Σύντομη ιστορική ανασκόπηση των ηλεκτρικών μηχανών Ο μαθητής να μπορεί να, ΣΤΟΧΟΣ : κάνει μια σύντομη ιστορική ανασκόπηση των ηλεκτρικών μηχανών

Ο μαγνητισμός παράγει ηλεκτρισμό Πολύ σημαντική για την ιστορία του ηλεκτρισμού ήταν η συμβολή του Φαραντέι, ο οποίος το 1831 παρατήρησε ότι αν ένας κλειστός αγωγός κινηθεί κοντά σε έναν μαγνήτη, τότε στον αγωγό αναπτύσσεται ηλεκτρικό ρεύμα. Φαραντέι Το φαινόμενο αυτό ονομάστηκε "ηλεκτρομαγνητική επαγωγή" και ουσιαστικά με αυτό ο Φαραντέι βρήκε ότι ο μαγνητισμός μπορεί να παράγει ηλεκτρισμό.

Η πειραματική τεκμηρίωση αυτής της υπόθεσης έγινε με τον γνωστό "Δακτύλιο του Φαραντέι" με τα δύο ηλεκτρικά ανεξάρτητα πηνία, που ήταν ο πρώτος μετασχηματιστής. Η παρατήρηση αυτή εφαρμόστηκε από τον ίδιο και από άλλους για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από μηχανική μέσω μηχανών που αρχικά ονομάστηκαν μαγνητοηλεκτρικές και εξέλιξη τους είναι οι γνωστές σε μας γεννήτριες και τα δυναμό. Επίσης ο Φαραντέι είχε κατασκευάσει λίγο παλαιότερα και ένα πρώτο μοντέλο ηλεκτροκινητήρα.

Οι Εφευρέσεις του Nikola Tesla Η εμφάνιση του ψηλόλιγνου, κομψού ανθρώπου που έσκαβε δεν θύμιζε σε τίποτα εργάτη. Ούτε το παρελθόν του ούτε η μόρφωση του ταίριαζαν με το επάγγελμά του. Ο ξεχωριστός αυτός άνθρωπος ήταν 31 ετών, γιος ενός Κροάτη ιερέα και διπλωματούχος μηχανικός. Το 1884 είχε μεταναστεύσει στις ΗΠΑ με την ελπίδα μιας καλύτερης τύχης. Αυτό που αντιμετώπισε όμως ήταν η εξαπάτηση και η διπροσωπία. Τρία χρόνια αργότερα, είχε καταλήξει να σκάβει χαντάκια. Μετά από μερικούς μήνες από αυτή την άτυχη περίοδο της ζωής του, ο Nikola Tesla θα βρισκόταν στο κέντρο μιας τεχνολογικής επανάστασης που έμελλε να αλλάξει τον κόσμο. Συνδυάζοντας την επιστημονική του διόραση και τη μόρφωσή του, κατάφερε να χαρίσει σε εκατομμύρια ανθρώπους φως και ρεύμα. Οι ανακαλύψεις του είναι εξίσου σημαντικές με αυτές του Faraday. Η επίδρασή του στο σημερινό κόσμο είναι μεγαλύτερη ακόμη και από αυτή του Thomas Edison. Ένας σύγχρονος Προμηθέας οι ανακαλύψεις του οποίου ακόμη εμπνέουν τους ερευνητές.

