2.3. Однопроводные, двухпроводные линии передачи
Каждая линия передачи, в какой то степени поглощает часть мощности переносимого его поля. Мощность поглощается как металлом, ток и диэлектриком. Поэтому существует тенденция уменьшения поперечного сечения линии передачи, этим самым, добиваясь уменьшения затухания.
Одним из вариантов линий передачи с малым поперечным сечением является однопроводная линия.
Распространение электромагнитного поля вдоль тонкого прямолинейного проводника характерно тем, что в случае, если фазовая скорость меньше скорости света, то образуется поверхностная волна, экспоненциально убывающая по мере удаления от провода. Следовательно, значительная доля мощности удалена от проводника и распространяется в воздухе практически без потерь.
Недостатком однопроводной линии является то, что изменение направления линии вызывает излучение поля в месте поворота. Уменьшают излучение различными способами, в частности, при крутом повороте можно заменить однопроводную линию коаксиальным кабелем с рупорными переходами на концах. Однопроводная линия не нашла широкого применения, однако, в некоторых случаях её используют в диапазоне волн от нескольких метров до 3х см.
Однопроводные линии применяются на средних, коротких, дм волнах. Они характеризуются: погонной ёмкостью С1, индуктивностьюL1активным сопротивлениемR1, волновым сопротивлениемZB. Расчет характеристик однопроводных линий можно провести с помощью формул, помещенных в табл.2.4 и графика на рис.2.3.
И
ндукт.
с
опр.
Буквенные обозначения в формулах табл. 2.4 следующие:
— относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, используемого в фидере; — длина волны, в м;r– радиус фидера.
Для определения R1, значенияrподставляются в миллиметрах (мм),
фдлина волны в фидере.
r0 предельный радиус, определяемый из графика рис.2.3.
Коэффициент затухания фидера рассчитывается по формуле:
(2.34)
Двухпроводные линии передачи. Теперь остановимся на двухпроводной линии (рис. 2.4). Чаще всего такие линии применяются в диапазоне длинных волн для соединения антенны с приёмником или передатчиком. На более коротких волнах применять их не целесообразно потому, что тогда расстояние между проводами D будет соизмеримо с длиной волны, что при передаче вызовет излучение электромагнитного поля, т.е. произойдет превращение линии в передающую антенну, а при приёме — в приемную.
Погонные параметры двухпроводной линии передачи определяются по следующим формулам, а можно и воспользоваться формулами из табл. 2.4:
Мощность, переносимая волной типа Т:
(2.38)
При d/D<0,4 напряженность электрического поля равна:
Коэффициент затухания определяется выражением
Здесь корень квадратный учитывает повышение ослабления в следствии неравномерного распределения тока.
Тонны электропроводов на свалку, или История создания технологии резонансной передачи энергии
Можно ли совершить революцию в электроэнергетике, где уже десятки лет не меняются принципиальные, основополагающие технологии? Если обратиться к наследию знаменитого Николы Теслы, то можно, уверены российские учёные!
Несмотря на постоянные заверения учёных о развитии беспроводных технологий передачи энергии, даже самые «британские» из них не заикаются и даже не фантазируют о перспективах беспроводной передачи СКОЛЬ-ЛИБО ЗНАЧИТЕЛЬНЫХ объёмов электричества. Поэтому «беспроводка» даже на самом пике своего развития видится лишь технологией для комфорта, применимой в слаботочных портативных и домашних устройствах, а каких-то серьёзных переворотов в энергетической отрасли от неё ждать не приходится. А изменения эти были бы ох как желательны!
Первой в истории полноценной линией электропередачи считается 170-километровая линия с мощностью 220 кВт между немецкими городами Лауфен и Франкфурт, открытая в 1891 году. И с тех пор по всей планете зарыты в землю и подвешены на столбах и опорах миллионы тонн дорогостоящих цветных металлов – меди и алюминия. И эта масса в тоннах и в денежном эквиваленте продолжает непрерывно расти за счёт развития энергосетей и их модификации, без каких-либо принципиальных изменений с того самого 1891 года, поскольку ничего нового в проводной передаче энергии от источника к потребителю учёные до сих пор породить не сумели…
Впрочем, почему не сумели? Сумели. Вот только мало кто об этом знает, а консервативность электроэнергетической отрасли столь высока, что революционная технология, как нередко и случается, может, толком не родившись, сгинуть в безвестности… Об этом «Компьютерре» рассказали в одном из многочисленных московских НИИ с неблагозвучным названием «ВИЭСХ».
— Вокруг работ Теслы упорно поддерживается флёр загадочности. «Тайны, которые он унёс с собой в могилу», «секретные архивы, похищенные некими спецслужбами» и хранимые невесть где по сей день, и т.п.… Но если отбросить все эти фантазии и опираться на то, что существует по факту и подтверждено, ничего интересного для жёлтой прессы в наследии Теслы не окажется! – рассказывает «Компьютерре» Дмитрий Семёнович Стребков, руководитель ВИЭСХ – Всероссийского исследовательского института электрификации сельского хозяйства.
