टेस्ला टॉवर: इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग

यह बहुत खुशी के साथ था कि मैंने टेस्ला टॉवर का विषय अध्ययन पढ़ा।
बेशक, लेखकों ने एक बहुत ही आकर्षक लक्ष्य निर्धारित किया है: तारों के बिना ऊर्जा का हस्तांतरण, एक ग्रहों के पैमाने पर, केवल ऊर्जा का एक सपना है।
विषय में किया गया विश्लेषण गहरा है, सूत्र रेडियो इंजीनियरिंग के क्लासिक्स हैं, सभी गणना सही हैं।
लेकिन पढ़ने के बाद सवाल बना रहा: अगर सब कुछ लेखकों के अनुसार किया जाता है, तो हमें क्या मिलेगा? ऐसी प्रणाली में ऊर्जा हस्तांतरण की क्या विशेषताएं होंगी?

यहाँ स्रोत से एक उद्धरण है:

हमें "ग्राउंडिंग" कहां से मिलती है जिससे जनरेटर पहले से दिखाए गए आंकड़े में ऐसे गुंजयमान यंत्र को जोड़ने के लिए जुड़ा हुआ है?
... टॉवर जनरेटर के लिए, यह टॉवर के सक्रिय प्रतिरोध के बराबर प्रतिरोध के माध्यम से "ग्राउंडिंग" है

आइए हम लेखकों के इस कथन को चुनौती दें और इस दिशा में गणना करें।
ग्राउंडिंग का सार पृथ्वी की क्षमता है जो लगभग असीमित रूप से जमा और प्रभार देता है। असीमित को "बहुत" के रूप में समझा जाना चाहिए, जिसे ग्रह पृथ्वी का आकार दिया गया है। नीचे हम इस "असीमित" का मूल्यांकन करेंगे, लेकिन पहले चीजें पहले।

इसके अलावा, हर जगह गणना सरलीकरण (वर्गों की राशि के बजाय राशि, वर्तमान एक के बजाय आयाम मान, गोलाई मूल्यों के साथ) किए गए थे।
इस तरह की गणना को अनुमान के रूप में माना जाना चाहिए।

एक संवाहक के रूप में पृथ्वी

आइए पहले हम किसी भी विद्युत - ऊर्जा, संकेतों के संचरण पर विचार करें - एक दूसरे चालक के रूप में पृथ्वी का उपयोग करते हुए एक ही तार पर:


क्या यह काम करेगा? विल, और यह काम करता है - प्रकाशन के लेखकों ने इस ट्राम की पुष्टि के रूप में नोट किया।
पृथ्वी उल्लेखनीय रूप से एक दूसरे कंडक्टर की भूमिका निभाती है, और पृथ्वी का प्रतिरोध, जैसा कि लेखकों ने सही उल्लेख किया है, वास्तव में उन इलेक्ट्रोडों के बीच की दूरी पर निर्भर नहीं करता है जो जमीन में रखे गए हैं।
(भौतिकी विभाग के दूसरे वर्ष में इस विषय पर भी एक समस्या है)।

ऊर्जा हस्तांतरण की इस पद्धति का दुष्प्रभाव बहुतों को पता है - यदि आप 220 वोल्ट नेटवर्क के चरण को उठाते हैं, जबकि तलवों का इन्सुलेशन वांछित (गीला फर्श आदि) होने के लिए बहुत कुछ छोड़ देता है, तो यह अच्छी तरह से हैरान हो सकता है, दूसरे तार का सर्किट जमीन के माध्यम से बंद हो जाता है।

क्या इस तरह का डिजाइन काम करेगा:

बेशक यह होगा - क्यों नहीं, पृथ्वी 2 बस दूसरे कंडक्टर की भूमिका निभाती है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि लेखकों ने पृथ्वी की क्षमता के वितरण के बारे में जो कुछ भी कहा है, जब बारी-बारी से एक कंडक्टर के रूप में पृथ्वी के माध्यम से प्रवाह होता है, तो सबसे अधिक संभावना है, एक जगह है - वितरण, खड़ी लहरें, आदि।
थोड़ा छोटा: यह एक भूमिका निभाता है जिस पर ग्रहों की सतह पर बिंदु रिसीवर के तारों को जोड़ते हैं।

