نيکولا تسلا

 

مقدمه

نيکولا تسلا (10 جولاي ، 1856 - 7 ژانويه ، 1943) يک فيزيکدان ، مخترع و مهندس برق صربي - آمريکايي بود. مشهورترين کوشش تسلا ارائه تئوري الکتريسيته جريان متناوب چند فاز بود که او در ساخت اولين موتور القايي در سال 1882م بکار برد و نيز توسعه طراحي تعداد زيادي از ديگر ماشينهاي الکتريکي و فنآوريهاي مرتبط. تئوري او و بسياري از |اختراعات ثبت شده او زير بناي سيستم توان الکتريکي پيشرفته کنوني را پايه گذاري کردند. تسلا همچنين براي اختراع سيم پيچ تسلا و توربين بدون تيغه (که بر اساس اصول روان روي مايعات و اثر لايه مرزي کار مي‌کند) مورد توجه قرار گرفته است.

مجله life در يک شماره اختصاصي که يک بار چاپ مجدد شد، تسلا را در بين صد نفر از مهمترين افراد هزاره گذشته شمرد. او رتبه 57 را در اين بين کسب کرد و در موردش گفته شده بود يکي از دور انديشترين مخترعين عصر الکتريکي. آنها بيان مي‌کنند که کار او بر روي ميدان دوار مغناطيسي و جريانهاي متناوب به برقدار کردن جهان کمک کرد. تسلا، واحد SI اندازه گيري چگالي شار مغناطيسي يا القاي مغناطيسي (که عموماً به عنوان ميدان مغناطيسي B شناخته مي‌شود)، به افتخار او نام گذاري شده است (در Conférence Générale des Poids et Mesures ، پاريس ، 1960م).

سالهاي اوليه

تسلا در دهم ژولاي 1856 در سميلجان در نزديکي گوسپيک ، ليکا به دنيا آمد. پدرش ، پدر روحاني ميلوتين تسلا ، در مرکز صرب ارتودکس کارلوچي يک کشيش بود. مادرش ، دوکا مانديک تجهيزات صنايع خانگي درست مي‌کرد. تسلا يکي از پنج فرزند اين خانواده بود. او يک برادر و سه خواهر داشت. تسلا در کارلواک(آستريا - هانگري) به مدرسه رفت و سپس مهندسي برق را در پليتکنيک آستريا در گراز ، آستريا در سال 1875م به پايان رساند. در اين هنگام او به مطالعه کاربردهاي جريان متناوب پرداخت.

در سال 1881م او به بوداپست رفت تا براي شرکت تلگراف کمپاني آمريکايي تلفن کار کند. هنگام گشايش مرکز تلفن در بوداپست ، سال 1881م ، تسلا سرتکنسين شرکت بود و بعدها مهندس دولت يوگوسلاو و مهندس اولين سيستم تلفن کشور شد. او يک تکرار کننده تلفن (يا تقويت کننده) را نيز ساخت. براي مدت کوتاهي او در ماريبور اقامت کرد. او در اولين شغلش به عنوان کمک مهندس استخدام شد. در اين زمان تسلا از يک آشفتگي رواني رنج مي‌برد.

در سال 1882م او به پاريس رفت تا در آنجا به عنوان يک مهندس براي شرکت آمريکاي شمالي اديسون بر روي بهبود طراحي تجهيزات الکتريکي کار کند. در همين سال او به فکر موتور القايي افتاد و شروع به ساخت دستگاههاي مختلفي کرد که از ميدانهاي مغناطيسي دوار استفاده مي‌کردند (که او براي آن در سال 1888م حق ثبت اختراع گرفت). با شنيدن خبر بيماري مادرش ، تسلا به سرعت سراغ مادرش رفت و تنها چند ساعت قبل از مرگ مادرش در سال 1882م پيش او رسيد. پس از مرگ مادرش تسلا بيمار شد. او مدت دو الي سه هفته در تومينگاژ صرف بهبود خود کرد. در سال 1896م ، تسلا (بنابر مصاحبه‌اي که در سال 1916م انجام داد)، نوعي بلندگو ساخت. صداهاي بلندگو داراي کيفيت صداي تلفنهاي آن زمان بود. اين اختراع هيچگاه نه ثبت شد و نه بطور عمومي منتشر شد (تا سالها بعد توسط خود تسلا) .

