瘋子或是天才,歷史上最接近神的人——尼古拉·特斯拉

尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla,1856年7月10日~1943年1月7日),塞爾維亞裔美籍發明家、機械工程師、電氣工程師。他被認為是電力商業化的重要推動者之一,並因主持設計了現代交流電系統而最為人知。在邁克爾·法拉第發現的電磁場理論的基礎上,特斯拉在電磁場領域有著多項革命性的發明。他的多項相關專利以及電磁學的理論研究工作是現代的無線通訊和無線電的基石。

瘋子或是天才,歷史上最接近神的人——尼古拉·特斯拉

特斯拉線圈(TESLA COIL)

特斯拉線圈又叫泰斯拉線圈,因為這是從“Tesla”這個英文名直接音譯過來的。這是一種分佈引數高頻串聯諧振變壓器,可以獲得上百萬伏的高頻電壓。傳統特斯拉線圈的原理是使用變壓器使普通電壓升壓,然後給初級LC迴路諧振電容充電,充到放電閾值的,火花間隙放電導通,初級LC迴路發生串聯諧振,給次級線圈提供足夠高的勵磁功率,其次是和次級LC迴路的頻率相等,讓次級線圈的電感與分佈電容發生串聯諧振 ,這時放電終端電壓最高,於是就看到閃電了。通俗一點說,它是一個人工閃電製造器。 在世界各地都有特斯拉線圈的愛好者,他們做出了各種各樣的裝置,製造出了眩目的人工閃電,十分美麗。

尼古拉·特斯拉是一位偉大的科學家。但值得一提的是,這位絕世天才的偉大發明家幾乎被人們遺忘。尼古拉·特斯拉其中之一的發明就是特斯拉線圈 ,原理為把一個線圈連線在電源上,作為發射器傳輸能量;另一個線圈連著燈泡,作為能量接收器。通電後,發射器能夠以10兆赫茲的頻率振動,另一個線圈連著的燈泡將被點亮。

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儘管特斯拉線圈在第一代無線電報中開始商業化使用,但如今它們的用途僅限於娛樂。現在它們是科學博物館裡非常常見的裝置,因為它們能產生壯觀的火花和放電,甚至有人將他們改造成樂器。

放大發射機(MAGNIFYING TRANSMITTER)

這是特斯拉的最佳發明,是為了激發地球電磁場創造的一種特殊變壓器,用於電能傳輸,其傳輸距離必須使用天文級望遠鏡才能看到。透過使用這種神奇裝置,特斯拉已經實現了一種電力效應,其強度超過了閃電,透過的電流足以點亮環繞地球的200盞白熾燈。

尼古拉·特斯拉在他的自傳中說:“……我確信,在我所有的發明中,放大發射器對後代來說將是最重要和最有價值的。”毫不奇怪,他設計了這個高階版本的特斯拉線圈來進行實驗,尋找他的夢想——無線電力傳輸。

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1899年,特斯拉在他位於科羅拉多斯普林斯的實驗室裡,建造了一個直徑15米的放大器發射機,能夠產生高達400萬伏特高壓電流和長達40米的電弧。特斯拉將一位投資者給他的10萬美元用於開發一種新的公共照明系統。經過9個月的實驗,特斯拉相信他已經成功地實現了無線電力傳輸,朝著著他的無線夢想又邁出了一步。

世界系統(WORLD WIRELESS SYSTEM)

世界系統是特斯拉經過長期持續的研究和試驗獲得的幾項獨創性發現的綜合成果。這個系統不僅可以透過無線傳輸方式瞬間精確地將任何型別的訊號、資訊、文字傳遞到世界的任何一個角落,而且可以在不改動現有裝置的情況下,實現現有電報、電話,以及其他訊號站點之間的互通互聯。例如,透過它,當地的一個電話使用者可以呼叫地球上的任何一位電話使用者。利用成本不會髙於手錶的接收器,就可以讓使用者在陸地或者海上的任何地方接聽任何距離之外的講演或者音樂會。

在科羅拉多斯普林斯的實驗結果的令特斯拉受到了鼓舞。於是他回到了紐約,併到處求援,希望在紐約長島興建一座高塔進行跨大西洋無線電廣播和無線電能傳輸實驗。最終在1901年,特斯拉說服了當時的億萬富翁摩根,徵得了15萬美元資助。