— Честно говоря, популярность Николы Теслы слишком велика у разного рода мистиков, «любителей непознанного», а также литераторов и кинорежиссёров. Поэтому сегодня многие люди искренне удивляются, услышав, что этот великий учёный радикально изменил ход развития электротехники и электроэнергетики, изобретя многое из того, чем мы пользуемся и по сей день.
«А мы думали, что он занимался лишь гигантскими молниями, тунгусскими метеоритами и растворяющимися в воздухе кораблями», — удивляются обыватели, приводя в пример желтогазетные шаблоны, совершенно бездоказательно приписанные гениальному сербу. И поэтому приходится признать, что разработанные в наши дни технологии, базирующиеся на открытиях Теслы, подсознательно вызывают некий скепсис, вызывая в голове перво-наперво мысли о фокусах и мистификациях… Это явно не идёт на пользу изобретениям и их разработчикам – ну хоть вымарывай из описаний упоминание о Тесле, право слово…!
— «Последователей Теслы» сегодня в мире очень много. Но большинство из них занимаются или визуальными шоу-эффектами с генераторами молний, или чисто теоретическими изысканиями, поисками утраченных рукописей и т.д. Поэтому когда наш институт со своей разработкой был приглашён в Сербию на празднования 150-летия их знаменитого земляка, мы оказались фактически единственными, кто получил награду за ПРАКТИЧЕСКУЮ реализацию элементов его наследия!
На основе работ Теслы мы реализовали и отработали практическую технологию однопроводной резонансной линии передачи энергии. Она имеет колоссальные преимущества перед тем, что используется сегодня, поскольку позволяет передавать электрические мощности по единственному проводу, толщина которого зависит только от его механической прочности! То есть, говоря по-простому, «волоска» толщиной 0,1 мм достаточно, чтобы гнать по нему десятки и сотни киловатт электроэнергии! Сейчас же для этого применяются кабеля, вес меди в которых достигает 1,5-2 тонн на километр, и даже больше. А сколько таких километров идёт между населёнными пунктами, вдоль железных дорог, по улицам городов – страшно подумать!
— Что же представляет собой резонансная линия электропередачи с технической точки зрения?
— Для простоты понимания начну с традиционных технологий. Обычная линия электропередачи (подземная или надземная, неважно) в классическом понимании и самом простом варианте – это два (в случае двухфазной линии) провода от источника к потребителю. Толщина этих проводов имеет прямую зависимость от нагрузки и потребляемого ею тока – для 2-3 сотен ватт домашней люстры достаточно проводов с сечением 0,75 квадратных миллиметра, для нагрузки в несколько киловатт уже требуются провода по 2,5 кв. мм и более. Для разводки провода, допустим, по дачному посёлку толщина кабелей и проводов уже сопоставима, примитивно выражаясь, с толщиной пальца взрослого человека. Вес и стоимость проводов пропорционально растёт, а также растут омические потери энергии в них.
Такое ещё сойдет при разводке проводов «на последней миле», но если бы провода на ЛЭП от электростанций к городам соответствовали потребляемому городами току, то были бы они толщиной со ствол столетнего дуба, что совершенно неприемлемо. Поэтому для того, чтобы передать одну и ту же мощность по более тонким проводам, используют повышенное напряжение – тысячи вольт. При неизменной мощности напряжение растёт, а ток падает: закон Ома. Меньше ток – тоньше нужен провод. Но даже и в этом случае сечение проводов на ЛЭП огромно, вес и стоимость их грандиозны.
Что предлагаем мы: на передающей стороне трансформировать электрический ток в высокочастотный (условно высокочастотный – на деле частота не превышает 50 кГц), подать его на колебательный контур, настроенный на эту частоту, и соединить контур с аналогичным на принимающей стороне. Соединить проводом, но — одним-единственным и очень тонким по сравнению с тем, что использовался бы в классической линии передачи. В резонансном режиме в линии достигается напряжение до 100 тысяч вольт, но токи ничтожны, поэтому потери на нагрев проводника в линии минимальны и соответственно не требуется значительное сечение и масса провода. Провод годится любой, фактически даже самый тонкий волосок!
Пониманию электрика такая система не будет близка, но человек, знакомый с техникой радиосвязи, без труда узнает в ней упрощённые радиоприёмник и радиопередатчик, но соединённые не эфиром, а проводом.
Главные достоинства системы:
— Содержание алюминия и меди в проводах может быть радикально снижено за счёт снижения их толщины в десятки раз;
— Потери электроэнергии в однопроводной линии крайне малы по сравнению с традиционной линией;
— Большинство линий электропередач можно будет сделать подземными вместо воздушных, исключив обрывы от погодной стихии, типа ураганов или ледяных дождей, а также огромные затраты на их строительство.
