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世界無線システムは、20世紀初頭に発明家ニコラ・テスラが地球とその大気を導電体として利用するという自身の理論に基づいて設計した通信および電力供給システムである。彼は、このシステムにより地球規模で「電線を使わない電気エネルギーの伝送」が可能になると主張した[1] 。また、ポイントツーポイントの無線通信と放送も可能になると主張した。彼は1890年代半ば以降、これを実現するための2つの関連する方法を挙げて公の声明を発表した。1900年末までに、彼は銀行家のJPモルガンを説得して無線局の建設資金を調達し（最終的にはウォーデンクリフに設置）、大西洋を越えてイギリスや海上の船舶にメッセージを送信するという自身のアイデアを実現した。彼は、グリエルモ・マルコーニの新しい無線ベースの電信システムに対抗するため、無線電力伝送を組み込むよう設計を変更することを決定したが、モルガンは資金提供を拒否した。このプロジェクトは1906年に中止され、運用されることはなかった。
この期間にテスラは、変圧器の設計、伝送方法、同調回路、信号伝達方法など、システムの基本機能に関連する多数の特許を申請しました。また、世界中に約 30 のウォーデンクリフ スタイルの通信ステーションを設置し、既存の電話および電信システムに接続する計画も発表しました。その後数十年間、彼はマスコミや著作で、このシステムの機能と、それが無線ベースのシステムよりも優れている点について詳しく説明し続けました。
「無線伝送の実用的な実験を行った」という主張にもかかわらず、[2]彼が比較的短い距離を超えて電力を伝送したという文書はなく、現代の科学的見解では彼の無線電力方式は機能しなかっただろうというのが一般的です。
歴史
起源
テスラの世界無線システムのアイデアは、1890年代初頭にヘルツが誘導コイル変圧器と火花ギャップを使用して電磁波の実験を行ったことを知った後に始まった実験から生まれました。[6] [7]彼はそれらの実験を再現し、ヘルツの無線送信機を改良し、さまざまな交流発電機と、テスラコイルとして知られる独自の高圧変圧器を開発しました。[8] [9]彼が無線現象に最も興味を持ったのは配電システムであり、早い段階で無線照明を追求しました。[10]テスラは1891年以降、「高電位および高周波の交流電流の実験」を含む講義をロンドンとパリで1892年に行い、 1893年には「無線照明」 [11]を実演しました。 [12]これにはガイスラー管の無線点灯も含まれています。
ワンワイヤ伝送
最初の実験は、1891年にニューヨーク市のコロンビア大学で行われた講義で行われた、高周波誘導コイルの1つの端子に1本の電線で接続された照明装置と動力装置の動作でした。誘導コイルの2次端子の1つに接続された単端子白熱電球は、「用語の通常の解釈では」閉回路を形成しませんが[13]、容量結合または「変位電流」によって2次端子に戻る戻り経路が確立されるという意味で回路は閉じています。これは、ランプのフィラメントまたは耐火ボタンの静電容量がコイルの自由端子と環境に対して相対的であるためです。自由端子もランプと環境に対して相対的な静電容量を持っています。
無線伝送
2番目の結果は、接続線なしでエネルギーを空間に伝達する方法を示した。ワイヤレスエネルギー伝送効果は、誘導コイルの二次巻線の一方の端子に接続された2枚の金属板の間に電界を生成することを伴う。ガス放電管は、伝送されたエネルギーの存在を検出する手段として使用された。いくつかのデモンストレーションでは、実験者が手で保持した2本の部分的に真空になった管を交流静電場内で点灯させた。[14]
発達
1890年代初頭に理論をまとめている間、テスラは電波を使うという考えを捨てました。[15]彼は必ずしもマクスウェルが理論化したような電波が存在すると信じていたわけではなく、[15] [16]当時のほとんどの物理学者が言っていたことに賛成していました。つまり、電波は可視光と同じように直線的に進むため、長距離通信への使用は制限されるというものでした。 [17] （電波は確かに直線的に進みますが、これは電離層が特定の電波を反射し、短波周波数帯の空中波通信を長距離で可能に するという発見より何年も前のことでした。）