ग्रहों के पैमाने पर इस तरह के वितरण की पुष्टि एक करामाती और बहुत सुंदर प्रयोग होगा।

पृथक "भूमि"

और लेखक हमें क्या प्रदान करते हैं? योजनाबद्ध रूप से, इसे निम्नानुसार दर्शाया जा सकता है:

इस तरह की योजना की गैर-मौजूदगी के बावजूद, एक निश्चित ढांचे में यह चालू है। सहवर्ती उदाहरण के रूप में, कोई रेडियो संचार का हवाला दे सकता है: जमीन एक आम सर्किट तार, एक मानव शरीर, आदि हो सकती है। ऐसी कई स्थितियाँ हैं जहाँ न तो ट्रांसमीटर का मैदान और न ही रिसीवर का मैदान आम ज़मीन से जुड़ा है।
उदाहरण, ज़ाहिर है, पूरी तरह से सफल नहीं है - रेडियो संचार में, ऊर्जा विकिरण द्वारा प्रेषित होती है , हम इस तरह की स्थिति पर विचार नहीं करते हैं, और यह इस तथ्य का सिर्फ एक उदाहरण है कि "पृथ्वी" जरूरी नहीं कि ग्रह की सतह ही हो, लेकिन सिर्फ एक प्रकार का कंडक्टर।

टेस्ला टॉवर का उपयोग करके ऊर्जा हस्तांतरण की विधि का वर्णन करने के लिए, व्यक्ति निम्नलिखित अनुभव दे सकता है: यदि आप पर्याप्त परिमाण के एक वैकल्पिक वोल्टेज जनरेटर को इकट्ठा करते हैं और जनरेटर के लिए किसी भी धातु की वस्तु को लाते हैं, तो जनरेटर आउटपुट और इस ऑब्जेक्ट के बीच एक चाप रोशनी करता है:


लेखकों ने इस तरह से ऊर्जा हस्तांतरण के तंत्र का वर्णन किया: अनंत के संबंध में एक पृथक धातु वस्तु की क्षमता (मुझे भौतिक संकाय को माफ कर दो ...) शून्य है। जनरेटर लगातार लोहे के इस टुकड़े को रिचार्ज करता है, इसकी क्षमता को बदलता है, और जनरेटर और ऑब्जेक्ट के आउटपुट के बीच एक वर्तमान प्रवाह होता है।
चाप के जलने के लिए एक वर्तमान शक्ति को पर्याप्त बनाए रखने के लिए इस तरह के डिजाइनों में एक उच्च आवृत्ति की आवश्यकता होती है (एक धातु वस्तु की क्षमता के माध्यम से वर्तमान आवृत्ति के लिए आनुपातिक है - नीचे देखें)।

यही है, यह अभी भी काम करेगा?

एक अलग "पृथ्वी" और संबंधित मापदंडों की गणना

ट्रांसमीटर

टेस्ला टॉवर (जो जनरेटर के लिए पृथ्वी की भूमिका निभाता है) के शीर्ष पर कैपेसिटेंस के माध्यम से जनरेटर चालू "प्रवाह" होता है। सादगी के लिए, इसे 1 मीटर के त्रिज्या के साथ एक गेंद होने दें (यह परिमाण का क्रम या क्रम नहीं बदलता है)।

वास्तव में, वर्तमान "प्रवाह" कंडक्टर में, अपने चार्ज को बढ़ाता है और, परिणामस्वरूप, क्षमता। वर्तमान की एक अर्ध-अवधि में, कंडक्टर से एक संकेत पर शुल्क लिया जाएगा, जब वर्तमान परिवर्तन संकेत - यह दूसरे को रिचार्ज करेगा।



कंडक्टर को किस वोल्टेज पर चार्ज किया जाएगा, इसका अनुमान लगाएं।

वैक्यूम में एकल गोलाकार चालक क्षमता:

सी तार = 4 * पी * (विद्युत स्थिर) * (बॉल त्रिज्या)

1 मीटर की त्रिज्या वाली गेंद के लिए, क्षमता लगभग 110 picoFarad है।

लेखकों ने 1 किलोएम्पियर की वर्तमान और 20 किलोहर्ट्ज़ की आवृत्ति का उल्लेख किया

1 मीटर की त्रिज्या के साथ एक गोले की अधिकतम क्षमता है

संभावित = आवेश / धारिता = (वर्तमान * समय) / धारिता = (वर्तमान * आधा दोलन काल) / (धारिता)