Помимо этого существует немало побочных преимуществ:
— В однопроводном кабеле невозможны короткие замыкания, этот кабель не может быть причиной пожара;
— Если сделать линию электропередачи в виде стального провода (для прочности), который будет покрыт тончайшим слоем меди (для электропроводности), то такие линии совершенно непривлекательны для расхитителей цветного металла;
— Несанкционированное подключение к однопроводным линиям и кража электроэнергии почти нереальны.
— Многие революционные технологии, доходя до практической реализации, демонстрировали свою несостоятельность – из-за дороговизны, сложности, высоких требований к наладке, затрудняющих массовое тиражирование, и т.д. Что в этом смысле собой представляет беспроводная резонансная передача?
— Мы достаточно долго изучали и обкатывали эту технологию, чтобы гарантировать её легкую повторяемость и надёжность. Вот по такому проводу мы у себя в лаборатории передавали мощность в 20 киловатт! Нагрузкой служил стенд из десятков 200- и 500-ваттных ламп накаливания.
После этого под землёй на территории института была проложена линия длиной 1,2 километра, подтвердившая отсутствие зависимости эффективности от расстояния.
Сейчас мы реализовали несколько практических экспериментальных систем однопроводной передачи энергии – например, в паре сельскохозяйственных комплексов в Подмосковье, где была сделана система освещения на «однопроводке», которая представляла собой экранированный коаксиальный провод, проверенный по всем нормам СанПиН на отсутствие превышения магнитных и электрических полей.
Ещё один интересный практический эксперимент – передача энергии для оборудования электрохимической катодной защиты газопроводов, который мы осуществили совместно с Газпромом. Дело в том, что на всех газо- и нефтепроводах обязательно через каждый 10 километров стоят станции катодной защиты, чуть с бОльшим интервалом – автоматика, задвижки и т.д. Для питания этого оборудования вдоль трубы пускают трёхфазную ЛЭП, которая представляет собой головную боль для нефтяников и газовиков, поскольку на большом протяжении она проходит по ненаселённым районам, сильно подвержена стихиям и труднодоступна для ремонта.
Мы взяли один из фазных проводов этой ЛЭП и использовали его как однопроводную линию на отдельном участке, продемонстрировав эффективность и огромную экономию меди, поскольку стандартно там идут 3 провода сечением по 70 «квадратов». Потом на этом же участке мы пустили ту же энергию по 1-миллиметровому проводу в коаксиальной оболочке, да ещё и с ничтожными потерями около 2 процентов. То есть толстенные медные и алюминиевые кабели оказались не нужны, а если тонкий провод закопать в землю, то и проблемы с защищённостью электроснабжения газопровода исчезают в принципе! Ещё один подобный эксперимент мы планируем совместно с Транснефтью.
— Сегодня технологии развиваются достаточно быстро, и как только появляется что-то новое, имеющее принципиально лучшие свойства, оно быстро вытесняет прежнее. Ну или как минимум внедряется наравне с ним, если новое, скажем, хотя и лучше, но существенно дороже. Почему же однопроводные линии не распространены повсеместно, при всех их достоинствах?
— Для начала внедрения таких линий требуется огромный комплект документов – сертификаты, надзорные акты, протоколы Роспотребнадзора, межведомственных испытаний и т.д. Но чтобы их получить, нужна реально действующая линия, на постройку которой у института средств нет. А то, что мы уже сделали в качестве наглядных экспериментов, хотя и демонстрирует эффективность, но для целей сертификации не годится по ряду причин…
При этом, несмотря на то что у производителей энергии и у электросетевых компаний имеются огромные средства на разного рода инновации, основополагающие технологии этими инновациями, как правило, не затрагиваются. Энергетика — крайне консервативная область, в ней изменения происходят за десятки лет, поскольку сфера эта очень финансовоёмкая и слишком много вкладывается в определённые технические решения и их реализацию…
Однопроводная передача энергии
В теме про квадруплекс мы уже упоминали, что телеграфисты часто использовали единственный провод, возвращая ток по земле. Можем ли мы использовать то же решение для передачи энергии?
Проводимость даже влажной земли на порядки хуже проводимости металла того же сечения. На первый взгляд может показаться что это ставит крест на возможности передачи энергии.
Но при расстояниях даже в единицы километров на середине пути ток может распределиться по объему земли сравнимых линейных размеров(несколько км) — мы имеем дело с проводником сечение которого измеряется в квадратных километрах. Сечение типичного провода измеряется в квадратных миллиметрах — это в триллион раз меньшая величина! На практике, сопротивление земли определяется в основном сопротивлением участка у заземляющего электрода и легко сводится к единицам Ом и меньше(типичное сопротивление провода на маломощной линии 0.1-1 Ом на км).