Ο άγνωστος Tesla Παρά τη σημασία των ανακαλύψεών του όμως, λίγοι γνωρίζουν τον Tesla. Η τραγική ιστορία του, που περιγράφει το πώς κάποιος μπορεί να καταφέρει τόσα πολλά και σημαντικά και να πεθάνει τελικά μόνος και ξεχασμένος απ’ όλους, υπενθυμίζει με τον πιο σκληρό τρόπο ότι η διάνοια δεν εγγυάται ούτε δόξα ούτε περιουσία. Τα πράγματα θα μπορούσαν να είναι διαφορετικά για τον Tesla. Οι οιωνοί μίλησαν με τρομακτικό τρόπο τη βραδιά που γεννήθηκε, το έτος Ενώ η μητέρα του έδινε αγώνα για να τον φέρει στον κόσμο, μια βίαιη καταιγίδα είχε ξεσπάσει πάνω από το μικρό χωριό Smiljan στην Κροατία. Οι αστραπές που έπεφταν όταν γεννήθηκε ο Tesla, τα μεσάνυχτα της 10ης Ιουλίου 1856, έκαναν τη μαμή να αποκαλέσει το βρέφος «παιδί της καταιγίδας». Δυναμικά επιτεύγματα Πράγματι, ο Tesla έδειξε από παιδί πως οι καιρικές συνθήκες που επικρατούσαν τη βραδιά που γεννήθηκε δεν ήταν τυχαίες. Ο ηλεκτρισμός ασκούσε μια ακατανίκητη έλξη πάνω στο νεαρό Nikola. Έξυπνος και ικανός για περαιτέρω σπουδές, σπούδασε μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Graz στην Αυστρία. Εκεί, ο Tesla έκανε τα πρώτα του βήματα και εμπνεύστηκε για μεγαλύτερα επιτεύγματα. Αποφοιτώντας, είχε δημιουργήσει τη γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος.

Για να προωθήσει το κατασκεύασμά του, ο Tesla μετακόμισε στο Παρίσι και εργάστηκε στην εταιρεία Continental Edison, το ευρωπαϊκό κομμάτι της αυτοκρατορίας του μεγάλου Αμερικανού εφευρέτη Thomas Edison. Ήξερε πως εκεί θα μπορούσε να αποδείξει τη σημασία της εφεύρεσής του, χρησιμοποιώντας τη για να βοηθήσει την εταιρεία του Edison να ολοκληρώσει το πρόγραμμα φωτισμού της πόλης του Στρασβούργου που είχε αναλάβει.

Tesla vs Edison Η εφεύρεσή του τον οδήγησε στην επιτυχία το 1884, όταν ο ίδιος ο Edison του ζήτησε να εργαστεί μαζί του. Με την πρώτη ματιά, ο συνδυασμός αυτός φαινόταν ιδανικός. Ο Edison διέθετε επιχειρηματικό δαιμόνιο και θέληση αλλά δεν διέθετε την ικανότητα και την υπομονή να ασχοληθεί με τη θεωρία. Ο Tesla, από την άλλη, γνώριζε πως μόνο η πραγματική και σε βάθος κατανόηση των νόμων της φυσικής μπορούσε να οδηγήσει σε νέες απίθανες εφευρέσεις. Αν είχαν καταφέρει να εργαστούν μαζί, θα είχαν κάνει θαύματα. Δυστυχώς, πολύ γρήγορα κατέληξαν αντίπαλοι. Και έφταιγαν και οι δύο. Ο Edison ήταν αποφασισμένος να εκμεταλλευθεί πλήρως τις δικές τους ιδέες, και υποσχόταν στον Tesla τεράστιες χρηματικές ανταμοιβές αν τον βοηθούσε να εξυπηρετήσει το σκοπό του. Όταν τελικά ο Tesla τα κατάφερε, o Edison δεν τήρησε το λόγο του. Ο Tesla από την άλλη, περίμενε πως ο Edison θα παραμελήσει τις δικές του έρευνες για να στηρίξει οικονομικά τις δικές του ιδέες.

