Najznačajniji izumi

Tesla se bavio elektrotehnikom u raznim oblastima, gde god je postojala i najmanja mogućnost za njenu primenu. Zbog toga postoji raznovrsnost oblasti Teslinih pronalazaka. Tu spadaju najpre elektrotehnika, a odmah zatim i mašinstvo. Teslini pronalasci su takođe bili primenjivani i u oblastima telekomunikacija i medicine.

Neki od najpoznatijih izuma su: Teslin transformator (i generator) struja visoke frekvencije, poznat kao Teslin oscilator; indukcioni motor (poznat kao asinhroni motor); teledirigovani čamac (čamac sa daljinskim navođenjem); sijalice; prenos električne energije na daljinu bežičnim purem.

Svakako najveći doprinos elektrotehnici je iz oblasti energetike. Tesla je izmislio naizmeničnu struju.

Naizmenična struja ima velike prednosti nad jednosmernom. Jedna od prednosti jeste smanjenje gubitaka prilikom prenosa električne energije od elektrana do krajnjih potrošača, što je veoma važno. Gubici u prenosu zavise od kvadrata jačine struje, odnosno gubici rastu sa kvadratom struje. Zato je potrebno imati što manju struju kroz prenosnu mrežu. Naizmeničnu struju je najlakše umanjiti ugradnjom transformatora koji podižu napon, a samim tim smanjuju struju, jer njihova snaga zavisi od proizvoda napona i struje.

Tesla je uzeo tri kalema i prostorno ih pomerio za trećinu kruga, tako da je dobio sistem prikazan na sledećoj slici.

Sistem kalemova za dobijanje obrtnog polja

Kroz te kalemove je propustio svoju naizmeničnu struju. Da bi video šta je uradio, uzeo je jedno jaje (veštačko naravno) i stavio ga unutar sistema. Jaje je počelo da rotira oko svoje aksijalne ose i to na svom vrhu. Ovakav sistem tri kalema se naziva trofazni sistem.Trofazni sistem naizmeničnih struja najlakše stvara obrtno elektromagnetno polje, na čijem principu i danas rade asinhroni (indukcioni) motori, koji ne moraju imati provodnike na svom rotoru.

Kako naizmenična struja menja svoju vrednost tokom vremena, ona je u jednom trenutku jednaka nuli. Ova činjenica olakšava isključenje struje, što je takodje bitno za očuvanje opreme, jer struje mogu biti veoma velike. Inače, struja u toku jedne periode (koja traje 20ms ili pedeseti deo sekunde) tri puta bude jednaka nuli.

Kao „drugi“ bitan pronalazak, isto toliko važan, jeste Teslin indukcioni motor, danas poznatiji kao asinhroni motor. Motor ima ulogu da električnu energiju koju dovodimo na krajeve njegovog statora, pretvori uz pomoć elektromagnetnog obrtnog polja u mehaničku energiju koja se manifestuje obrtanjem rotora.

Kako asinhroni motor radi?

Vrlo jednostavno. Na kralemove statora se dovodi naizmenična struja koja stvara promenljivo elektromagnetno polje. Kada se neki provodni element (parče gvoždja, bekarni provodnik idr.) nađe u promenljivom elektromagnetnom polju na njegovim krajevima se indukuje elektromotorna sila (ems) i kroz njega protiču struje. Kada kroz provodnik protiče struja, na njega deluje sila koja teži da ga pomeri. Ovo se upravo odigrava u gvožđu i na provodnicima.

Zašto je Teslin indukcioni motor tako poseban?

Poseban je zato što na njegovom rotoru nema namotaja (kao i na modelu Teslinog jajeta), a rotor se ipak okreće.

Dakle, Teslin indukcioni motor se sastoji od:

-         magnetskog kola (gvožđe statora i rotora),

-         električnog kola (bakarni namotaji na statoru).

Prvi Teslin indukcioni motor bio je dvofazni i bez žlebova po unutrašnjem obimu statora. Ovo nije bilo dobro, jer sva sila koja je trebala da pokreće rotor delovala je na provodnike umesto na magnetno kolo rotora. To je bio veliki problem, jer  te sile nisu male. Ovaj teslin motor bio je napajan, u početku, bio napajan naizmeničnom strujom od 133Hz. Bio je konstruisan sa istaknutim polovima. Sa Vestinghausom je sklopio ugovor od 250 000$ + 2,5$/KS (dolara po konjskoj snazi). Naravno, ovo nije dugo trajalo, pa je Tesla morao da se odrekne dodatka od 2,5$/KS na zahtev (molbu) Vestinghausa koji je već počeo da grca u dugovima.