Перед нами открывается интересная возможность — пустив обратный ток через заземление мы уменьшим омические потери, сэкономим на втором проводе и сможем сэкономить на опорах. Последний пункт поподробнее — расстояние между опорами ЛЭП обычно определяется не прочностью провода, а проблемой перехлеста проводов. При большом пролете и небольшом расстоянии между проводами ветер неизбежно вызывает перехлесты, увеличение расстояния между проводами/уменьшение расстояния между опорами увеличивает затраты. С единственным проводом проблема перехлестов исчезает — обычная ЛЭП с 7 столбами на км заменяется однопроводной с 2.5 столбов на км.
Такие линии вполне используются в реале(см. single-wire ground return, SWER) — они используются в сельской местности в Австралии(200,000 км, 20% от общей длины), Новой Зеландии, Канаде, Бразилии, США и некоторых африканских странах, традиционные трамваи/электрички возвращают ток через рельс, и часть тока неизбежно идет через землю. Попаданцу особенно интересен опыт стран третьего мира — в Лаосе и Мозамбике такие линии составляют большинство. Как показывает практика, такая линия на треть дешевле обычной двухфазной и вдвое дешевле в обслуживании, так что такая популярность неудивительна. Даже обычные ЛЭП часто временно используют землю в случае обрыва одного из проводов.
Возникает естественный вопрос, почему же большинство ЛЭП возвращают ток по проводам?
Причина номер один, ставшая очевидной еще в конце 19 века, это резкое усиление коррозии металлических элементов — один ампер постоянного тока через конструкцию «съедает» примерно 10 килограммов железа в год(переменный ток десятки раз менее опасен в этом плане), а ток потребления электрички измеряется в килоамперах. Только в США блуждающие токи(stray voltage) от электротранспорта наносят ущерб в полмиллиарда долларов в год, в основном страдает собственность жд компаний. И это несмотря на многочисленные предупреждающие меры — рельс изолирован от земли специальными прокладками, так что сопротивление заземления может составлять сотни Ом/км, расстояние между тяговыми подстанциями может сокращаться до сотен метров, уязвимые конструкции снабжаются катодной защитой/слоем изоляции или подключаются к станциям автоматического усиленного дренажа.
На сельских однопроводных ЛЭП ток потребителя ограничивают десятком ампер и мирятся с коррозией, большие однопроводные линии принимают специальные меры — например катод заземления Baltic Cable(
1000 А) представляет собой кольцо диаметром в 2 км на дне моря в паре километров от берега.
Рядом с мощным заземлением возникает шаговое напряжение, которое может быть опасно для людей и животных. Наводки от блуждающих токов нарушают работу сигнальных систем — в 19 веке распространение трамваев заставило резко сократить использование земли для возврата сигнала телеграфа/телефона, сегодня наводки нарушают работу сигнальных жд систем и создают шум в аудиосистемах — для борьбы с этим их иногда отключают от заземления(см. cheater plug), что является весьма небезопасной практикой.
Некоторые специфические проблемы однопроводных систем — короткое замыкание на землю может быть трудноотличимо от нормальной работы линии, мощная линия искажает показания компаса на десяток градусов на расстоянии в сотню метров из-за того что магнитные поля провода и тока возврата не полностью компенсируют друг друга.
Однопроводные линии не так хороши с трехфазным током(он обеспечивает большую равномерность передачи энергии чем однофазный и позволяет использовать очень простые в устройстве асинхронные электродвигатели). Для трехфазной линии экономия на опорах сильно меньше и земля заменяет лишь один провод из трех, так что экономия уменьшается.
Попаданца большинство этих проблем волнуют куда меньше чем современных инженеров. Скорее всего большая часть электричества уйдет на электролизные и искровые установки, так что постоянный или двухфазный ток вполне устроит попаданца. Металлические трубы и опоры практически не используются хроноаборигенами. Телеграфные/телефонные компании скорее всего аффилированы с попаданцем, так что договориться с ними куда проще.
Мы уже отмечали возможные отличия попаданческих технологий от реала — быстрое развитие нарезного оружия, меньшую ценность персональной и корабельной брони, угнетение телеграфа более ранними телефоном и радио. Теперь к ним добавилось еще одно — массовое использование однопроводных ЛЭП.
Что еще можно сделать для упрощения линии передачи? Сразу отметим что мы не будем рассматривать системы в которых одиночный провод используется в качестве волновода для высокочастотных радиоволн(Goubau line, E-Line) — они относительно реалистичны, но слишком сложны и для попаданца и для любительского анализа.
У пытливого читателя может возникнуть мысль вообще отказаться от второго проводника. В конце концов, если соеденить проводом два объекта, заряженных до разных потенциалов, то по проводу потечет ток — произойдет передача энергии. Какое количество энергии мы можем передать таким способом? Очевидно, оно пропорционально емкости соединенных объектов.