उपरोक्त आंकड़ों के साथ, हमें पता चलता है कि टेस्ला टॉवर के ऊपरी हिस्से की अधिकतम क्षमता लगभग 225 मिलियन वोल्ट होगी ।

हम इसे विद्युत ऊर्जा उद्योग में तकनीकी रूप से प्राप्त मूल्य के रूप में नहीं मानेंगे। रूस में, 1000 किलोवॉट ( 1150 यदि वास्तव में ) के वोल्टेज के साथ बिजली की लाइनें हैं, अर्थात, एक मिलियन वोल्ट (यूक्रेन में कोई नहीं हैं)। इसे टॉवर के शीर्ष पर अधिकतम वोल्टेज होने दें (जहां गोलाकार घोड़ा कंडक्टर है)। मान लें कि ऐसे वोल्टेज पर इन्सुलेशन प्रदान करने में कोई तकनीकी कठिनाई नहीं है।

फिर जनरेटर सर्किट में वर्तमान लगभग 4 एम्पीयर होगा।
एक मिलियन वोल्ट के वोल्टेज पर, यह 4 मेगावाट की संचरित शक्ति से मेल खाती है। कूल! नहीं, शांत नहीं। 1150 किलोवॉट के वोल्टेज के साथ ऊपर उल्लिखित पावर लाइन में 5500 मेगावाट का थ्रूपुट है - एक ही वोल्टेज पर 1000 गुना अधिक।

इसलिए तनाव बढ़ाओ! मुझे डर है कि कहीं नहीं है - इलेक्ट्रिक पावर उद्योग में 1000 केवी एक अल्ट्रा-हाई वोल्टेज माना जाता है, जिससे बहुत सारी कठिनाइयां होती हैं। 1000 केवी के वोल्टेज के साथ एक ही ट्रांसमिशन लाइन वर्तमान में 500 केवी के वोल्टेज पर चल रही है।

लेकिन ये सभी समस्याएं नहीं हैं।

रिसीवर

टॉवर के ऊपरी भाग का प्रतिरोध, यानी, गेंद-इन्फिनिटी सिस्टम, 20 kHz की आवृत्ति पर होगा

आर = 1 / (2 * पीआई * आवृत्ति * समाई) = 71 kOhm

वास्तव में, यह टेस्ला टॉवर का उपयोग कर बिजली लाइन का आंतरिक प्रतिरोध है।
इस "लाइन" से जुड़े एक ट्रांसफार्मर को 1,000,000 वोल्ट के वोल्टेज और 71 kOhm के आंतरिक प्रतिरोध से वोल्टेज को 220 वोल्ट तक कम करने दें। इस मामले में, 220 वी सर्किट का आंतरिक प्रतिरोध (71000 * 220) / 1000 000 = 15 ओम होगा।

220 वोल्ट सर्किट में 15 ओम बहुत होता है, जब 1 किलोवाट का लोड चालू होता है (वर्तमान में 5 एम्पीयर है, यह एक छोटा लोहा है, या एक कंप्यूटर + टीवी + प्रकाश) वोल्टेज ड्रॉप 75 वोल्ट होगा, अर्थात, नेटवर्क में वोल्टेज स्तर से नीचे गिर जाएगा जब इसका उपयोग बिजली की आपूर्ति के लिए किया जा सकता है।
इस प्रकार, इस तरह के एक ऊर्जा रिसीवर से एक अपार्टमेंट को बिजली देना मुश्किल है, और यहां तक ​​कि शक्तिशाली ऊर्जा उपभोक्ताओं के बिना भी।

ऐसा कैसे होता है, ऊर्जा कहाँ जाती है, लेखकों ने बहुत ही उच्च दक्षता के बारे में लिखा है।
यह कहीं नहीं जा रहा है। ये प्रतिरोध प्रतिक्रियाशील हैं, लेकिन उन पर वोल्टेज की गिरावट इसकी सभी महिमा में देखी जाएगी।