彼は、見通し距離を超えて電気信号を送信するには、この制限を克服するために地球を伝導媒体として使用する必要があると考えました。[15] 1895年末までに、彼は「地球の電荷を乱すと、ケーブルや電線を使用せずに電波を任意の距離に効率的に送信できる」可能性と、その電波を使用して「理解可能な信号」と「動力」を送信できる可能性について報道機関に声明を出しました。[18] 1896年4月11日、彼は「大気圏やその先のエーテルを伝わる電波を使用して、メッセージを地球上のすべての場所に同時に送信できる可能性がある」と述べました。[19] 1897年9月、彼は30,000フィートの高度に維持された2つの係留気球間で電力を送信するワイヤレス電力伝送方式の特許を申請しました。この高度には導電層が存在するはずだと彼は考えました。[21 ]
1895年から1898年にかけて、彼はニューヨーク市の研究室で、地球伝導理論をテストするために拡大送信機と呼ばれる大型の共振変圧器を製作した。 [22] 1899年に彼はコロラド州コロラドスプリングスで大規模な実験を行った。そこでの測定に基づき、彼は地球が「文字通り電気振動で生きている」という結論を下した。彼は、落雷は地球がエネルギーの波が周囲を移動する大きな導体であることを示していると指摘した。彼は直径51フィート (16 m) の大型拡大送信機を製作し、これは350万から400万ボルトと推定される動作電位を発生させ、長さ100フィート (30 m) を超える放電を発生させることができた。[23]彼はこれを使って地球伝導をテストし、無線電力伝送のデモンストレーションで研究室に隣接する白熱電球を点灯した。
1900年にコロラドスプリングスからニューヨーク市に戻ると、テスラは、地球を導体とする革命的な無線通信および電力供給システムと見なしたプロジェクトに資金を提供してくれるベンチャーキャピタリストを求めた。1900年末までに彼は投資家JPモルガンの注目を集め、モルガンは彼の理論に基づくと、大西洋を越えてイギリスや洋上の船舶にメッセージ、電話、さらにはファクシミリ画像を送信できるパイロットプロジェクト（後にウォーデンクリフプロジェクトとなる）に資金を提供することに同意した。モルガンは会社の支配株と全特許収入の半分を受け取ることになっていた。契約が締結されるとすぐに、テスラは、グリエルモ・マルコーニの無線電信システムに対抗するために、地上無線電力伝送のアイデアを組み込むために施設を拡張することを決定した。 [26]モルガンは変更への資金提供を拒否し、追加の投資資金が得られなかったため、ウォーデンクリフのプロジェクトは1906年に放棄され、稼働することはなかった。
ショアハムのウォーデンクリフ「無線工場」の建設は1901年末に始まり、その後3年間続いた。この工場には、スタンフォード・ホワイト設計の94×94フィート（29×29メートル）のレンガ造りの建物、高さ186フィート（57メートル）の木造の塔と、その頂上にある直径68フィート（21メートル）の「キューポラ」、そして地面に埋め込まれた120フィート（37メートル）のシャフトがあり、そのシャフトの300フィート（91メートル）下に16本の鉄パイプが「次から次へと」打ち込まれていた。これは、テスラの言葉を借りれば、機械が「地球全体を震わせることができるほど地球を掴む」ためだった。[27] [28]資金難はウォーデンクリフを悩ませ続け、1905年から1906年までに工場の活動のほとんどが停止しなければならなかった。
要素
1890 年代後半からウォーデンクリフの建設中にかけて、テスラは無線システムを構成する多くの要素をカバーする特許を申請した。彼が考案したシステムは電気伝導に基づいており、電荷は地面と、理論上の大気中の導電層を介して伝導される。[29] [30]この設計は、接地されたテスラコイルを共振変圧器送信機として構成されており、発振器の高架端子を交互に充電および放電することで、地球の電荷の変位を作成できると彼は考えていた。これは、離れた場所で受信モードで使用される 2 番目のテスラコイルと連動しており、これも接地されたらせん共振器と高架端子を備えている。[31] [32] [33]彼は、送信機と同じ周波数に調整された受信機の役割で地球上の別の場所に接地された共振変圧器を配置すると、2 つの間で電流が地球を流れると考えていた。