Мы умеем создавать конденсаторы — устройства с огромной электрической емкостью. Но принцип их работы основан на маскировке заряда другим зарядом противоположного знака — получается набор диполей, а электрическое поле диполя уменьшается пропорционально кубу расстояния, т.е. быстрее чем поле одиночного заряда. Очевидно что для работы конденсатора надо два проводника — для отвода заряда с одной пластины и подвода к другой.
В однопроводной схеме мы сможем использовать лишь уединенную емкость, это естественная емкость любого объекта. Если сообщить предмету заряд, то заряженные частицы распределятся по его поверхности, минимизируя потенциал, чем больше предмет, тем дальше друг от друга частицы и меньше напряжение. Уединенная емкость крайне мала по сравнению с емкостью обычного конденсатора. Для предмета размером порядка метра это 100 пикофарад. При напряжении в 1000 Вольт мы можем передать аж 0.00005 Дж за один цикл. Соответственно даже на частоте 10 кГц мы передадим смешную мощность порядка 0.5 Вт. Разумеется полноценный расчет куда сложнее, надо учитывать все эффекты, возникающие в колебательной системе. Но все эти эффекты работают лишь на ухудшение конечного результата, так что мы получили разумную оценку сверху.
Катушка Теслы может работать на частотах до мегагерца и напряжениях в миллионы вольт, так что в принципе однопроводная схема может передавать и гигаватты. Но при увеличении частоты многие виды потерь растут нелинейно — токи Фуко пропорциональны квадрату частоты, радиоизлучение — четвертой степени, увеличение напряжения вызывает огромные потери на коронный разряд на тонком проводе и т.д. т.п. При обычных напряжениях и частоте такая система имеет смехотворно низкую мощность, при увеличении напряжения она все еще уступает традиционным аналогам, а при увеличении напряжения и частоты может догнать традиционные системы по мощности, но безнадежно уступает по экономичности. Сеть полна видео фриков, показывающих использование катушки Теслы для передачи сотен ватт на несколько метров по одиночному проводу. В этих экспериментах нет ничего неожиданного для грамотного инженера. Ничего неожиданного и ничего практически ценного.
Из колебательных эффектов надо отдельно упомянуть волшебное слово «резонанс». Фрики знают что на обычного человека оно действует гипнотизирующе, так что вставляют его к месту и не к месту. Скажем, небезызвестный Назгул рекламирует свое изобретение — подрыв нескольких взрывных зарядов на резонансной частоте человеческого тела якобы обладает феноменальным поражающим эффектом. Резонанс действительно может приводить к неожиданным разрушениям, если энергия маломощного источника(топот солдат) накапливается в колебательной системе с хорошей добротностью(мост). Но с взрывным устройством у нас нет никаких проблем с мгновенным высвобождением всей доступной мощности. Все чего мы можем добиться при резонансных взрывах это сильно ухудшить действие взрывчатки за счет неточного совпадения частот и рассеяния энергии в теле человека(или кто-то полагает что колебательная система из мяса имеет высокую добротность?). В некоторых случаях мы могли бы усилить разрушающее действие, переведя большую часть энергии взрыва в определенный частотный диапазон, но это явно требует куда больших усилий чем просто подрыв нескольких зарядов по таймеру.
При передаче энергии по одиночному проводу частоты приемника и передатчика должны быть согласованы, чтобы «мячик» заряда которым они перекидываются передавался без задержек и помех. Но попытки добиться высокой добротности колебаний бессмысленны — стоячая компонента резонансной волны не передает энергии по определению, многократная передача заряда туда-сюда приведет лишь к увеличению потерь, аналогичные проблемы вызывают реактивные сопротивления в традиционных энергосистемах. Катушка Теслы также использует резонанс для простого получения высокой частоты, но устройство генератора слабо влияет на сам процесс передачи. Никаких магических результатов резонанс при однопроводной передаче энергии не дает. Точка.
Ладно, а что если мы используем Землю в качестве единственного провода(да-да, Тесла, башня Ворденклиф, секретные технологии рептилоидов Анунахов)? В конце-концов стоимость киловатчаса на станции Восток немного выше стоимости энергии в цивилизованных местах, можно смириться даже с низким КПД. Как пример можно привести нашумевшую в 2013 г. статью «Как работала Башня Тесла по передаче энергии» — в комментах многочисленные «технари» пытаются найти проблемное место проекта, в основном безуспешно.
Проблема такой системы в том что провод это одномерная система, а Земля уже двухмерная(скин-эффект не пустит волну глубже нескольких километров). Как показывает практика ненаправленная беспроводная передача худо-бедно работает на расстояниях порядка километров, а размеры планеты на 4 порядка больше.
Опять вспомним магическое слово — резонанс, на этот раз уже по делу. В резонаторе волна проходит через систему несколько раз, соответственно в несколько раз увеличивается и плотность энергии. Нам надо увеличить плотность энергии в 10,000 раз, так что нужна система с чудовищно хорошей добротностью. Волна должна пройти через десятки и сотни миллионов километров земных пород/воздуха, сохранив большую часть энергии.