Από τα χαντάκια στα σαλόνια Η σκληρότητα που αντιμετώπισε από την πλευρά του Edison αλλά και η αφέλειά του τον οδήγησαν να εγκαταλείψει τη θέση του στην εταιρεία του Edison και να καταλήξει μετά από λίγες μέρες να σκάβει χαντάκια για να κερδίσει τον επιούσιο. Εκείνο τον καιρό ξεκίνησε και η περίφημη «Μάχη των Ρευμάτων». Στα διαλείμματα του, ο Tesla μιλούσε με ενθουσιασμό στον προϊστάμενό του για το πόσα απίθανα επιτεύγματα θα μπορούσε να πετύχει με τον ηλεκτρισμό αν κάποιος του έδινε την ευκαιρία να αναπτύξει τις ιδέες του. Τυχαία, ο προϊστάμενος του Tesla, είχε ένα φίλο που αναζητούσε επενδυτικές ευκαιρίες και τους σύστησε. Μέσα σε λίγους μήνες, η τύχη και η περιουσία του Tesla άλλαξαν ριζικά. Διέθετε τη δική του εταιρεία -την Tesla Electric Company- και αγωνιζόταν να πατεντάρει την τεχνολογία που ήταν απαραίτητη για τη δημιουργία μιας νέας ηλεκτρικής τεχνολογίας που θα βασιζόταν στο εναλλασσόμενο ρεύμα. Η μεγάλη ευκαιρία του Tesla ήρθε όταν ο Edison μελετούσε τη δική του τεχνολογία που βασιζόταν στο συνεχές ρεύμα. Παρά την απλότητά της, η τεχνολογία συνεχούς ρεύματος είχε ένα σημαντικό μειονέκτημα: παρήγαγε ρεύμα σχετικά χαμηλής έντασης, η ισχύς του οποίου μειωνόταν ακόμη περισσότερο καθώς το ρεύμα ταξίδευε μέσα από τα καλώδια.

Η τεχνολογία εναλλασσόμενου ρεύματος του Tesla από την άλλη, δεν αντιμετώπιζε ανάλογους περιορισμούς. Χρησιμοποιώντας μετασχηματιστές εναλλασσόμενου ρεύματος, η αρχική ένταση μπορούσε να φτάσει τα 300,000 βολτ και περισσότερο. Τεράστιες ποσότητες ισχύος μπορούσαν να ταξιδέψουν για πολλά χιλιόμετρα προτού μειωθεί η έντασή τους σε ασφαλέστερα επίπεδα από νέους μετασχηματιστές. Παρά την προφανή ανωτερότητα της τεχνολογίας εναλλασσόμενου ρεύματος, ο Edison αγωνίστηκε υπέρ του συνεχούς ρεύματος λόγω των τεράστιων χρηματικών ποσών που είχε επενδύσει σε αυτό. Στη μάχη, στο πλευρό του Tesla, μπήκε το 1888 και ένας άλλος μεγάλος αντίπαλος του Edison, ο βιομήχανος George Westinghouse.

Ανηλεής πόλεμος εντυπώσεων Την πρώτη μάχη κέρδισε ο Edison ο οποίος εκμεταλλεύτηκε τους κινδύνους πολλών βολτ που έκρυβε το σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος. Η εταιρεία του παρουσίασε στα ΜΜΕ της εποχής ένα φρικιαστικό πείραμα: αδέσποτα σκυλιά και γατιά στέκονταν πάνω σε μεταλλικές πλάκες που συνδέονταν με παροχείς εναλλασσόμενου ρεύματος. Όπως ήταν φυσικό, τα ζώα πέθαιναν από ηλεκτροπληξία μπροστά στα μάτια των συγκλονισμένων δημοσιογράφων. Και δεν έφτανε μόνο αυτό. Ο Edison κατάφερε να εισάγει η Πολιτεία της Νέας Υόρκης μια νέα μέθοδο εφαρμογής της θανατικής ποινής: την Ηλεκτρική Καρέκλα, η οποία λειτουργούσε με εναλλασσόμενο ρεύμα. Ο Westinghouse ανταπέδωσε αποδεικνύοντας πως το συνεχές ρεύμα του Edison ήταν τόσο επικίνδυνο ώστε καρβούνιζε το κρέας σε 100 δευτερόλεπτα! Ήταν μια καλή κίνηση εντυπωσιασμού η οποία όμως δεν κατάφερε να εξαλείψει τον αρχικό φόβο που είχε ήδη δημιουργήσει η πρώτη χρήση της Ηλεκτρικής Καρέκλας στην εφαρμογή της θανατικής ποινής ενός δολοφόνου, στις 6 Αυγούστου 1890.