彼はまた、送信塔からの電流波を地球の反対側から反射させ、地球上のどの地点でも利用できる増幅された定常電流波を生成し、受信局に直接電力を届けることができると信じていた。彼のシステムのもう1つの特徴は、彼が存在すると考えていた帯電導電性上層を介して大気中の「等価電気変位」 [34]を介して電気が戻ってくるというものだった。 [21] [29]この理論は、1872年にマロン・ルーミスが開発した無線送受信システムのアイデアにまで遡る。[35]この電流は受信機で通信に使用でき、電気機器を駆動するのにも使えると考えられていた。[32]
テスラは友人に、世界中の人口密集地の近くに30以上の送受信局を建設する計画があると語っており、[36]ウォーデンクリフがその最初の局となる。計画が中断なく進んでいたら、ロングアイランドの試作機に続いてイギリス諸島、おそらくグラスゴー近郊のスコットランド西海岸に2番目の施設が建設されていただろう。これらの施設にはそれぞれ、1899年にコロラドスプリングスの実験ステーションで組み立てられた装置を大まかにベースにした設計の大型の拡大送信機が設置される予定だった。 [37]
申請されたアプリケーション
テスラが1895年に無線送信のアイデアについて述べた内容には、世界の未開発地域に豊富な電気エネルギーをもたらすことや、国家間の緊密なコミュニケーションを促進することなど、人道的な用途が含まれている。[38] 1900年6月のセンチュリー・マガジンの記事「人間のエネルギー増大の問題」で、彼は地球の特性と、地球を通信媒体として利用し、電線を使わずに電力を伝送できるシステムの原理について詳しく述べた。彼は、どんな距離でも通信が可能であると述べた。また、この同じプロセスを使用して、海上の氷山や船などの海上の物体の位置を特定でき、「このような規模の電気の動き」で他の惑星と通信できると述べた。[16]
1909年にテスラは次のように述べました。
- 「たとえば、ニューヨークのビジネスマンが指示を口述し、それをロンドンやその他の場所で即座に文字で表示させることがすぐに可能になるだろう。彼は自分のデスクから電話をかけ、世界中のどの電話加入者とも話すことができるようになる。必要なのは、腕時計ほどの大きさもない安価な機器を持ち歩くことだけである。この機器を携帯すれば、何千マイルも離れた海上や陸上のどこでも聞くことができるようになる。世界の果てまで、スピーチや歌を聞いたり、送信したりすることができるようになるだろう。」[39] [40]
彼はまた、高電位電流が上層大気を流れることで上層大気が光り、大洋を横断する航路に夜間の照明を提供できると信じていた。[35] [41]
彼は1919年のElectrical Experimenter誌の記事「真の無線」でワールドワイヤレスについて詳しく述べ、その長距離通信能力を詳しく説明し、当時の電波伝播の理論は不正確であるという見解を示した。[15] [42]
- 「無線伝送のヘルツ波理論はしばらくは維持されるかもしれないが、近いうちに、歴史上記録された科学的な思考の最も注目すべき、そして説明のつかない逸脱の一つとして認識されるだろうと私は断言する。」
実現可能性
コロラドスプリングスでのテスラの無線電力伝送のデモンストレーションは、彼の実験的な大型の拡大送信機を収容する構造物の近くに設置された白熱電球を点灯することで行われ、[43]送信機から1,938フィート（591メートル）までの範囲でした。[25]これらの写真で記録されたデモンストレーション以外に、彼が電力を送信したという直接的な証拠はほとんどありません。[44] [45] [46] [ 47] [48] [49] [50] [51] [52]彼は後に「無線伝送の実用的な実験を行った」と主張しました。[2]彼は、彼の理論によれば、地球上のどの距離でも電気効果を生み出す地球の電気共鳴を達成したと信じていました。[53]
テスラの無線システムに関する功績については、長年にわたってさまざまな主張がなされてきた。コロラドスプリングスでの彼自身のメモでは、長距離送信に成功したかどうかは不明である。[54]テスラは1916年に弁護士ドゥルーリー・W・クーパーに提出した声明の中で、1899年に約10マイル（16km）の距離で定量的な送受信データを収集したと主張している。[55]テスラの伝記作家ジョン・J・オニールは1944年の著書『放蕩天才：ニコラ・テスラの生涯』の中で、1899年にコロラドスプリングスでテスラは26マイル（42km）離れた場所から200個の白熱電球を点灯したと主張している。[54] [56]
