science >> Wetenschap > >> anders

Hoe Nikola Tesla werkte

Tesla zag de voordelen van het gebruik van water om generatoren zoals deze van stroom te voorzien bij de Hoover Dam - ook al was het destijds onbewezen technologie. iStockfoto/Thinkstock

Stel je een wereld voor zonder elektrisch licht, motoren, pompen, fans, koelkasten of liften. Geen magnetron, geen radio of televisie. De volgende keer dat u een schakelaar indrukt, denk aan Nikola Tesla. Meer dan enige andere uitvinder, Tesla heeft het tijdperk van elektrische energie tot stand gebracht. Maar 70 jaar na zijn dood en een eeuw na zijn grote uitvindingen, zijn naam is minder bekend dan die van Thomas Edison, Alexander Graham Bell of de gebroeders Wright.

Tesla heeft de belangrijkste instrumenten van het machtstijdperk ontwikkeld:de wisselstroomgenerator, de AC-motor en het systeem van elektrische transmissie. Een groot deel van het leven zoals het zich in de 20e eeuw ontwikkelde, rustte op het fundament dat Tesla had gelegd.

Tesla's rusteloze geest bracht hem verder dan deze elektrische en mechanische innovaties. Hij vond een "vergrootglasspoel uit, " die elektriciteit verhoogde tot zeer hoge frequenties en spanningen [bron:PBS]. Hij ontdekte dat dergelijke stroom elektromagnetische golven uitzond, die wonderen kunnen doen. Tegenwoordig is 'draadloos' een veelgebruikte term in de wereld van computernetwerken. Tesla ontdekte het principe meer dan honderd jaar geleden.

Tesla wordt vaak vergeleken met Thomas Edison, maar hij was in veel opzichten het tegenovergestelde van Edison. Edison beweerde dat de uitvinding "1 procent inspiratie, 99 procent transpiratie" [bron:Creativecreativity.com]. Toch was Tesla een man van inspiratie, een visionair. Edison was autodidact; Tesla had een gedegen technische opleiding genoten. Edison loste praktische problemen op; Tesla droomde van wereldtransformerende technologie. Edison commercialiseerde zijn uitvindingen; Tesla had weinig zakelijk inzicht. Ongeveer het enige dat ze gemeen hadden, was dat beide mannen rondkwamen met weinig slaap:Tesla werkte soms van 10.30 uur tot 05.00 uur de volgende ochtend [bron:PBS].

Tijdens zijn leven, Tesla ontving geen krediet of compensatie voor veel van zijn uitvindingen. Bijvoorbeeld, Guglielmo Marconi wordt gecrediteerd met het uitvinden van radio, maar zijn apparatuur was gebaseerd op de ideeën van Tesla. Pas de laatste jaren heeft Tesla meer erkenning gekregen voor zijn diepgaande inzichten en hun impact op het moderne leven. Vandaag, een van de meest innovatieve elektrische autobedrijven heet Tesla Motors. Het is een aanwijzing dat Nikola Tesla een uitvinder is die het vermelden waard is.

Inhoud

Tesla's achtergrond
Tesla's wisselstroom Triumph
Tesla verhuist naar het onbekende
Tesla's erfenis

Tesla's achtergrond

Tesla's vader was een orthodoxe priester die zijn zoon wilde, geboren in 1856, hetzelfde zijn. etnische Serviërs, de familie Tesla woonde in Kroatië, toen onderdeel van het Oostenrijks-Hongaarse rijk. Nikola's moeder vond huishoudelijke apparaten uit als een eierklopper, en de jongen voelde dat hij achter haar aanging. Toen hij als tiener ziek werd, hij liet zijn vader beloven hem naar de technische school te sturen als hij herstelde. In de hoop ingenieur te worden, hij studeerde mechanica en elektriciteit aan de Oostenrijkse Polytechnische School in Graz, Oostenrijk [bron:Vujovic].

Als jongen, Nikola had een foto van Niagara Falls gezien. Hij stelde zich meteen een gigantisch molenrad voor dat de kracht van de cataract zou benutten. Dergelijke visioenen wezen op het unieke karakter van Tesla's geest. De jongeman kon rekenproblemen in zijn hoofd oplossen en bezat een fotografisch geheugen. Maar het waren zijn visualisatievermogens die het meest opmerkelijk waren:Ideeën leken hem volledig gevormd, bijna als hallucinaties.

Maar zijn genialiteit had een keerzijde. In de twintig, de grote, De flinterdunne Tesla kreeg een zenuwinzinking die hem overgevoelig maakte - het geluid van een tikkend horloge kwelde hem en hij vond zonlicht drukkend. Gedurende zijn leven, hij leed aan fobieën en dwanghandelingen.

Tesla was al vroeg geïnteresseerd in wisselstroom (AC). Destijds, experimenten met motoren en verlichting gebruikten gelijkstroom (DC), zoals de stroom die uit een batterij vloeit. DC-motoren waren inefficiënt, maar niemand kon zich voorstellen hoe een AC-motor zou werken. Op een dag, terwijl ik in een park wandelde over poëzie, Tesla had plotseling inzicht in hoe een AC-motor werkelijkheid kon worden.