Ο Westinghouse, αναζητώντας απελπισμένα ένα τρόπο να γελοιοποιήσει τον Edison μέσω των ΜΜΕ αποφάσισε να προχωρήσει σε ένα τολμηρό εγχείρημα: να χρησιμοποιήσει το μη δοκιμασμένο μέχρι τότε σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος του Tesla για να σώσει τις δουλειές μερικών ανθρακωρύχων από το Κολοράντο. Το Ορυχείο Gold King στο Κολοράντο κινδύνευε να κλείσει γιατί δεν ήταν προσοδοφόρο. Όλοι γνώριζαν ωστόσο πως ο ποταμός της περιοχής μπορούσε να παρέχει φτηνή υδροηλεκτρική ισχύ, κάτι που θα μπορούσε να κρατήσει το ορυχείο ανοιχτό. Ο ποταμός απείχε παραπάνω από δύο μίλια- και σαφώς το συνεχές ρεύμα του Edison δεν μπορούσε να προσφέρει τίποτα

Το φανταστικό φως Ο Westinghouse ήταν πεπεισμένος πως το εναλλασσόμενο ρεύμα του Tesla μπορούσε να ανταποκριθεί και το 1891 η πρώτη βιομηχανική εφαρμογή εναλλασσόμενου ρεύματος ξεκίνησε να παρέχει ρεύμα στο ορυχείο. Μετά από αυτή την πρώτη νίκη ενάντια στον Edison, ο Westinghouse έκανε άλλη μια τολμηρή κίνηση αναλαμβάνοντας να φωταγωγήσει την Παγκόσμια Έκθεση του Σικάγο το Άλλος ένας θρίαμβος, αυτή τη φορά με την εντυπωσιακή παρουσία του Tesla, ακολούθησε. Ο Tesla εντυπωσίασε τους θεατές περνώντας εναλλασσόμενο ρεύμα μέσα από το σώμα του χωρίς να πάθει τίποτα και ανάβοντας τις ηλεκτρικές λάμπες με τα ακροδάχτυλά του. Ο Edison, συνειδητοποιώντας πως το συνεχές ρεύμα του μειονεκτούσε έστρεψε το ενδιαφέρον του στο εναλλασσόμενο ρεύμα. Η εταιρεία του, απέκτησε μετά από συμφωνία με τον Westinghouse πρόσβαση στην τεχνολογία εναλλασσόμενου ρεύματος του Tesla. Μαζί πλέον, οι δύο πρώην αντίπαλες εταιρείες εργάστηκαν για να τιθασεύσουν την υδροηλεκτρική ισχύ των καταρρακτών του Νιαγάρα. Τα εγκαίνια του υδροηλεκτρικού σταθμού το 1895 σηματοδότησαν το τέλος της Μάχης των Ρευμάτων, με μοναδικό και απόλυτο νικητή τον Tesla.