實際上,摩根只對特斯拉的商業價值感興趣,他認為特斯拉能夠借這個專案實現無線通訊。 最終特斯拉建成了一座高187英尺的鐵塔,鐵塔頂部有一個直徑為68英尺的半球型圓頂,鐵塔尚未完工,特斯拉就迫不及待地開始了他的實驗。

可是在1901年12月12日,他的對手馬可尼完成了跨大西洋的無線電傳送實驗,由於馬可尼趕在特斯拉之前成功完成了實驗,摩根停止了對特斯拉實驗的資助。 1912年,特斯拉被判罰2。35萬美元,用以償還他的債務,同時實驗工地的裝置被法院沒收充當抵押,沃登克里弗塔也被拆除。

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特斯拉希望將電力和通訊帶到世界各地,建立一個由30個無線電站組成的網路,利用地球本身及其大氣層,透過一種他自己發現的新型靜止波來傳輸電力。幾十年來,他一直在堅持說他的系統優於無線電波系統,但事實是,他從未證明自己能夠將電力無線傳輸到幾米以外的地方。

而特斯拉的世界系統因為沃登克里弗塔專案的終止而沒有完成。

特斯拉渦輪機

特斯拉渦輪機(Tesla turbine)是一種無葉片,由流體剪下力驅動的渦輪機,傳奇工程師尼古拉·特斯拉的發明,於1913年取得專利。它被稱為無葉片渦輪 ,因為它應用了邊界層效應 ,而非傳統的用流體直接衝擊渦輪葉片。此外,特斯拉渦輪機還被稱為“邊界層渦輪機(boundary layer turbine)”、“凝聚型渦輪機(cohesion-type turbine)”和“普朗特層渦輪機(Prandtl layer turbine)”(以紀念德國力學大師路德維格·普朗特)。生物工程學研究者將其看作一種“多碟式離心泵(multiple disk centrifugal pump)”。特斯拉曾夢想用它來利用地熱發電,成為“我們未來的能源”。

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為了慶祝他的50歲生日,特斯拉於1906年展示了一款無葉片渦輪機,一種比活塞式發動機更高效的渦輪機。1913年,他給他的這項發明申請了專利,希望用它來進行地熱能發電。

電力刺激智力——外國版楊永信?

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特斯拉深信交流電的好處,甚至開發出了自己的大腦訓練版本,他的理論是,向大腦施加電能會刺激智力,就像刺激植物生長一樣。1912年,《大眾電氣》雜誌發表了他的一項計劃:透過高頻電流為學生實施一種分子按摩,以促進學習。甚至“把遲鈍的學生變成聰明的學生,讓教室充滿無窮小的電波。當時的紐約學校主管威廉·h·馬克斯韋爾(William H。 Maxwell)最初批准了特斯拉的計劃,但實驗從未進行過。

霓虹燈

霓虹燈是明亮發光的,充有稀薄氖氣或其它稀有氣體的通電玻璃管或燈泡,是一種冷陰極氣體放電燈。霓虹燈管是一個兩端有電極的密封玻璃管,其中填充了一些低氣壓的氣體。幾千伏的電壓施加在電極上,電離管中的氣體使其發出光。光的顏色取決於管中的氣體。霓虹燈是氖燈(neon light)的音譯,氖氣這種稀有氣體會發出一種流行的橙紅色光,但使用其他氣體會產生其他顏色,例如氫(紅色)、氦(粉紅色)、二氧化碳(白色)、汞蒸氣(藍色)等

熒光燈和霓虹燈並不是特斯拉發明的,但他卻成功地駕馭並改良了它們。特斯拉很早就已經在實驗室中設計出熒光燈了。1893 年的芝加哥世界博覽會上,特斯拉的個人展廳就使用了霓虹燈招牌。

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尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)是氣體放電燈開發的先驅者,他無疑是第一個將這項發明應用於製作指示燈的人。他的想法受到了大眾的歡迎,現在霓虹燈和招牌點亮了世界各地的大城市。

X射線

特斯拉完成了一些實驗,並先於倫琴證實了他的發現(包括拍攝他的手的X射線照片,之後他將照片寄給了倫琴),但沒有使他的發現眾所周知,他的大部分研究資料在1895年3月的第五大道一次實驗室大火中給燒燬了。