Danas se asinhroni motori izrađuju za velike opsege snaga i brzina. Mogu biti snage do nekoliko desetina MW, a brzina obrtanja može dostići brzine od približno 3000 obrtaja u minuti. Bitna osobina ovih motora je u tome što povlače iz mreže od 6 do 10 puta veće struje od nominalne koju ima pri stalnom radu. Ovo je veoma težak udar za mrežu. Zato se asinhroni motori puštaju u rad preko nekih dodatnih uređaja. Savremeni asinhroni motori se sada izrađuju uglavnom kao trofazni. Oko 99% motora danas u svetu su trofazni i jednofazni asinhroni motori. Pored asinhronog motora sa kaveznim rotorom, postoji i motor sa namotanim rotorom koji ima namotaje od bakra na svom rotoru.

Rotor (levo) i stator (desno) asinhronog motora sa kaveznim rotorom (bez namotaja na rotoru); Kavezni rotor asinhronog motora; Namotani rotor asinhronog motora

Nakon raskida ugovora sa Vestinghausom, Tesla počinje rad u oblasti struja visokih frekvencija.

Napravio je kalem sastavljen od nekoliko rezonantnih oscilatornih kola. Tesla je konstruisao mnogo različitih oscilatora koji se dosta razlikuju u konstrukciji.

Oscilator visokog napona visoke frekvencije u australijskom muzeju

Prvi teslin kalem je bio napracvljen od staklene posude dimenzija 6 x 8 inča sa 60 do 80 navojaka. U se nalazi primar koji se sastoji od 8 do 10 navojaka, i cela kombinacija je potopljena u posudu sas mineralnim uljem.

Na osnovu ranijih istraživanja drugih naučnika, Tesla je razvio seriju različitih kalemova koji su davali struju visokog napona i visoke frekvencije. U većini svojih eksperimenata koristio je mašine koje je sam izumeo. Prvi kalemovi su radili na principu proboja u zoni električnog luka (vazdušni prostor koji se na slici 6 nalazi između kuglastih elektroda). Ovo se isto može postići primenom Ramkorfovog kalema, dva kondenzatora i još jednog specijalno konstruisanog namotaja između čijih krajeva se dešava proboj.

Jedna od konstrukcija Teslinog oscilatora

Ramkorfov kalem se napaja iz glavnog izvora i na njegove krajeve su redno vezana dva kondenzatora. Ispred njih, a paralelno Ramkorfovom namotu nalazi se prostor električnog luka. Elektrode na kojima se ovija električno pražnjenje su najčešće u obliku kugli, mada je Tesla koristio razne oblike elektroda (šiljak, ploča). Kondenzatori su napravljeni od pokretnih ploča koje su potopljene u ulje. Što su ploče bile manje to je pražnjenje bilo učestalije. One su, takođe, smanjivale i veliku samoinduktivnost sekundarnog namota.

Kondenzatori su zatim vezani na po jedan primar, drugog, specijalno dizajniranog namota. Oba primara imaju po 20 navojaka gumom izolovane žice. Sekundar ima 300 navojaka svilom izolovane žice.

Kasniji Teslini oscilatori su bili veći, i radili na mnogo većim naponskim nivoima. Kondenzatori su bili veći i potopljeni u ulje kako bi se umanjila korona. Ulje je koristio i kao izolaciju namota transformatora.