लेकिन प्रतिध्वनि के बारे में क्या?
हम परिणामी समोच्च के मापदंडों की गणना करते हैं।
क्षमता = 110 पिकोफ़र्ड (ऊपर देखें), आवृत्ति = 20 किलोहर्ट्ज़ (लेखकों के लिए)।

फिर अधिष्ठापन 1 / ((2 * pi * आवृत्ति) के बराबर होना चाहिए (2 * pi * आवृत्ति) * capacitance) = 63 हेनरी

सर्किट की प्रतिबाधा 750 kOhm होगी।
जब एक लोड इस तरह के सर्किट से जुड़ा होता है, तो सर्किट में 71 kOhm के प्रतिरोध का परिचय होता है (यानी यदि आप एक अपार्टमेंट को ऊर्जा रिसीवर से जोड़ते हैं - ऊपर देखें), सर्किट का गुणवत्ता कारक 10 तक गिर जाता है (लगभग), और जब 10 अपार्टमेंट जुड़े होते हैं, तो गुणवत्ता कारक 1 से गिर जाता है। अनुनाद घटनाएं गायब हो जाएंगी और सिस्टम पूरी तरह से काम करना बंद कर देगा।

इसका क्या मतलब है? गुणवत्ता कारक में गिरावट के साथ, रिसीवर का आउटपुट वोल्टेज भी आनुपातिक रूप से गिर जाएगा। यही है, कोई भार अच्छा नहीं है, बढ़ते भार के साथ, वोल्टेज शून्य तक गिर जाता है।

असली धरती

एक आशावादी अंत के रूप में, चलो सब कुछ भी गिनते हैं, लेकिन वास्तविक ग्राउंडिंग के लिए, अर्थात्, टेस्ला टॉवर पृथ्वी का आकार एक अलग ग्रह है।

क्षमता = 700 माइक्रोफ़ारड।
1 केए के वर्तमान में अधिकतम वोल्टेज और 20 kHz = 78 वोल्ट की आवृत्ति, यानी आप बार-बार और सुरक्षित रूप से ऑपरेटिंग वोल्टेज को बढ़ा सकते हैं, जिससे संचारित शक्ति बढ़ सकती है।
एक ही आवृत्ति = 0.011 ओम पर उच्च वोल्टेज सर्किट में सिस्टम का आंतरिक प्रतिरोध
सर्किट में कम प्रतिरोध 220 वोल्ट = 2 माइक्रोमीटर है, जो किसी भी बिजली आपूर्ति लाइनों में प्रतिरोधों की तुलना में कम परिमाण का आदेश है।

यहाँ यह है - असली ग्राउंडिंग!

निष्कर्ष

इस तरह की प्रणाली की सूचीबद्ध कमियों को डिजाइन में परिवर्तन, विशेष सामग्रियों के उपयोग आदि से समाप्त नहीं किया जा सकता है - ये स्वयं ऊर्जा हस्तांतरण की विधि की कमियां हैं (अच्छी तरह से, टेस्ला टॉवर आयामों को तुलनीय बनाने के लिए, कम से कम, क्षुद्रग्रहों के साथ छोड़कर)।
कृपया ध्यान दें कि व्यावहारिक रूप से सही डिजाइन की गणना की गई थी - किसी भी नुकसान के बिना, एक ग्रहों के पैमाने पर वर्तमान / वोल्टेज वितरण के प्रभाव को ध्यान में रखे बिना।
वास्तव में, आदर्श जनरेटर और आदर्श रिसीवर की गणना की गई थी, एक छोर पर और प्रत्येक अपने स्वयं के जमीन से जुड़ा हुआ था।

टेस्ला टावरों का उपयोग कर ऊर्जा हस्तांतरण की समस्या यह है कि टॉवर स्वयं एक असाधारण अक्षम ग्राउंडिंग है।

ऊर्जा हस्तांतरण के प्रभावों का प्रदर्शन संभव है, लेकिन इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के दृष्टिकोण से ऐसी ट्रांसमिशन लाइन, जो इसे हल्के ढंग से डालने के लिए अनुपयुक्त है:
- "स्टेशनों" पर भारी तनाव
- एक ही समय में कम संचरित शक्ति
- उच्च आंतरिक प्रतिरोध
- कम भार क्षमता
- अनुनाद घटना के कारण लोड पर वोल्टेज की एक मजबूत निर्भरता।