現場で働いている科学者やエンジニアは、テスラが大量の電力を長距離伝送するというアイデアは、関連する物理学を誤解し、地球と大気の導電性を過大評価し、距離による電力損失を大幅に過小評価していたため、決して実現しなかっただろうと指摘している。[57] [45] [46] [51] [58] [59] [60] [61] [62]
関連特許
- 電気照明システム、1891 年 4 月 25 日、米国特許 454,622、1891年 6 月 23 日。
- 電流を生成する手段、1893 年 8 月 2 日、米国特許 514,168、1894年 2 月 6 日。
- 電気変圧器、1897 年 3 月 20 日、米国特許 593,138、1897年 11 月 2 日。
- 移動船または車両の制御機構の方法および装置、1898 年 7 月 1 日、米国特許 613,809、1898年 11 月 8 日。
- 電気エネルギー伝送システム、1897 年 9 月 2 日、米国特許 645,576、1900年 3 月 20 日。
- 電気エネルギー伝送装置、1897 年 9 月 2 日、米国特許 649,621、1900年 5 月 15 日。
- 自然媒体を通じて伝達される効果を強化し、利用する方法、1899 年 6 月 24 日、米国特許 685,953、1901年 11 月 5 日。
- 自然媒体を通じて伝達される効果を利用する方法、1899 年 8 月 1 日、米国特許 685,954、1901年 11 月 5 日。
- 自然媒体を介して遠くから受信装置に伝達される効果を利用する装置、1899 年 6 月 24 日、米国特許 685,955、1901年 11 月 5 日。
- 自然媒体を通じて伝達される効果を利用する装置、1900 年 3 月 21 日、米国特許 685,956、1901年 11 月 5 日。
- 信号伝達方法、1900 年 7 月 16 日、米国特許 723,188、1903年 3 月 17 日。
- 信号伝達システム、1900 年 7 月 16 日、米国特許 725,605、1903年 4 月 14 日。
- 自然媒体を介した電気エネルギーの伝送技術、1900 年 5 月 16 日、米国特許 787,412、1905年 4 月 18 日。
- 自然媒体を介した電気エネルギーの伝送技術、1906 年 4 月 17 日、カナダ特許 142,352、1912 年 8 月 13 日。
- 電気エネルギーを伝送するための装置、1902 年 1 月 18 日、米国特許第 1,119,732 号、1914 年 12 月 1 日。
参照
- 装置
注記
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さらに読む
- ニコラ・テスラの真のワイヤレス：見逃されたパラダイム、IEEE
- 「無限の空間: バスバー」、The Electrical World、第 32 巻、第 19 号、1898 年 11 月 5 日。
- テスラ、ニコラ、「太陽エネルギーの利用に特に注目した人類のエネルギー増大の問題」、センチュリー マガジン、1900 年 6 月
- テスラ、ニコラ、「電線を使わない電気エネルギーの伝送」、Electrical World and Engineer、1905 年 1 月 7 日。
- マッシー、ウォルター・ウェントワース、「ワイヤレス電信と電話の一般向け解説」、ニューヨーク、ヴァン・ノストランド。1908 年 ( 「ニコア・テスラによる特別記事付き」 )
- テスラ、ニコラ、「真の無線」、電気実験者、1919年
- テスラ、ニコラ、「世界的エネルギー無線伝送システム」、テレグラフ・アンド・テレグラフ・エイジ、1927 年 10 月 16 日。
- 電気宇宙船 - インタラクティブ リサーチ ジャーナル、リーランド アンダーソン著、「ウォーデンクリフに関するテスラの珍しいメモ」、第 26 号、1998 年 9 月 14 日。ベオグラードのニコラ テスラ博物館に保管されている、1901 年のテスラのメモの図面と選択されたタイプ原稿が含まれています。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、 World Wireless Systemに関連するメディアがあります。
- PBS テスラ マスター オブ ライトニング タワー オブ ドリームス、グローバル ワイヤレス テレコミュニケーション
- Structuraeのウォーデンクリフ タワー