 

سالهاي مياني

در سال 1884م با رها کردن زادگاهش ، تسلا به ايالات متحده آمريکا رفت تا شغلي را در شرکت اديسون در شهر نيويورک بپذيرد. او با 4 سنت) ، يک کتاب شعر و يک توصيه نامه (از طرف چارلز بتچلور ، مدير او در کار سابقش) به آمريکا رسيد.

 

استخدام اوليه

تسلا براي توماس اديسون کار کرد و او براي ارتقاي ديناموهاي DC اديسون مبلغ 50000 دلار به تسلا پيشنهاد داد. تسلا حدود يک سال براي طراحي جديد آنها کار کرد و وقتي که راجع به پنجاه هزار دلار از اديسون سوال کرد، او پاسخ داد، تسلا ، تو شوخي ما آمريکاييها را نمي‌فهمي. تسلا استعفا داد. در سال 1886م تسلا شرکت خودش را تأسيس کرد، روشنايي الکتريکي و توليد صنعتي تسلا. سرمايه گذاران مالي اوليه با تسلا بر سر طرح وي براي يک موتور جريان متناوب مخالفت کردند و در نهايت او را از مسئوليتهايش در شرکت عزل کردند.

تسلا از سال 1886م الي 1887م در نيويورک براي تأمين مالي خودش و جمع آوري سرمايه براي پروژه بعدي‌اش به عنوان يک کارگر ساده کار کرد. در سال 1887م او موتور القايي ابتدايي جريان متناوب بدون جاروبک را ساخت که آن را در سال 1888م به موسسه مهندسين برق آمريکايي (که اکنون IEEE ناميده مي‌شود) ، ارائه داد. در همان سال او اصول سيم پيچي تسلا را توسعه داد و شروع بکار با وستينگهاوس ، آزمايشگاه پيتسبرگ وستينگهاوس کرد. وستينگهاوس به ايده‌هاي او راجع به سيستمهاي چند فاز که انتقال جريان الکتريکي AC را در طول فواصل بلند ممکن مي‌سازد، توجه کرد.

 

 

اشعه‌هاي X و دوستيها

در آوريل 1887م تسلا شروع به تحقيق راجع به آنچه بعدها به عنوان اشعه X شناخته شد، کرد اما توسط دستگاههاي خودش کرد که از تيوبهاي اشعه X بدون الکترود هدف گيري متفاوت بود، مانند تيوبهاي انحنا. واژه جديد اين فرآيند برمسترالانگ است. در سال 1891م او يک شهروند آمريکايي به تابعيت در آمده شد و آزمايشگاه خيابان هاستون خودش را تأسيس کرد. او تيوبهاي خلا را بصورت بدون سيم در آن روشن کرد و نشان داد که قابليت انتقال توان بي‌سيم وجود دارد. در اين هنگام ، تسلا دوستي نزديک و هميشگي را با مارک توين آغاز کرد.

آنها زمان بسياري از اوقاتشان را باهم در آزمايشگاه تسلا و ديگر جاها صرف کردند. دوستان نزديک تسلا هنرمندان بودند. او همچنين با آر. ا. جانسون دوست بود که بسياري از شعرهاي صربي زماج را اقتباس کرده بود (که تسلا آنها را ترجمه کرد). وقتي که او 36 ساله بود، اولين حقوق ثبت اختراع او که راجع به سيستم قدرت چند فاز بود پذيرفته شد. او تحقيقاتش را راجع به سيستم و اصول ميدان مغناطيسي دوار ادامه داد. پيش از سال 1892م تسلا از آنچه که بعدها ويلهلم رونتگن به عنوان اثر اشعه X شناسايي کرد، آگاه شد.