Zijn idee voor het inzetten van wisselstroom verbijsterde experts in Europa. In 1884, de 28-jarige Tesla besloot naar New York te reizen en zijn ideeën te presenteren aan Thomas Edison. Hij beschreef zijn ideeën over AC aan de grote uitvinder, maar Edison was niet geïnteresseerd. In plaats daarvan, hij huurde Tesla in om aan zijn gelijkstroomapparatuur te werken. Het klikte niet tussen de twee mannen - Tesla stopte nadat Edison hem niet had betaald voor het voltooien van een klus.

Zonder geld, Tesla ging aan het werk om greppels te graven om de kost te verdienen. Maar zijn fortuin stond op het punt om te keren.

AC/DC gemakkelijk gemaakt

Gelijkstroom bestaat uit elektronen die in één richting langs een geleider sjouwen. Wisselstroom keert die richting 60 keer per seconde om. Om een elektromotor te maken, je moet de veranderen polariteit , de noord-zuid lading, van een vast elektromagnetisch stuk metaal dat een stator wordt genoemd. Een magnetische rotor, voortdurend proberen zich af te stemmen op de veranderende polariteit van de stator, draait om kracht te leveren. DC-motoren gebruiken een vonkende mechanische commutator om die polariteit te veranderen. Wisselstroommotoren veranderen de stroomrichting elektrisch. Toen Tesla eenmaal had bedacht hoe wisselstroom moest worden afgestemd op de elektromagneten van een motor, hij bereikte een van zijn belangrijkste doorbraken [bron:PBS].

Tesla's wisselstroom Triumph

Edison had elektriciteitsabonnees aangemeld voor zijn DC-systeem, draden door de straten van New York City spannen en hun huizen bekabelen. Maar George Westinghouse werkte al aan een concurrerend AC-systeem. Hij zag in dat de uitvindingen van Tesla hem een grote voorsprong op Edison konden geven.

Tesla begreep dat wisselstroom een efficiëntere manier was om motoren en stroomverlichting aan te drijven. Nog belangrijker, AC kan worden "opgevoerd" met behulp van spoelen van draden. Door inductie, laagspanning in de ene spoel werd omgezet in hoogspanning in een andere. Hoogspanningsstroom kan efficiënter door draden gaan, dan worden afgetreden voor huishoudelijk gebruik. De circuits van Tesla waren de voorlopers van de transformatoren die we routinematig op elektriciteitspalen zien. Gelijkstroom kon niet worden opgevoerd. Om het meer dan een paar mijl te verzenden, waren steeds dikkere draden nodig.

AC was al bekend voordat Tesla aan zijn werk begon. Maar de uitvinder bedacht een geïntegreerd systeem van generatoren, transmissielijnen, motoren, verlichting en andere circuits die AC een haalbaar alternatief voor DC maakten. In 1887, Tesla heeft zeven patenten aangevraagd met betrekking tot zijn AC-uitvindingen. Ze werden toegekend zonder met succes te zijn uitgedaagd. Westinghouse kocht de rechten op hen in 1888.

DC was nog niet dood. Westinghouse en Edison stortten zich in wat bekend stond als de 'War of the Currents'. In het offensief gaan, Edison beweerde dat AC veel te gevaarlijk was om door het publiek te worden gebruikt. Zijn punt werd versterkt toen een kennis van Edison genaamd Harold Brown regelde om een Westinghouse AC-generator de stroom te laten leveren voor de executie van een veroordeelde crimineel in 1890 [bron:PBS].

Maar Westinghouse, gewapend met de Tesla-patenten, kon aantonen dat AC een veel efficiënter alternatief was. De climax in de War of the Currents vond plaats op de kolossale Chicago Columbian Exposition van 1893-1894. Westinghouse was in staat om stroom te leveren voor veel minder dan wat Edison zou hebben gevraagd. Hij won het contract en bedrade de beurs op basis van het Tesla-systeem. Toen de expositie openging, duizenden felle lampen flitsten aan, verrassende kermisbezoekers. De demonstratie nam de angst van het publiek voor wisselstroom weg, en AC werd de standaard voor energiesystemen.

De overwinning werd naar huis gehamerd door Tesla's realisatie van zijn jeugddroom:een elektriciteitscentrale bij Niagara Falls. in 1890, investeerders namen een grote gok op wisselstroom en waterkracht, beide nog steeds onbewezen technologieën. Langs, gespannen wachten eindigde in 1896 toen de door Tesla ontworpen generatoren stroom in het systeem begonnen te voeden. Eventueel, ze stuurden elektriciteit helemaal naar New York City, Broadway oplichten. Toen er over de hele wereld waterkrachtcentrales werden gebouwd, het tijdperk van de elektrische stroom was aangebroken.

De oorlog van de stromingen was voorbij, maar Nikola Tesla was al verder gegaan met nog meer visionaire uitvindingen.