Moderni oscilatori koriste bifilarno motane namotaje na vazdušnom jezgru. Ovaj rezonantni transformator generiše vosoki napon na radio frekvencijama. Namotaj dostiže veliki napon koristeći energiju jednog rezonantnog kola (primara) prenoseći je na drugo rezonantno kolo (sekundar). Takođe, moderan Teslin oscilator je dizajniran da generiše dugačke električne lukove, dok je Teslin prvi oscilator bio konstruisan za bežičnu komunikaciju  i prenos snage. Tesla se dosta bavio radio tehnikom. Jedan od bitnijih radova bila je eliminacija smetnji u radio vezama. Tesla je znao da se prirodne i veštačke smetnje prostiru kroz zemlju i vazduh na potpuno isti način, i da i jedne i druge mogu da generišu i horizontalne i vertikalne elektromotorne sile (ems). U vazduhu se potencijal povećava oko 50V po stopi u vertikalnom pravcu, i zato nastaje naponska razlika od 20 ili čak 40000V između gornjeg i donjeg kraja antene. Mase naelektrisane atmosfere koje su stalno u pokretu izazivaju struju u provodniku koja nije ujednačena, već prilično haotična, što proizvodi impulsni šum u osetljivoj telefonskoj slušalici. Što je viši terminal i veći prostor ispunjen žicama efekat je jači. Taj efekat je čisto lokalnog karaktera i malo ima veze sa pravim problemom.

Godine 1900. Tesla je usavršavao svoj bežični sistem, a jedan model aparata je imao 4 antene. Antene su pažljivo podešene na istu frekvenciju i paralelno povezane u cilju povećanja prijema iz bilo kog pravca. Kada je pokušao da utvrdi poziciju izvora prenesenih impulsa, svaki dijagonalno postavljen par bio je posebno vezan serijski sa primarnim kalemom za pobuđivanje kola detektora. U prvom slučaju zvuk u telefonu je bio dosta jak, dok ga u drugom slučaju uopšte nije bilo kao što je Tesla i očekivao. Dve antene su neutralizovale jedna drugu, ali su se statičke smetnje javljale u oba slučaja.

Korišćenjem prijemnika koji su uzemljeni na dva mesta, smetnje koje su posledica naelektrisanja vazduha poništavaju se, a podložnost ostalim vrstama smetnji redukuje se na polovinu zbog usmeračkih karakteristika kola.

Tesla je 1896. godine konstruisao jedan uređaj koji je mogao da obavlja više operacija. Taj uređaj se prvi put pojavio 1898. godine i izazvao je najveću senzaciju kao nijedan njegov izum do tada. To je bio brodić na daljinsko upravljanje bez žica. Njime se upravljalo sadejstvom više kola, tako da je svaka interferencija bila isključena. Najčešće je koristio prijemna kola u obliku petlji kondenzatora.

Tih dana konstruisan je još jedan teleautomatski brod. Kretanje broda se kontrolisalo pomoću više zavojaka postavljenih u utrobu broda koji je potpuno hermetički zatvoren i mogao je da zaroni. Aparatura koju je konstruisao bila je slična kao i u prvoj verziji broda, samo sa malim dodacima.

Tesla je dosta radio na sistemu za bežični prenos električne energije, tj. na prenos električne energije kroz prirodni medijum (zemlja, vazduh). Te eksperimente je obavljao u svojoj laboratoriji u Kolorado Springsu.

Tesla je adaptirao jedan od svojih prijemnih transformatora u nameri da eksperimentalno odredi električni potencijal Zemljine kugle i da odredi njegove učestale i slučajne promene. U sekundarno kolo transformatora bila je uključena specijalna naprava koja se sama vraća u početno stanje, a upravlja radom registrujućeg instrumenta. Primarno kolo je bilo jednim krajem spojeno sa zemljom i sa jednim uzdignutim krajem čija se kapacitivnost može podešavati. Promene potencijala su izazivale električne udare na primaru, oni su proizvodili struje u sekundarnom kolu, a srazmerno tim strujama delovao je registrujuči instrument preko svoje specijalne naprave. Utvrđeno je da Zemlja bukvalno treperi od električnih vibracije.

Tada je Tesla sa svojim pomoćnikom Levenštajnom ekspeimentalno dokazao postojanje stacionarni htalasa za koje je i sam mislio da tako nešto nije moguće. Dakle, naša planeta se i pored tako ogromnih dimenzija ponašala kao jedan provodnik ograničenih dimenzija. Ovo je bio osnov Teslinog razmišljanja o mogućnosti slanja telegrafskih poruka bez živa na bilo koju daljinu, pa čak i prenošenja energije u neograničenim količinama na bilo koju udaljenost na Zemlji i to bez ikakvih gubitaka.