او آزمايشات متعددي انجام داد (شامل عکس گرفتن از استخوانهاي دست خودش ، بعدها او اين تصاوير را براي رونتگن فرستاد) اما او يافته‌هايش را در معرض اطلاع عموم قرار نداد، اکثر تحقيقات او در آتش سوزي آزمايشگاه خيابان هاستون در سال 1895م از بين رفت. تسلا اولين کسي بود که خطرات کار با اشعه X را گزارش داد اما با دلايل غلط: "راجع به اثرات مضر بر روي پوست ... من فهميدم که آنها به غلط تفسير شده‌اند، اين مسايل به علت اشعه‌هاي رونتگن نيست، بلکه به علت ازن توليد شده در تماس با پوست است. اسيد نيتروژن هم ممکن است علت اين امر باشد، اما به ميزان بسيار کمي." (تسلا ، در نقد الکتريکي ، 30 نوامبر 1896) .

 

بي‌سيم و AIEE

تسلا به عنوان جانشين رئيس موسسه مهندسين برق آمريکا (که الان بخشي از IEEE است) از سال 1892م تا 1894م فعاليت کرد. از سال 1893م تا 1895م او بر روي جريانهاي متناوب فرکانس بالا تحقيق کرد. او ولتاژ متناوبي به اندازه يک ميليون ولت ايجاد کرد که از يک سيم پيچي تسلاي مخروطي استفاده مي‌کرد و اثر پوستي را در اجسام هادي مورد تحقيق قرار داد. همچنين او مدارات تنظيم شده را طراحي کرد و يک ماشين براي القاي خواب ، لامپهاي خلا گازي بدون سيم و انرژي الکترو مغناطيسي انتقال يافته بدون سيم را ابداع کرد، که با اين کار ، عملا اولين فرستنده راديويي را ساخت.

در سنت لوييس ، ميسوري در سال 1893م ، تسلا نمايشي راجع به ارتباطات راديويي انجام داد (او عبور انرژي راديويي را در فضا از يک طرف صحنه به طرف ديگر نشان داد). او اصول اين آزمايش را بطور دقيق براي موسسه فرانکلين در فيلادلفيا ، پنسيلوانيا و انجمن روشنايي الکتريکي ملي توضيح داد. هنريش هرتز چنين نمايشهايي را بطور مکرر پنج سال پيش انجام داده بود. نمايشهاي هنريش عمومي نبودند (او اين کار را در دوران درس فيزيکش ارائه داده بود) اما اگر بخواهيم به دقت صحبت کنيم کارهاي تسلا هم عمومي نبودند (موسسه فرانکلين تا سال 1934م براي عموم مردم باز نشد) .

نمايشگاه جهان

در سال 1893م نمايشگاهي در شيکاگو ، الينويس با عنوان نمايشگاه کلمبياي جهان برگزار شد که براي اولين بار ساختماني را به نمايشگاه الکتريکي اختصاص داد. تسلا و وستينگهاوس طي يک واقعه تاريخي ، برق AC را با روشن کردن نمايشگاه توسط آن ، به بازديد کنندگان معرفي کردند.

جنگ جريانها

در عصر جنگ جريانها در اواخر دهه 1880م ، به علت تبليغ اديسون بر استفاده از جريان مستقيم در توزيع توان الکتريکي در مقابل جريان متناوب که توسط تسلا حمايت مي‌شد، نيکولا تسلا و توماس اديسون تبديل به دو رقيب و دشمن شدند. براي اطلاعات دقيقتر جنگ جريانها را مشاهده کنيد. وقتي که تسلا 41 ساله بود، اولين حق اختراع راديوي پايه را به ثبت رساند (به شماره US645576) يک سال بعد ، او طرز کار يک قايق کنترل از راه دور را به ارتش ايالات متحده نشان داد و معتقد بود که ارتش به چيزهايي نظير اژدرهايي با هدايت راديويي نياز خواهد داشت.

اين دستگاهها داراي يک کوهيرر ابداعي و يک سري از گيتهاي منطقي بودند. کنترل از راه دور راديويي تا دهه 1960م يا همان عصر فضا تازگي خودش را حفظ کرد. در همان سال ، تسلا يک شمع الکتريکي براي موتورهاي گازوئيلي اختراع کرد که طرز کارش تقريبا مشابه فرآيند بکار رفته توسط موتور احتراق داخلي پيشرفته بود.