Inzicht in inductie

Een aantal uitvindingen van Tesla waren gebaseerd op het principe van elektrische inductie. In de jaren 1830, de Engelse wetenschapper Michael Faraday had aangetoond dat een elektrische stroom magnetisme kan induceren in een nabijgelegen geleider, en dat een bewegende magneet een elektrische stroom zal produceren in een soortgelijke geleider. Het is dit vermogen van elektriciteit om een effect te hebben over een afstand dat Tesla fascineerde en hem naar ideeën leidde variërend van de AC-motor tot de Tesla-spoel [bron:NDT].

Tesla verhuist naar het onbekende

Zelfs een eenvoudige elektrische stroom genereert een magnetisch veld. Een wisselstroom die oscilleert met een hoge spanning produceert elektromagnetische golven. Veel uitvinders deden mee aan de race om gebruik te maken van deze golven, ontdekt door Heinrich Hertz in 1888, voor draadloze communicatie of andere doeleinden.

Tesla was gefascineerd door hoogfrequente golven. Ze aan het werk zetten, hij kon:

Lichtlampen gevuld met neongas. Dit nieuwe soort verlichting had geen gloeiende gloeidraad nodig; het gas zelf gaf het licht af.
Vacuümbuizen op afstand laten gloeien, zonder directe verbinding met de bron van de golven.
Verwarm een staaf metaal tot een zeer hoge temperatuur.
Reis 50 mijl (80 kilometer) naar West Point, NY, en nog steeds golven detecteren die zijn gegenereerd in zijn laboratorium in New York City.

Veel uitvinders hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van radio, maar Guglielmo Marconi kreeg in 1909 de Nobelprijs voor de uitvinding. Tesla ergerde zich aan het gebrek aan erkenning voor zijn eigen fundamentele en originele bijdragen, die hij ruim vóór Marconi's eerste prototypes had gepatenteerd. In 1943, enkele maanden na de dood van Tesla, het Amerikaanse Hooggerechtshof erkende eindelijk dat de gepatenteerde uitvindingen van Tesla de basis vormden van Marconi's eerste prestatie [bron:PBS].

Tesla zag een ander gebruik voor de golven. Hij dacht dat ze hem in staat zouden stellen om op grote schaal elektrische energie te verzenden zonder draden. Hij verhuisde in 1898 naar Colorado Springs en bouwde grote coils, nu bekend als Tesla-spoelen, die enorme spanningen opwekten. Met hen, hij was in staat om door de mens gemaakte bliksem te genereren. Hij stak 200 lampen aan op een afstand van 40 km en experimenteerde met manieren om energie door de lucht of de aarde te sturen [bron:Redshaw].

Een jaar later keerde hij terug naar New York, hij overtuigde de bankier J.P. Morgan om hem te steunen in een systeem dat draadloze communicatie over de hele wereld zou creëren, het toestaan van nieuwsuitzendingen, mail, zelfs foto's. Tesla bleef ook dromen van het overbrengen van elektrische stroom. Hij bouwde een laboratorium genaamd Wardenclyffe op Long Island. Daar, hij bouwde een 187 meter hoge (57 meter hoge) houten toren en dreef stalen buizen honderden meters de grond in. Naarmate de kosten opliepen, Morgan trok zich terug uit het project. Diep in de schulden, Tesla werd in 1905 gedwongen de toren te vernietigen en het laboratorium te verlaten. De rest van zijn leven, hij bleef ervan overtuigd dat draadloze krachtoverbrenging haalbaar was.

Ondertussen, Tesla had de elektromagnetische golven gebruikt om een radiografisch bestuurbare boot te maken. Hij ontdekte dat zijn zelfgemaakte vacuümbuizen bij zeer hoge spanningen stralen afgaven die in vaste materie konden doordringen, en hij was een van de eersten die experimenteerde met röntgenstralen, het creëren van wat hij "schaduwgrafieken" noemde [bronnen:Vujovic, Hrabak et al.]. Overuren, Tesla's onderzoek naar hoogfrequente golven vormde de basis van innovaties, variërend van magnetrons tot kathodestraaltelevisiebeeldbuizen.

Tesla had zijn inventieve genie in een andere richting gestuurd dan tijdgenoten als Edison. Zijn verkenning van het onbekende gebied van hoogfrequente elektriciteit en radiogolven baande een pad voor vele uitvinders die hem volgden.

Blijf kijken

Een ander belangrijk principe waarop Tesla vertrouwde, was het concept van: elektrische resonantie . Een geleider (we zouden het een antenne noemen) kan elektromagnetische golven zelfs op honderden kilometers afstand opvangen. Maar om er één uit de vele golven met verschillende frequenties te kiezen, de ontvanger moest worden "afgestemd". Dat is, het moest op die frequentie resoneren. Het is hetzelfde idee dat een vioolsnaar laat resoneren met een stemvork. Tesla bedacht een manier om elektrische circuits af te stemmen, en tot op de dag van vandaag "stemmen we af" op radio- of televisie-uitzendingen [bron:Intuitor.com].