Nikola Tesla - muž, který změnil naše životy

Konečně svobodný

Elektrotechnika, ač pro mnohé se na první pohled jeví jako složitá, je vskutku jednoduchá. V podstatě se na ní můžeme dívat jako na skládačku. Z několika jednoduchých součástek tak můžeme vytvářet nové jednodušší nebo složitější zařízení. Dnes mezi základní součástky patří odpory, kondenzátory, cívky, různé druhy polovodičových součástek (diody, tranzistory, integrované obvody) a mnoho dalších. Ovšem ve své době měl Nikola Tesla k dispozici pouze cívky, které byly a dodnes jsou nevyhnutelné pro točivé stroje jako motory, dynama, generátory, alternátory apod. a tzv. Leydenskou láhev, vynalezenou již v polovině 18. století na Leydenské univerzitě v Nizozemsku, což je první záměrně zkonstruovaný kondenzátor, tedy malý zásobník elektrické energie.

Jak vidíte, není toho moc a přece dnes, díky genialitě jednoho muže udělat z ničeho něco, máme život pohodlnější. Přesuneme se teď do období kolem roku 1884, kdy Tesla připlul do země neomezených možností, a ještě trochu dál. Tesla dal výpověď u Edisona a svými nápady si získal George Westinghouse, který mu sponzoruje dílnu a vývoj.

Tesla se tak s nadšením chytil příležitosti, kterou dostal a vrhl se do výzkumu svého vysněného a dlouho odmítaného střídavého proudu. Vyzbrojen zkušenostmi se stejnosměrnými motory a dynamy se pouští do práce. Vstupuje tím sice do zcela neznámých vod, ovšem má velice dobrou mysl. Ve svých myšlenkách totiž dokázal udělat to, na co dnes běžně využíváme počítače. Sám Tesla o sobě tvrdil, že za pomoci vlastní představivosti si dokáže zařízení do detailů vymyslet, složit, odladit a rozebrat, aniž by to musel nejdříve sestrojit. Já si myslím, že je to docela reálné, pokud vezmeme do úvahy, že dokázal z hlavy počítat integrální počty. Ale podobné myšlení má i dnes spousta lidí, obzvláště mnozí konstruktéři, vývojáři nebo designéři, pomineme-li matematickou stránku věci, kde na rozdíl od Tesly k ladění a simulaci dnes využívají počítače, které disponují zejména velikou rychlostí výpočtů i mnohem složitějších funkcí, než jaké využíval Tesla před 120 lety.

Přechod od stejnosměrného proudu k střídavému

Jaké zkušenosti se stejnosměrnými motory Tesla využil? Elektrikářům je to jasné, ale pro jistotu to zde trochu rozepíšu. Princip motoru je velice jednoduchý. Výpočty cívek už ne, ale to teď nepotřebujeme. Pro lepší představu se podívejte na následující obrázek.

Základem motoru je permanentní magnet. Na obrázku je rozdělený na severní pól (N) a jižní pól (S), ale ve skutečnosti neexistuje magnet pouze s jedním pólem. Ten tvoří tzv. stator – obal, který se nepohybuje, je statický a slouží k připevnění motoru např. na podložku. Další část tvoří rotor – vnitřek, který rotuje. Jeho největší část tvoří tzv. pólové nástavce (šedá část), na kterých jsou namotané cívky (modrá a červená).

Problematičtější část celého motoru se ale nachází venku na hřídeli. Je to tzv. komutátor (ty dvě oranžové plošky). Na jednu plošku komutátoru je vyveden jeden konec modré cívky a na druhou plošku komutátoru je připojen druhý konec červené cívky. Zbylé konce cívek jsou spojené dohromady. Na komutátor je připojené stejnosměrné napětí. Aby se motor točil, je potřeba toto napětí pravidelně střídat. V případě, že by se napětí nestřídalo, motor by se zastavil.

Pozor, nemluvíme zatím o střídavém napětí, pouze o změně + za – a naopak. Toto střídání zabezpečuje komutátor, ale je téměř vždy doprovázeno jiskřením.

Tyto jiskry se v elektrotechnice označují jako oblouky a jsou noční můrou všech výrobců spínacích součástek. Oblouky vznikají při spojování, no nejvíce při rozpojování kontaktů, kterými protéká elektrický proud, a způsobují na nich největší škody. Abyste si udělali představu, zde jsou dvě videa:

V té době používal na výrobu stejnosměrného proudu nejen Edison parní stroje, které roztáčely dynama. Jejich konstrukce se od motorů moc nelišila. Taky měly komutátor, který krásně jiskřil a z kterého se tak získával stejnosměrný proud. Tesla udělal velice jednoduchou věc. Odstranil komutátor z dynama i z motoru, čímž se zbavil nepříjemného a nežádoucího jiskření, a tak zcela jednoduše získal střídavý proud sinusového průběhu, jaký používáme dodnes. Teď, když už Tesla dokáže vyrobit a využít střídavý proud, stojí před další otázkou. Jak ho distribuovat?