ورود به کلورادو اسپرينگس

در سال 1899م تسلا تصميم گرفت که به کلورادو اسپرينگس رفته و با داشتن مکاني براي آزمايشات فشار قوي و فرکانس بالا ، تحقيقاتش را آغاز کند. او اين مکان را اولا بخاطر طوفانهاي هميشگي‌اش ، ارتفاع بالا (که در آن هوا به علت فشار پايين ، توانايي شکست دي الکتريک کمتري داشته و راحتتر منجر به يونيزاسيون مي‌شود) و خشکي هوا (که نشتي بار الکتريکي را از طريق عايقها کمينه مي‌کند) ، انتخاب کرد. و ثانيا هزينه‌ها رايگان بودند و توان الکتريکي از شرکت برق E₁ پاسو فراهم مي‌شد.

امروزه ، جدولهاي شدت مغناطيسي نيز نشان مي‌دهند که زمين اطراف آزمايشگاههاي او ميدان مغناطيسي چگالتري را نسبت به محيط اطراف دارد. تسلا در تاريخ 17 مي 1899م به کلورادو اسپرينگس رسيد. پيش از رسيدن به خبرنگاران گفت که او در حال انجام آزمايشاتي براي ارسال سيگنالها از قله پيکس به پاريس بوده است. تسلا خاطراتي از آزمايشاتش را در کلورادو اسپرينگس که حدود 9 ماه را در آنجا سپري کرد، نگاه داشت. اين خاطرات شامل: 500 صفحه از دست نوشته‌هاي تسلا و حدود 200 طراحي که بين 1 ژوئن 1899م و 7 ژانويه 1900م به ترتيب تاريخي انجام شده به همراه توضيحات آزمايشاتش ، مي‌شود.

او در حال ساخت سيستمي بود براي تلگراف بي‌سيم ، تلفن و انتقال توان ، که با الکتريسيته فشار قوي آزمايش مي‌شدند و امکان انتقال بيسيم و توزيع مقادير بالاي انرژي الکتريکي در طول فواصل بلند را داشت. او همچنين سيستمي را براي تحقيقات جغرافيايي سيسمولوژي طراحي کرد که او آنرا تلجيوديناميکس ناميد ... و بيان داشت که از يک دنباله بلند انفجارهاي کوچک مي‌توان براي يافتن سنگهاي معدن و ايجاد زمين لرزه‌هايي که قادر به تخريب زمين باشد، استفاده کرد. او اين آزمايش را انجام نداد چرا که گمان مي‌کرد نتيجه مطلوبي نخواهد داشت.

ساخت و ساز آزمايشگاه

کمي بعد از رسيدن به کلورادو اسپرينگس ‏‏، تسلا و يک پيمان کار محلي و تعدادي از دستيارانش شروع به ساخت يک آزمايشگاه کردند. آزمايشگاه در نوب هيل واقع در شرق مدرسه نابينايان و ناشنوايان کلورادو و يک مايلي (1.6 کيلومتر) شرق مرکز شهر ، تأسيس شده بود. اهداف اين آزمايشگاه در ابتدا آزمايش با الکتريسيته فرکانس بالا و ديگر پديده‌ها و دوما تحقيق بر روي انتقال بيسيم توان الکتريکي بود.

تسلا براي آزمايشگاه ، يک ساختمان پنجاه در شصت فوت (15 در 18 متر) با يک سقف هشتاد فوتي (24متر) در نظر گرفت. يک آنتن هادي يک صد و چهل و دو فوتي (43 متر) با يک توپ چوبي پوشيده شده با فويل روي ، به ضخامت سي اينچ (760 ميليمتر) ، بر روي پشت بام برافراشته شده بود. پشت بام براي جلوگيري از آتش سوزي ناشي از جرقه‌ها و ديگر اثرات خطرناک آزمايشات ، صاف شده بود. آزمايشگاه تجهيزات و دستگاههاي حساسي داشت.

