単線伝送線路

単線伝送線路（または単線方式）は、 1 本の電気導体のみを使用して電力または信号を伝送する方法です。これは、完全な回路を提供する 2 本のワイヤを使用する通常の方法、または、その目的で同様に (少なくとも) 2 本の導体を含む 電気ケーブルとは対照的です。

単線伝送線路は、この記事では取り上げていない単線アースリターンシステムとは異なります。後者のシステムは、アースをアース端子電極間の第 2 導体として使用し、アースを通るリターン電流に依存します。単線伝送線路には、いかなる形式の第 2 導体もありません。

1780 年代には早くも、ルイジ・ガルヴァーニが静電気によってカエルの脚がピクピク動くことを初めて観察し、また、カエルと特定の金属が接触するだけで、完全な回路が関与する同じ効果が生じることを観察しました。後者の効果は、後にボルタ電池として知られるようになるものによって意図せず生成された電流として、アレッサンドロ・ボルタによって正しく理解されました。彼は、そのような電流が電気を伝導するには完全な回路が必要であることを理解していましたが、電流の実際の性質はまったく理解されていませんでした (電子が発見されるのはそれから 1 世紀後のことでした)。その後の電気モーター、照明などの開発はすべて、完全な回路の原理に依存しており、通常は 1 組の電線が関与しますが、時には地面を第 2 の導体として使用します (商用電信など)。

19世紀末、ニコラ・テスラは共鳴に調整された電気ネットワークを使用することで、戻り線を必要とせずに1本の導体のみを使用して電力を伝送できることを実証しました。これは「戻り線のない1本の線による電気エネルギーの伝送」と呼ばれました。^{[1] [2]}

1891年、1892年、1893年にニューヨークのコロンビア大学、ロンドンの電気電気学会、フィラデルフィアのフランクリン研究所、セントルイスの全米電灯協会で行われた電気発振器を使ったデモンストレーション講義では、電気モーターと単端子白熱電球は戻り線のない単一の導体で動作できることが示された。完全な回路ではないように見えるが、このようなトポロジーは負荷の自己容量と寄生容量のおかげで戻り回路を効果的に得る。^{[3] [4]}

このように、適切な寸法のコイルの片端のみを低EMFの機械の電源に接続すれば、機械の回路は通常の意味で閉じられることはないが、適切な共振効果が得られれば機械は焼損する可能性がある。^[5]

機械を「焼き切る」という最後の言及は、電気共振を通じて得られる適切なインピーダンス整合を与えられた場合に、そのようなシステムが大きな電力を伝送する能力を強調するためでした。

この観察は何度か再発見されており、例えば 1993 年の特許で説明されている。^[6]この意味での単線伝送は直流では不可能であり、標準の 50～60 Hz 電力線周波数などの低周波交流ではまったく実用的ではない。しかし、はるかに高い周波数では、リターン回路 (通常は 2 番目のワイヤを介して接続される) が、おそらく負荷のハウジング自体である大きな導電性物体の自己容量と寄生容量を利用することが可能である。大きな物体の自己容量は、通常の意味ではかなり小さいが、テスラ自身が認識していたように、十分に大きなインダクタ(使用する周波数による) を使用してその容量を共振させることが可能であり、その場合、その容量の大きなリアクタンスが相殺される。これにより、非常に高い電圧源を必要とせずに、大電流を流す (そして負荷に大電力を供給する) ことができる。この電力伝送方法は長い間理解されてきたが、この原理が電力伝送に商業的に応用されたことがあるかどうかは明らかではない。

1899年という早い時期に、アーノルド・ゾンマーフェルトは、無線周波数エネルギーを表面波として伝播させるために、単一の円筒形導体（ワイヤ）を使用することを予測した論文^[7]を発表しました。ゾンマーフェルトの「ワイヤ波」は伝播モードとして理論的に興味深いものでしたが、これは、実用的な応用はおろか、そのような実験を行うのに十分な高さの無線周波数を生成する技術が存在する数十年前のことでした。さらに、その解決策は、無限の伝送線路を、そこへの（またはそこからの）結合エネルギーを考慮せずに説明していました。

