המדיום הטבעי, בניגוד לשיטת הרץ עם קרינה, שבה אנרגיה רבה פשוט מתפזרת ורק חלק קטן מאוד מהאנרגיה המשודרת מגיע למקלט.
אם מסנכרנים את המקלט של טסלה עם המשדר שלו, אז ניתן לקבל אנרגיה ביעילות של עד 99.5% (ניקולה טסלה, מאמרים, עמ' 356), כאילו על ידי העברת זרם דרך חוט בעל התנגדות נמוכה, אם כי בפועל ההעברה כוח מתקבל באופן אלחוטי. כדור הארץ פועל כמוליך היחיד במערכת כזו. הטכנולוגיה, סבורה טסלה, מאפשרת לבנות מערכת כלל עולמית לשידור אלחוטי של אנרגיה חשמלית.
האנלוגיה שנתן טסלה בניגוד למערכת שלו למערכת הרציאנית במונחים של יעילות העברת האנרגיה (או המידע) היא זו.
תארו לעצמכם שכוכב הלכת כדור הארץ הוא כדור גומי מלא במים. המשדר הוא משאבה חוזרת הפועלת בנקודה מסוימת על פני הכדור - מים נמשכים מהכדור ומוחזרים אליו בתדירות מסוימת, אך התקופה חייבת להיות ארוכה מספיק כדי שהכדור בכללותו יתרחב ויתכווץ בשעה את התדר הזה.
אז חיישני הלחץ על פני הכדור (מקלטים) יקבלו מידע על תנועות, ללא קשר למרחק מהמשאבה שהם ממוקמים, ובאותה עוצמה.אם התדר מעט גבוה יותר, אך לא גבוה במיוחד, אז התנודות ישתקפו מהצד הנגדי של הכדור ויהוו צמתים ואנטי-צמתים, בעוד שאם מתבצעת עבודה באחד המקלטים, אז האנרגיה תצרך, אך השידור יתברר כחסכוני מאוד...
במערכת הרציאנית, אם נמשיך באנלוגיה, המשאבה מסתובבת בתדירות עצומה, והפתח שדרכו מוכנסים ומוחזרים המים קטן מאוד. חלק אדיר מהאנרגיה מושקע בצורה של גלי חום אינפרא אדום, וחלק קטן מהאנרגיה מועבר לכדור, כך שהקולטים יכולים לעשות מעט מאוד עבודה.
בפועל, טסלה מציעה להשיג תנאי תהודה במערכת האלחוטית העולמית באופן הבא. המשדר והמקלט הם סלילים מרובי-סיבובים עם מקורקע אנכי עם מוליכות משטח גבוהה במסופים המחוברים ללידים העליונים שלהם.
המשדר מופעל על ידי פיתול ראשוני, המכילה פחות סיבובים משמעותית מהמשנית, ונמצא בחיבור אינדוקטיבי חזק לתחתית סליל משני רב-סיבובים מוארק.
זרם החילופין בפיתול הראשוני מתקבל בעזרת קבל. הקבל נטען על ידי המקור ונפרק דרך הפיתול הראשוני של המשדר. תדירות התנודה של מעגל התנודות הראשוני שנוצר כך שווה לתדירות התנודות החופשיות של המעגל המשני, ואורך החוט של הפיתול המשני מהאדמה למסוף שווה לרבע מה- אורך הגל של התנודות המתפשטות לאורכו.
בתנאי שכמעט כל הקיבולת החשמלית העצמית של המעגל המשני נופלת על הטרמינל, אז במסוף מתקבלים האנטינוד (תמיד התנופה המקסימלית) של המתח והצומת (תמיד אפס) של הזרם, ובנקודת ההארקה - האנטינוד של הזרם והצומת של המתח. למקלט עיצוב דומה למשדר, עם ההבדל היחיד שהסליל הראשי שלו הוא רב-סיבוב, והקצר בתחתית הוא מִשׁנִי.
תוך אופטימיזציה של מעגל המקלט, טסלה הגיעה למסקנה שלצורך פעולתה היעילה ביותר יש לתקן את המתח מהפיתול המשני. לשם כך פיתח המדען מיישר מכני, המאפשר לא רק לתקן את המתח, אלא גם להעביר אנרגיה לעומס רק באותם רגעים שבהם המתח של הפיתול המשני של מעגל המקבל קרוב לערך המשרעת.