فرستنده تقويت کننده

اين آزمايشگاه داراي بزرگترين سيم پيچي تسلا بود که تا بحال ساخته شده است که قطرش پنجاه و دو فوت (16 متر) بود و به عنوان فرستنده بزرگ کننده (MT) شناخته مي‌شد. اين دستگاه بر خلاف سيم پيچهاي تسلاي کلاسيک ، يک سيستم تقويت کننده سه سيم پيچه بود که نيازمند تحليلهاي مختلفي ، متفاوت از تحليل بر اساس سيم پيچهاي رزونانسي کوپل شده ثابت متمرکز بود. اين دستگاه در يک فرکانس طبيعي يک چهارم طول موج نوسان مي‌کرد و مي‌توانست در يک حالت موج پيوسته و در يک حالت نوساني موج ناقص ميرا شده نيز کار کند. مطابق محاسبات ، تسلا از اين دستگاه براي ارسال دهها هزار وات توان بصورت بيسيم استفاده کرده است. اين دستگاه مي‌توانسته ميليونها ولت الکتريسيته را توليد کرده و صاعقه‌هايي بلندتر از يک صد فوت (30 متر) را بوجود بياورد.

تسلا اولين کسي بود که اثرات الکتريکي در حد صاعقه را بوجود آورد. دستگاه MT رعدهايي را بوجود آورد که از فواصلي به اندازه کريپل کريک شنيده مي‌شدند. مردم نزديک آزمايشگاه جرقه‌هايي را مشاهده مي‌کردند که از زمين و از طريق کفشهايشان ، به پاهايشان ساطع مي شد. برخي جرقه هاي الکتريکي را از شير آتشنشاني مشاهده مي‌کردند (تسلا براي مدتي زمين کردن را توسط لوله کشي شهر زمين انجام مي‌داد). محيط اطراف آزمايشگاه با يک کروناي آبي، درخشان شده بود (مشابه آتش الموي مقدس) .

يکي از آزمايشات تسلا با MT، ژنراتور شرکت برق کلورادو اسپرينگس را به دليل باز خورد ژنراتورهاي شهر ، از بين برد و شهر را دچار خاموشي کرد. شرکت از دسترسي تسلا به تغذيه ژنراتورهاي پشتيبان در صورت عدم تعمير ژنراتور اوليه با هزينه خود تسلا ، جلوگيري به عمل آورد. طي چند روز ، اين ژنراتور دوباره به راه افتاد.

مدارات تنظيم شده

به علاوه تسلا ترانسفورماتورهاي رزونانسي بسيار کوچکي ساخت و ايده مدارات الکتريکي تنظيم شده را کشف کرد. او همچنين تعدادي کوهيرر را براي جداسازي و دريافت امواج الکترومغناطيس ساخت و کوهيرر دوار را طراحي کرد و از آن براي شناسايي انواع خاص پديده‌هاي الکترو مغناطيسي که مشاهده کرده بود، استفاده کرد. اين دستگاهها داراي مکانيسمي متشکل از چرخه‌اي دنده دار بودند که توسط يک مکانيسم رانشي فنري حلقوي که استوانه‌هاي شيشه‌اي کوچکي را مي‌چرخاند، گردانده مي‌شدند. اين آزمايشات آخرين مرحله سالهاي کار بر روي مدارات تنظيم شده هم زمان شده بود.

تسلا در تاريخ 3 ژولاي ، 1899م در دفترچه‌اش نوشت که يک ترانسفورماتور رزونانسي جداگانه که در فرکانسي مشابه فرکانس يک ترانسفورماتور بزرگتر و تنظيم شده با ولتاژ بالاتر ، انرژي را از سيم پيچي بزرگتر که به عنوان يک فرستنده انرژي بيسيم عمل مي‌کند، دريافت و ارسال مي کند. از اين مطلب براي تصويب حق انحصاري اختراع تسلا براي راديو در طي آخرين مباحث مطرح شده دادگاه استفاده شده است. اين سيم پيچهاي رزونانس فرکانس بالاي هسته هوايي ، شکل ابتدايي سيستمهاي راديويي تا رادار و تصوير نگاري رزونانسي مغناطيسي پزشکي بودند.