1894年,特斯拉對放電管進行實驗時,發現其中一種“看不見的輻射”會損壞儲存在附近的照相底片。於是他繼續研究下去,兵先於倫琴證實了他的發現。但是遺憾的是,他的所有都努力在1895年3月他實驗室的一場火災中被燒光了。同年晚些時候,德國人威廉·倫琴(Wilhelm Rontgen)宣佈發現了X射線,而他使用的工具與特斯拉(Tesla)使用的克魯克斯管(Crookes tube)類似。

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在倫琴的宣佈發現X射線之後,特斯拉設計了自己的X射線系統,並且還用X射線獲得了一些最早的人體影象,他稱之為“陰影圖”。特斯拉從未討論過德國人的發現,要不是那場不幸的火災,他本可以被認為是X射線的發現者,並可能在1901年贏得倫琴的諾貝爾獎。事實上,特斯拉是對X射線發展做出重要貢獻的先驅者。

感應電動機

感應電動機 ,又稱“非同步電動機”,是將轉子置於旋轉磁場中,在旋轉磁場的作用下,獲得一個轉動力矩,因而轉子轉動的裝置。轉子是可轉動的導體,通常多呈鼠籠狀。由電氣工程師尼古拉·特斯拉於1887年發明。

1888年5月,尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)發表了一篇科學論文,詳細介紹了他取得的一個極大的成功:交流電感應電動機,它比直流電動機有很大的優勢。它的工作原理是透過定子產生的旋轉磁場與轉子繞組的相對運動,轉子繞組切割磁感線產生感應電動勢,從而使轉子繞組中產生感應電流。轉子繞組中的感應電流與磁場作用,產生電磁轉矩,使轉子旋轉。

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而兩個月前,義大利的伽利略法拉利(Galileo Ferraris)也推出了自己的感應電動機。當時正在開發交流電商業應用的巨頭喬治·西屋公司(George Westinghouse)對這兩種設計都很感興趣,但他們最終認為特斯拉的專利更好。於是西屋電氣選擇了他的感應電動機,並在“電流之戰”中與通用電氣(General Electric)和托馬斯愛迪生(Thomas Edison)競爭。這就是為什麼特斯拉通常被作為感應電動機的發明者,同時他也要與法拉利分享這一榮譽,而分享榮譽在科學史上很常見,因為進化理論,週期表或電話等突破都是如此。

無線電?

無線電是指在所有自由空間(包括空氣和真空)傳播的電磁波,是其中的一個有限頻帶,上限頻率在3THz(太赫茲),下限頻率較不統一, 在各種射頻規範書, 常見的有3KHz~3THz(ITU-國際電信聯盟規定),9KHz~3THz,10KHz~3THz。

人們普遍認為特斯拉是“無線電的真正發明者”。然而,無線電通訊其實是眾多科學家和工程師共同努力的成果。從那些實驗性地發現了電和磁之間的關係的人(埃斯特德、安培爾、亨利和法拉第),到把這兩種現象與他的電磁學理論統一起來的科學家(麥克斯韋),或是實現了電磁波第一次傳輸的物理學家(赫茲,1887年)。

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1896年,古格列爾莫·馬可尼(Guglielmo Marconi)設計了第一臺能夠遠距離傳輸訊號的無線電報,訊號可以從一個點發送到幾公里外的另一個點。因此,馬可尼被認為是無線電的發明者,他於1901年在英國和加拿大之間進行了第一次橫跨大西洋的無線電報通訊。而特斯拉當時正與馬可尼競爭,但他的系統沒有使用無線電波。事實上,特斯拉懷疑無線電波是否真的存在,而且,他認為如果無線電波真的存在,它們只能沿直線傳播,對遠距離通訊毫無用處。因此,特斯拉沒有發明無線電,儘管馬可尼在他的無線電報中使用了一些由特斯拉申請專利的電子元件。

無線遙控系統

特斯拉的偉大發明使電力進入了千家萬戶。他對交流電(感應電動機、變壓器和多相系統)的貢獻對西屋電氣的交流電應用技術至關重要。作為發明家和企業家,他們在1896年共同完成了一件了不起的事情:在美國尼亞加拉瀑布發電,並將其傳輸到附近的城市布法羅的居民家中。從那時起,電力開始進入了千家萬戶,並點亮了一個又一個城市。