しかし、特に実用的な興味は、同軸ケーブルの中心導体として同じワイヤを使用する場合と比較して、信号減衰が大幅に低くなるという予測でした。伝送される全電力はワイヤを流れる従来の電流によるという以前の説明とは対照的に、この場合、導体自体の電流ははるかに小さく、エネルギーは電磁波（電波）の形で伝送されます。しかし、この場合、ワイヤの存在は、その波を放射するのではなく、負荷に向かって誘導する役割を果たします。

同軸（または他の 2 線式伝送線）を使用する場合と比較して抵抗損失が低減されることは、これらの損失が非常に大きくなる高周波数で特に利点となります。実際には、マイクロ波周波数以下のこの伝送モードの使用は、ワイヤの周囲のフィールド パターンが非常に拡張されるため、非常に問題があります。導体に沿った表面波に関連するフィールドは、多くの導体直径にわたって顕著であるため、これらの領域に意図せず存在する金属または誘電体材料は、モードの伝播を歪ませ、通常は伝播損失を増加させます。横方向のこの寸法には波長依存性はありませんが、伝播方向では、伝播モードを完全にサポートするために、導体の長さの最低 1/2 波長が必要です。これらの理由により、および 1950 年頃より前に利用可能な周波数では、このような伝送の実際上の欠点は、ワイヤの有限の導電性による損失の低減を完全に上回りました。

1950年にゲオルク・グーバウは、ゾンマーフェルトによる電線に沿った表面波モードの発見を再検討したが、その実用性を高めることが目的であった。^[8]主な目標の1つは、導体の周囲の電界の範囲を縮小して、そのような電線に不当に大きな隙間が必要ないようにすることであった。もう1つの問題は、ゾンマーフェルトの波が光速（空気に囲まれた電線の場合は、空気中の光速よりわずかに遅い速度）で伝播することであった。つまり、放射損失があるということである。まっすぐな電線は長い電線アンテナとして機能し、導波モードから放射電力を奪う。伝播速度を光速以下に減速できれば、周囲の電界は消え去り、電線の周囲の領域からエネルギーを伝播させることができなくなる。

グーバウは、ねじ付きワイヤで得られるような表面が構造化された（正確な円筒形ではなく）ワイヤの有益な効果を調査しました。さらに重要なのは、グーバウがワイヤの周囲に誘電体層を適用することを提案したことです。誘電体の層が（波長に比べて）かなり薄い場合でも、伝搬速度は光速よりも十分に遅くなり、長い直線ワイヤの表面に沿った表面波からの放射損失がなくなります。この変更により、ワイヤの周囲の電磁場のフットプリントが大幅に減少し、他の実用的な懸念にも対処しました。^[9]

最終的に、グーバウはそのような伝送線路から電気エネルギーを発射（および受信）する方法を発明しました。特許取得済みの^[10]グーバウ線路（または「G線路」）は、誘電体でコーティングされた単一の導体で構成されています。両端には、伝送線路が通過する中央に穴が開いた幅広のディスクがあります。ディスクは円錐の底部になる可能性があり、その狭い端は通常、同軸給電線のシールドに接続され、伝送線路自体は同軸の中心導体に接続されます。

グーバウの設計では周囲の磁場の範囲が縮小されているにもかかわらず、このような装置はUHF周波数以上でのみ実用的になります。金属損失がさらに大きいテラヘルツ周波数での技術開発により、表面波とグーバウ線を使用した伝送の使用が有望であると思われます。^[11]

2003年から2008年にかけて、ゾンマーフェルトが開発した裸線（コーティングされていない）を使用し、グーバウが開発したものと類似したランチャーを採用したシステムの特許が申請された。^{[12] [13]}これは2009年まで「E-Line」という名前で宣伝されていた。^[14]この線は完全に非放射性であり、これまで無視されていた横方向磁気（TM）波によってエネルギーを伝播すると主張されている。想定される用途は、通信目的で既存の電力線を使用する高情報レートチャネルである。^[15]

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