Возможно, нам повезло и Земля обладает требуемой добротностью на определенной частоте? Нетрудно прикинуть что на таких расстояниях одни только омические потери становятся неприятно большими. А ведь при волна будет терять энергию еще и на поворот диполей в поляризуемых породах, перемагничивание доменов, излучение…
Какие бы модели мы не приводили, всегда остается возможность ошибки. Эксперимент — лучший судья. Если бы мы могли посмотреть на результат быстрого «впрыскивания» в Землю мощного электрического заряда… Секундочку, а как насчет молнии? Импульс тока достаточно резкий чтобы возбуждать колебания до сотен МГц, молния это десяток кулонов заряда и гигаджоуль энергии. За секунду в Землю бьет примерно сотня молний, это сотня гигаватт, даже если на нашу частоту суперрезонанса придется одна миллиардная, то работа молний эквивалентна работе башни Тесла в сотню ватт. Если башня мощностью в мегаватты способна передавать полезные количества энергии, то результат накачки резонатора планеты сотней ватт должны легко обнаруживаться приборами.
Фрики часто рисуют красивую «зебру» стоячих волн резонанса через всю Землю, понятно что удары молний не могут создать такой однородный рисунок. Но такой рисунок не может создать и одиночная башня — фазовая скорость волн до десятка килогерц в морской воде и твердых породах отличается в десятки раз. Неоднородность верхних слоев неизбежно исказит фронт волны до неузнаваемости. Это не важно, важна лишь добротность системы. Если она достаточно высока, то планеты будет накапливать передаваемую энергии до тех пор пока ее плотность не возрастет до достаточно высокой для легкого сбора. Если она низка, то проект неосуществим. Таким образом удары молний это вполне адекватный аналог башни Теслы.
Как показывают наблюдения за молниями(и весь опыт радиоспециалистов), на волны хоть-сколько то высоких частот быстро затухают. Даже на частотах в килогерцы затухание составляет примерно 2-3 дБ на тысячу км — за один оборот вокруг Земли волна ослабевает в миллиард раз, а на более высоких частотах картина еще печальней. Худо-бедно планета резонирует на нескольких частотах порядка десятка Гц — т.н. резонанс Шумана. Добротность планеты на этих частотах — 3-8 единиц(Schumann Resonances by Janis Gales, Q factors of the Schumann resonances by Toshio Ogawa and Yoshikazu Tanaka), т.е. волна теряет больше половины своей энергии уже через несколько оборотов. Если бы планета резонировала на некоторой частоте в тысячу раз лучше чем на частотах резонанса Шумана, мы не смогли бы это упустить. В общем, добротность Земли даже близко не дотягивает до чисел при которых резонансная передача энергии имела бы смысл.
Однопроводный ток – реальность, снижающая затраты на передачу энергии в сотни раз!
Тогда он взял пластмассовую расческу, натер ее и стал махать возле лампы. И лампа снова зажглась. А ведь в институте учили другому: нужно либо подвести к лампе два конца, анод и катод, либо поместить газоразрядную лампу в переменное электромагнитное поле достаточно высокой частоты.
Статический заряд почти невесом, чтобы получить его и переместить в пространстве, тяжелой механической работы производить не надо, мощные и металлоемкие двигатели и генераторы могут оказаться ненужными. Изобретатель старался получить свободный заряд, придать ему направленное перемещение, заставить действовать так же, как и обычный ток в проводах. Для этого он пытался преобразовать обычный ток из электросети в ток смещения свободных статических зарядов (в так называемые реактивные токи). Первичным источником служили обычные звуковые генераторы, используемые в радиотехнике. Из литературы он узнал о трансформаторе Теслы (этот ученый также пытался передавать на расстояние электрическую мощность с помощью реактивных токов) и использовал этот опыт.
Трансформатор Авраменко
Дело пошло. Сначала появились малые токи, 2‑3 Вт, потом – большей мощности. В результате Станиславу Викторовичу удалось сделать то, что до этого не получалось ни у кого: создать систему передачи тока свободных статических зарядов по одному проводу.
На выходе созданного Авраменко трансформатора мы имеем обычный переменный ток, который попал туда из обычной же электросети, только с полной асимметрией выходного напряжения: один конец вторичной обмотки остается под нулевым потенциалом, а вся синусоида подаваемого тока находится на другом ее конце. В трансформаторе Теслы второй конец был заземлен, небольшой потенциал на нем все‑таки был, нулевого добиться ему не удалось. А в трансформаторе Авраменко подсоединяем к «нагруженному» электроду всего один провод и гоним электричество по нему.