Και πάλι όμως ο Tesla δεν πήρε αυτό που του άξιζε και έπεσε θύμα των επιχειρηματικών μυαλών. Ο Westinghouse τον εξαπάτησε στερώντας του εκατομμύρια δολάρια. Για άλλη μια φορά ο Tesla, ικανοποιημένος από το γεγονός ότι είχε εξασφαλίσει χρηματοδότηση για να συνεχίσει την έρευνά του, ούτε που το πρόσεξε. Είχε ακόμη αρκετό δρόμο μπροστά του για να δαμάσει τις δυνάμεις του ηλεκτρομαγνητισμού. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1890 ο Tesla έκανε πειράματα με ακτίνες Χ και ραδιοκύματα πολλά χρόνια προτού γίνουν γνωστά από άλλους (δικαστήριο στις ΗΠΑ ανακοίνωσε το 1943 πως ο άνθρωπος που ανακάλυψε το ραδιόφωνο δεν ήταν ο Marconi αλλά ο Tesla). Το σημαντικότερο επίτευγμά του βέβαια ήταν το επονομαζόμενο πηνίο Tesla, με το οποίο δημιούργησε ηλεκτρικό ρεύμα που εναλλασσόταν σε πολύ υψηλή συχνότητα. Το πηνίο Tesla άνοιξε το δρόμο για τη μετάδοση ραδιοφωνικού και τηλεοπτικού σήματος καθώς και την ασύρματη αποστολή ηλεκτρικής ισχύος. Σε ένα απόμακρο εργαστήριο στο Κολοράντο, ο Tesla κατασκεύασε ένα γιγάντιο πηνίο για να δημιουργήσει ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία υψηλής συχνότητας και κατάφερε ασύρματη αποστολή 10,000 watts φωτίζοντας 200 λάμπες που βρίσκονταν περισσότερα από σαράντα χιλιόμετρα μακριά.

Πισώπλατα μαχαιρώματα Ο Tesla πίστευε -όχι άδικα- πως είχε καταφέρει ένα ιστορικό επίτευγμα το οποίο θα μπορούσε να χαρίσει ηλεκτρικό ρεύμα σε όλο τον κόσμο. Για να το αποδείξει ωστόσο, χρειαζόταν περισσότερα χρήματα. Το 1900 κέρδισε την υποστήριξη του γνωστού επενδυτή και χρηματοδότη John Pierpont Morgan, με αντάλλαγμα την εκχώρηση του ελέγχου των πατεντών του. Υπογράφοντας, ο Tesla αισθάνθηκε και πάλι θύμα των επιχειρηματιών. Ο Morgan είχε ήδη επενδύσει πολλά στις ηλεκτρικές εταιρείες εναλλασσόμενου ρεύματος και δεν ήταν διατεθειμένος να αφήσει τον Tesla και το νέο του ασύρματο σύστημα αποστολής ηλεκτρικής ισχύος να τις παραγκωνίσει. Ο Morgan εκμεταλλεύτηκε τον Tesla για τέσσερα ακόμα χρόνια και στη συνέχεια σταμάτησε να τον πληρώνει. Προδομένος από τους συνεργάτες του, χωρίς χρηματοδότηση για να συνεχίσει την έρευνά του και χωρίς τη δυνατότητα εκμετάλλευσης των πατεντών του, ο Tesla βρέθηκε στα πενήντα του άφραγκος και άνεργος. Τα χρόνια που ακολούθησαν, ο Tesla μετατράπηκε σε μια παθητική φιγούρα. Ζούσε μόνος σε ξενοδοχεία, κερδίζοντας τα προς το ζην από τη δημοσιογραφία και μια πενιχρή σύνταξη από την πατρίδα του. Μεταξύ 5 και 8 Ιανουαρίου 1943, ο Tesla υπέστη καρδιακή προσβολή. Πέθανε σε ένα ξενοδοχείο της Νέας Υόρκης, στα 86 του χρόνια.

Αν ο Tesla διέθετε έστω και λίγη από την πονηριά του Edison, θα είχε κερδίσει μια ξεχωριστή θέση στο πάνθεον των εφευρετών. Αντιθέτως, το όνομά του αναφέρεται μόνο ως μονάδα μέτρησης των μαγνητικών πεδίων: το tesla. Μηδαμινή αναγνώριση για την παρεξημένη αυτή διάνοια χάρη στην οποία σήμερα δισεκατομμύρια άνθρωποι έχουν φως και ρεύμα με το πάτημα ενός διακόπτη. Ίσως είναι η μόνη από τις εφευρέσεις του Tesla που έχει σήμερα το όνομά του. Πρόκειται για μια συσκευή που παράγει υψηλή τάση σε υψηλή συχνότητα και χρησιμοποιήθηκε από τον Tesla σε διάφορα μεγέθη και παραλλαγές. Ο μετασχηματιστής Tesla, γνωστός και σαν πηνίο Tesla, χρησιμοποιείται και σήμερα σε ποικίλες εφαρμογές στη ραδιοφωνία και την τηλεόραση.