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儘管他才華橫溢,但特斯拉並不接受物理學中解釋電脈衝在空氣中傳播的新原理。即便如此,在不相信電磁波存在的情況下,特斯拉還是設計了一種奇特的電磁波應用:第一個無線遙控系統。1898年,他利用無線遙控系統在一個電子博覽會上無線駕駛一艘小船,這讓觀眾們大為震驚。一部分人認為特斯拉有心靈遙控能力,另一部分人則認為他在小船上放置了一些裝置。不論如何,他是無線遙控系統的先驅,他的這個發明也在後來衍生出了無人機和電視遙控器等裝置。

交流電系統

交流電流(Alternating Current,縮寫:AC)是指電流方向隨時間作週期性變化的為交流電,在一個週期內的執行平均值為零。不同於直流電,它的方向是會隨著時間發生改變的,而直流電沒有周期性變化。

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交流電,簡稱為AC。交流電也稱“交變電流”,簡稱“交流”。一般指大小和方向隨時間作週期性變化的電壓或電流。它的最基本的形式是正弦電流。當發現了電磁感應後,產生交流電流的方法則被發現。早期的成品由尼古拉·特斯拉、邁克爾·法拉第與波利特·皮克西等人開發出來。其中,波利特·皮克西在1832年基於邁克爾·法拉第的原理製造了第一臺交流電機。

1882年,英國電工詹姆斯·戈登建造了大型雙相交流發電機。開爾文男爵威廉·湯姆森與塞巴斯蒂安·費蘭蒂開發早期交流發電機,頻率介於100赫茲至300赫茲之間。

1891年,尼古拉·特斯拉取得了“高頻率”(15,000赫茲)交流發電機的專利。

而1891年後,多相交流發電機被用來供應電流,此後的交流發電機的交流電流頻率通常設計在16赫茲至100赫茲間,搭配弧光燈、白熾燈或電動機使用。

尼古拉·特斯拉雖然不是交流電發動機的最早發明者,但其對交流電的的改進如同瓦特對蒸汽機的改進一樣,有傑出的貢獻。1886年,特斯拉建立了自己的公司,特斯拉電燈與電氣製造公司。但是投資商不同意特斯拉關於交流電發電機的計劃。在1887年,他組裝了最早的無電刷交流電感應馬達, 並在1888年為美國電氣電子工程師學會作了演示。同年,他發展了特斯拉線圈的原理,並且開始在西屋電器與製造公司位於匹茲堡的實驗室與喬治·威斯汀豪斯一起工作。威斯汀豪斯聽取了他的關於利用多相系統遠端傳輸交流電的想法。

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1888年,愛迪生買通美國某些州政府官員,把當地死刑由絞刑改為交流電電刑。並僱用小學生,抓貓狗來用特斯拉的交流電做實驗,把貓狗電死,來顯示特斯拉的交流電的危害,打擊特斯拉交流電在人們心目中的地位。

在19世紀80年代末,愛迪生推廣用直流電來提供電力分配位元斯拉與威斯汀豪斯所推廣的交流電來比,更有效果,因此特斯拉與愛迪生在一定程度上成為了競爭對手。直到特斯拉發明了非同步電動機,交流電遠距離高壓傳輸的優點也就體現出來,同時也解決了機器不能用上交流電的問題。由於“電流之戰”緣故,特斯拉和威斯汀豪斯幾近破產,因此在1897年,特斯拉用自己的專利使用費替威斯汀豪斯緩解了一下危機。

尼古拉·特斯拉被他的敵人稱作瘋子,被欽服他的人稱為天才,被世人公認為一個謎。而毫無疑問,他是一位開拓性的發明家,創造了一系列令人驚歎、甚至是讓世界改頭換面的裝置。特斯拉不僅發現了旋轉磁場——這是大多數交流電機器的基礎,更將我們帶向了機器人、計算機以及導彈科學的基本所在。然而,出乎所有人意料的是,所有這些裝置的創造並無理論在先。他的天賦幾乎是超自然的,他輝煌、熱切燃燒的一生以及所有天才幾乎都有的神經官能症,使其受擾於一系列的強迫症和恐懼症,並偏愛於憑腦海中的形象所見達成的試驗方法。與此同時,他也是一位受人喜愛的社會人士,受到各色人等──包括馬克·吐溫和喬治·威斯汀豪斯等名人的欽佩,以及一大批社交名媛的愛慕