В научных журналах (например, «Изобретатель и рационализатор»), заинтригованных уникальным явлением, пытались объяснить природу этого «однопроводного электричества». Рассказывалось и о трансформаторах без сердечников, подобных трансформаторам Теслы, о «вилке Авраменко» – включенных особым образом диодах. С их помощью удавалось накачивать энергией некую емкость, из которой потом получать эту энергию и перемещать ее по незамкнутой цепи, то есть по одному проводу. Причем течет она не внутри этого провода, а как бы вдоль него. По словам самого Авраменко, «поле перемещается вдоль провода как по волноводу». Из теории электричества известно, что токи смещения закону Джоуля – Ленца не подчиняются. Стало быть, сечение этого провода значения не имеет, он может быть тоньше волоса, его задача – лишь указывать направление. Кроме того, провод не нагревается, и потерь энергии почти нет.
В системе Авраменко ток проводимости из сети выпрямляется, преобразуется в реактивный ток нужной частоты, который передается по одному проводнику на любое расстояние, а там вновь преобразуется в обычный ток проводимости, заставляющий гореть лампы, крутиться моторы, работать лазеры и нагревать электроприборы.
Преимущества однопроводного электричества
Полного теоретического объяснения работы однопроводной системы нет и сегодня. Вопросы остаются, светила электротехники ответа на них не находят. И тем не менее возможность передачи энергии по одному проводу Авраменко доказал экспериментально. Это было около десяти лет назад.
За прошедшее с этого момента время Авраменко удалось установить уникальные свойства однопроводной сети.
Прежде всего выявились огромные преимущества однопроводной передачи электроэнергии на расстояние. При передаче ее обычным способом 10‑15% энергии теряется на нагрев проводов (джоулево тепло). Для однопроводной же передачи можно брать настолько тонкий провод, насколько это позволяют соображения прочности, скажем, 2‑4 мм в диаметре. Если в современных цепях плотность передаваемого тока не превышает 6‑7 А/мм2, то по однопроводниковой она достигает 428 А/мм2 при мощности в 10 кВт. Причем провод не нагревается, а джоулевы потери уменьшаются почти в сто раз. Во столько же раз, соответственно, уменьшается расход меди на провода. Мало того, провода могут быть сделаны из обычной стали: ведь их электропроводимость значения не имеет, их задача – указывать направление тока. Что это значит? А это значит – происходит колоссальная экономия на опорах и проводах линий электропередач, а также контактных линий электротранспорта. Их можно сделать значительно менее громоздкими и материалоемкими.
Электрический ток… по трубопроводам
Станислав Викторович стал приглашать на демонстрацию опытов различных специалистов, руководителей Минэнерго, ученых из ФИАН, МИФИ и пр. Ни расчетам, ни своим глазам никто не верил. Первым человеком, поверившим Авраменко, стал директор Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства (ВНИИЭСХ), академик РАСХН, профессор, д. т. н. Д.С. Стребков. Он первый понял, что все демонстрируемое изобретателем вполне подчиняется законам физики и электротехники.
Дмитрий Семенович пригласил Авраменко к себе в институт, создал там соответствующую лабораторию, выделил оборудование, выбил деньги, и опыты стали производиться на гораздо более серьезной основе. Если раньше у Авраменко была лишь небольшая десятиваттная установка, то во ВНИИЭСХе изготовили опытную установку мощностью в 100 Вт, позволившую провести ряд важных экспериментов.
Например, было доказано, что однопроводное электричество можно передавать не только по медному проводу. Как происходит такой эксперимент? Выходящий из трансформатора Авраменко и батареи конденсаторов, где генерируются мощные статические заряды, стальной провод ныряет в лоток с водой, за которым идет графитовая нить, затем в лоток с грунтом (лотки, разумеется, изолированы). В линии специально устроены разрывы, в них возникают дуговые разряды между проводом и водой, землей, графитом. По проводу ползает однопроводная троллея (макет троллейбусной, например), отбирающая энергию для находящихся тут же потребителей. В конце линии подключена лампочка. Ток проходит по всем этим проводникам и зажигает ее.
Что этот опыт доказывает? А то, что можно постоянно и без больших потерь передавать энергию по любым токопроводящим изолированным веществам. Например – по трубопроводам, оптоволоконным линиям (по волокну передается информация, а ток – по металлической оплетке кабеля) и т.п. (патент РФ № 2172546). А раз так – то можно изобрести массу машин и устройств, использующих это явление.
Не воруйте провода, они… стальные!
Авраменко совместно со Стребковым и к.т.н. А.И. Некрасовым, руководящим лабораторией ВНИИЭСХа, разработали дождевальную машину, идущую вдоль арыка или лотка с водой и получающую из них не только воду, но и энергию для своей работы. Еще одна область применения (патент № 2136515) – оборудование для питания трамваев, троллейбусов, электропоездов и электромобилей с помощью одной троллеи взамен обычных двух (причем при этом по рельсу ток не идет!), а также – оборудование для питания мобильных электроагрегатов, вроде тракторов, аэростатов, вертолетов по сверхтонкому и легкому кабелю (патент № 2158206). Мало того, реактивные токи установки Авраменко можно передавать по лазерному лучу вообще без проводов (патент № 2143735), а за пределами атмосферы – и по электронному лучу (патент № 2163376).