Περιγραφή Στη βασική του μορφή, αποτελείται από δύο πηνία, ένα πρωτεύον και ένα δευτερεύον, που βρίσκονται σε 'χαλαρή επαγωγική σύνδεση'. Το πρωτεύον πηνίο είναι κατασκευασμένο από λίγες σπείρες αγωγού μεγάλης διατομής και το δευτερεύον από πολλές σπείρες αγωγού μικρής διατομής. Αντίθετα με άλλους μετασχηματιστές, δεν υπάρχει σιδηρομαγνητικός πυρήνας και έτσι η αμοιβαία επαγωγή μεταξύ των δύο πηνίων είναι μικρή.

Στο πρωτεύον πηνίο εφαρμόζονται ηλεκτρικοί παλμοί μεγάλης έντασης, μέσω της εκφόρτισης ενός πυκνωτή, που έχει προηγουμένως φορτιστεί σε τάση μερικών kV. Η διαδικασία πραγματοποιείται με τη χρήση ενός σπινθηριστή, όπως φαίνεται στο σχεδιάγραμμα, που ρυθμίζεται ώστε το διάκενό του να διασπάται μόλις η τάση στα άκρα του πυκνωτή φτάσει σε συγκεκριμένη τιμή. Όταν ο σπινθηριστής άγει, ο πυκνωτής και το πρωτεύον πηνίο συνδέονται σε σειρά, δημιουργώντας ένα κύκλωμα RLC, στο οποίο παράγονται ηλεκτρικές ταλαντώσεις σε συγκεκριμένη συχνότητα. Στο δευτερεύον πηνίο, που αποτελεί ένα άλλο κύκλωμα RLC, παράγονται επίσης ηλεκτρικές ταλαντώσεις από επαγωγή. Οι συχνότητες ταλάντωσης των δύο πηνίων καθορίζονται από τις κατασκευαστικές παραμέτρους τους. Για τη σωστή λειτουργία του μετασχηματιστή τα δύο κυκλώματα (πρωτεύοντος και δευτερεύοντος) πρέπει να βρίσκονται σε συντονισμό, δηλαδή οι συχνότητες ταλάντωσής τους να συμπίπτουν. Όταν αυτό συμβεί, τότε το πλάτος της ηλεκτρικής ταλάντωσης στο δευτερεύον πολλαπλασιάζεται και ο μετασχηματιστής παράγει υψηλή τάση στην έξοδό του.

Χρήσεις του μετασχηματιστή Η τάση εξόδου του μετασχηματιστή Tesla μπορεί να φτάσει σε αρκετά εκατομμύρια Volts, ικανή να προκαλέσει εντυπωσιακές ηλεκτρικές εκκενώσεις πολλών μέτρων στο αέρα, ή άλλα φαινόμενα. Ο μετασχηματιστής χρησιμοποιήθηκε από τον Tesla για τη παραγωγή και τη μετάδοση ηλεκτρικών ταλαντώσεων με σκοπό τον ασύρματο χειρισμό συσκευών από απόσταση, την ασύρματη επικοινωνία (ραδιοφωνία), καθώς και την ασύρματη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας, στόχους που πραγματοποίησε. Στις αρχές του αιώνα μας, ο μετασχηματιστής Tesla βρήκε επίσης δημοφιλή χρήση και στην ιατρική. Ο ασθενής υποβαλλόταν σε ρεύματα υψηλής τάσης και υψηλής συχνότητας, που μπορούν να διαπεράσουν ακίνδυνα το ανθρώπινο σώμα και πιστευόταν ότι είχαν ανακουφιστική και τονωτική επίδραση. Παρόμοιες τεχνικές βρίσκουν εφαρμογή ακόμα και σήμερα.