انتشار و رزونانس

در تاريخ 3 ژولاي ، 1899م تسلا امواج ساکن زميني را در داخل زمين کشف کرد. او نشان داد که زمين مانند يک هادي نرم و صيقل خورده رفتار مي‌کند و داراي ارتعاشات الکتريکي است. او امواجي را مورد آزمايش قرار داد که ويژگيشان يک کمبود ارتعاش در نقاطي بود که بين آن نقاط نواحي ارتعاش حداکثر ، بصورت دورهايي رخ مي‌دهد. اين امواج ايستا توسط محدود کردن امواج در مرزهاي هادي ساخته شده ، ايجاد مي‌شده‌اند. تسلا نشان داد که زمين مي‌تواند به فرکانسهاي از پيش تعريف شده ارتعاشات الکتريکي پاسخ دهد. در اين هنگام ، تسلا فهميد که دريافت و ارسال توان در اطراف جهان ممکن است.

تسلا آزمايشاتي را به منظور فهميدن نحوه انتشار الکترومغناطيسي و رزونانس زمين انجام داد. از روي اسنادي که به دقت موجود هستند (از عکسهاي مختلف گرفته تا تاريخ آزمايشات) معلوم است که او صدها لامپ را از فاصله 25 مايلي (40 کيلومتر) بصورت بي‌سيم روشن کرده است. او چندين کيلومتر سيگنالهايي را ارسال کرد و لامپهاي نئون را که از طريق زمين هدايت مي‌شدند روشن کرد.

او در رابطه با روشهاي بهينه سازي يون کره براي ارسال انرژي بدون سيم در طول فواصل بلند ، تحقيق کرد. او در تحقيقاتش فرکانسهاي بسيار پاييني از طريق زمين و بخشهايي از يون کره که لايه طرف سنگين کنلي خوانده مي‌شد، ارسال کرد. تسلا محاسبات رياضياش را بر پايه آزمايشاتش انجام داد و کشف کرد که فرکانس رزونانس اين بخش تقريبا هشت هرتز است. در دهه 1950 محققين تأييد کردند که فرکانس رزونانس در اين محدوده بود.

امواج کيهاني

در آزمايشگاه کلورادو اسپرينگس تسلا، سيگنالهاي راديويي فرا زميني را ضبط کرد و يافته‌هايش را در برخي از ژورنالهاي آن زمان منتشر کرد. اطلاعات و اخبار او توسط کميته علمي که سخنان او را نپذيرفته بودند رد شد. او متوجه شد که اندازه گيريهاي گيرنده او از سيگنالهاي مکرر با سيگنالهايي که او از طوفانها و نويز زمين دريافت کرده بود، اساسا متفاوت بودند. خصوصا اين که او بعدا به ياد آورد که سيگنالها بصورت گروههايي از کليکهاي 1تايي ، 2 تايي ،3تايي و 4 تايي باهم ظاهر شدند.

او در مقاله‌اي به نام يک چشم عظيم در حال ديدن اطراف جهان در 25 فوريه 1923م عنوان کرد که: بيست و دو سال پيش هنگام انجام آزمايش در کلورادو با يک دستگاه توان بي‌سيم ، به شواهدي تجربي غير عادياي از وجود حيات در مريخ دست يافتم. من يک گيرنده بي‌سيم با حساسيت فوق العاده را بدون اين که هيچ چيزي را بدانم ساخته بودم و بدين وسيله سيگنالهايي را دريافت کردم که من از آنها به عنوان 1-2-3-4 تعبير مي‌کنم. من اعتقاد دارم که مريخيها از اعداد براي ارتباطات استفاده مي‌کنند چرا که اعداد جهاني هستند. (تلگرام آلباني — 25 فوريه ، 1923م)

تسلا بوضوح احساس کرد که گروههاي سيگنال از سياره مريخ نشأت گرفته‌اند. در سال 1996م