Но корифеи все не верили, специальные журналы в публикациях отказывали: «Большие мощности все равно невозможно передать на расстояние. Сделайте киловаттную установку».
Ну, так ведь и сделали! Тут призадумались уже и специалисты. Первым всерьез заинтересовался «Газпром» – организация, далеко не бедная и на перспективные разработки денег не жалеющая. Вдоль газопроводов сейчас обязательно устраивают линии электропередачи для катодной защиты, питания перекачивающих насосов и для других эксплуатационных служб. Линии эти стоят дорого, провода из цветных металлов воруют. А при однопроводной передаче энергии можно протянуть стальной провод или даже пустить ток по самой трубе.
Воробей не сядет
«Газпром» спонсировал изготовление еще более мощной установки, на 20 кВт. Ее сделали с запасом: Д. С. Стребков утверждает, что она выдаст и 100 кВт. Установленный в начале этой линии высокочастотный трансформатор генерирует мощные электростатические заряды, которые концентрируются вдоль линии к резонансному контуру понижающего трансформатора Теслы и через выпрямитель отводятся к нагрузке, то есть к потребителям. Передает установка энергию по проводку толщиной всего в 80‑100 мкм: его можно увидеть, только подойдя вплотную. Он отчаянно вибрирует, когда установка включена, иной раз даже отрывается от изолятора (разумеется, в реальных условиях столь тонкий провод никто ставить не собирается, он разорвется, даже если на него сядет воробей). И тем не менее по этому волоску течет ток, который питает 24 киловаттных лампы, мощный электромотор и пр.
Такая система имеет в сотни раз лучшие электрические параметры, чем традиционные двух-трехпроводные. При этом в конструкции установки применены стандартные, серийно выпускаемые отечественной промышленностью узлы: например, преобразователь, применяемый при термообработке труб, конденсаторы и пр. Между тем НПО «Сапфир» по заказу ВНИИЭСХа разрабатывает в настоящее время во много раз меньшие преобразователи на тиристорах, так что можно ожидать, сверх всего прочего, что установка станет гораздо более компактной.
Электротрактор без барабана и коагулятор в кармане
Применение принципиально новой системы подачи электроэнергии позволит значительно упростить и удешевить строительство троллейбусных и трамвайных линий или, допустим, даст возможность устанавливать на автомобилях электропривод с «антенной», чтобы водители, подъехав к устроенным повсеместно однопроводным линиям, подсоединялись к ним и ехали куда угодно, отключив ДВС и не загрязняя атмосферу.
Кроме того, можно было бы вернуться и к электротракторам, работающим от кабеля. От них в свое время отказались из‑за того, что барабан кабеля, устанавливаемый на тракторе, весил 3 тонны. Теперь же его вес составит не более 30 кг. Да и без барабана можно обойтись.
Можно создать аэростатное телевидение, установив ретрансляторы километрах в десяти над землей. Или устроить аэростатную же систему мониторинга огромных площадей лесов или полей. Сейчас только вес кабелей мешает этому.
Но и это еще не все. Энергию по лазерным и электронным лучам можно передавать даже на спутники и ракеты!
Но это пока только будущее.
Однако вот вам настоящее: коагуляторы крови, изготовленные с помощью однопроводной системы. Эти приборы применяют для остановки крови при ранах и операциях, они как бы сваривают крохотной дугой электроплазмы края разорванных сосудов. Существующие сегодня в мире коагуляторы мощностью 8 Вт представляют собой громоздкую тумбу, стационарную или на колесах, весом около сотни килограммов, охлаждаемую водой из водопровода и потребляющую более киловатта энергии. Точно такой же мощности и еще более эффективного действия коагулятор, изготавливаемый во ВНИИЭСХе, питается от обычных аккумуляторных батареек, весит несколько сот граммов, помещается в «дипломате» или бардачке автомобиля, так что может работать и в полевых условиях, и дома. Тем более что его стоимость сегодня составит примерно $1000 (против 45‑60 тыс. $ для громоздких зарубежных аналогов). Он может использоваться и уже используется не только в клиниках, но и в салонах красоты, для уничтожения бородавок, папиллом, татуировок и пр.
Сегодня работами Авраменко и его коллег весьма пристально интересуются иностранцы. Изобретения были отмечены золотой медалью Салона инноваций в Брюсселе и золотой медалью Николы Теслы, выдаваемой за выдающиеся работы в области электротехники. Англичане и японцы оплатили международное патентование, причем американцы выдали патент, в котором работы российских ученых названы «букетом открытий». С Индией ведутся переговоры о поставке демонстрационной установки в 25 кВт.
Но увы, увы и еще раз увы! О широком, массовом применении однопроводного тока в России пока приходится только мечтать.