Vysoké napětí

Tesla se nachází v těžké situaci. Pro veřejnost je záhadným cizincem a přistěhovalcem a svými dosavadními pokusy si moc důvěry nebo obliby nezískal, spíše naopak. Potřebuje si napravit pověst, přičemž moc dobře ví, že řeči a sliby nic nezmůžou. Musí prostě dostat své vynálezy z laboratoře do ulic, aby si je mohli prostí lidi i odborníci obhlédnout a vyzkoušet. Pokud ale chce zaujmout pozornost, musí přijít s něčím lepším, než nabízí jeho jediný a největší konkurent – Edison. Ten měl výhody hned tři: domácí prostředí, americké občanství a důvěru obyvatelstva, protože v té době už měl elektrifikován okruh přibližně 200 metrů kolem své elektrárny na Pearl Street. Byl ale na vrcholu svých možností, o čemž veřejnost, pochopitelně, nevěděla. Pouze Edison, a samozřejmě Tesla, si toho byli vědomi. Problém, který Edison nedokázal vyřešit, byla omezená délka vedení.

Elektrikáři zde můžou následující odstavec přeskočit. Pro méně znalé by odborné výrazy mohly být trochu abstraktní, proto zde uvedu menší přirovnání.

Kvůli názornosti si můžeme Edisonovu situaci představit jako auto, s nádrží např. 110 litrů. Přesně tolik voltů totiž ve svém systému používal Edison. Posadíte-li do takového auta různé řidiče, jejichž průměrná spotřeba bude stejná, všichni ujedou přibližně stejnou vzdálenost do doby, než jim dojde palivo. Aby se dostali dál, musí dotankovat. Ovšem je zde ještě jedna alternativa – větší nádrž. Co třeba 22 000 litrů, nebo 440 000 litrů? Jako nádrž v autě nepraktické, ale zrovna takové hodnoty napětí jsou v současnosti zcela běžné. Větší nádrž ovšem znamená míň prostoru, větší hmotnost a větší nebezpečí v případě nehody. Převedeme-li to teď zpátky do elektrotechniky, znamená vyšší napětí delší vedení. Ovšem, je zde háček.

O ohni se říká, že je dobrý sluha, ale zlý pán. Totéž můžeme říct o napětí. Dokážeme-li vysoké napětí řídit jak a kam potřebujeme, je nám na velký užitek. Překročíme-li hranice bezpečnosti, vstoupíme tak jakoby do arény s rozzuřeným býkem, a je jenom otázkou času, kdy dostaneme pořádnou ránu. Proto jsou žlutočerné výstražné tabulky s textem: „Pozor, elektrické zařízení, nebezpečí úrazu“ apod., běžnou součástí našich životů. Tato varování zde nejsou náhodou. Podívejte se, jak vysoká „pokuta“ se často platí za porušení těchto varování.

A zde krátký dokument z domácího prostředí. Upozorňuju, že obzvlášť první půlminuta není vhodná pro slabší nátury:

Vysoké napětí tedy není moc přátelské a nešetří nikoho. Zabije, nebo alespoň pořádně „nakope“, každého, kdo se přiblíží (zvířata, lidi i neopatrné elektrikáře).

Tesla měl možnosti dvě. Buď bude používat napětí nižší, podobně jako Edison, aby minimalizoval riziko úrazů. To by znamenalo stavět elektrárny každých 300-500 metrů, znovu stejně jako Edison. Elektrárny jsou ovšem drahé na to, aby byli „na každém rohu“, a taky by to nebyla žádná novinka, kterou by upoutal pozornost veřejnosti a případných sponzorů či zákazníků.

Druhou možností bylo použití napětí podstatně vyššího, co by mu umožnilo stavět méně elektráren, které by mohly být dokonce mimo města. Potýkal se tak ale s otázkou bezpečnosti. Nemůže přece pustit do domácností vysoké napětí! Jen si to zkuste představit. Chcete něco zapojit do zásuvky a z vedlejší prázdné zásuvky by vyšlehl oblouk, který by protekl přes vaši ruku, srdce a nohama až do země. Takovéto „lechtání“, pokud by vás nezabilo, by rozhodně příjemné nebylo ani pro zdravého člověka, nemluvě o těch, co mají potíže se srdcem.

Ani jedna z těchto variant se nezdá schůdná, ovšem Tesla přišel na brilantní řešení - kompromis. Postaví elektrárnu mimo město, která bude vyrábět vysoké napětí. Dlouhý přívod k městu bude taky pracovat s vysokým napětím a ve městě pak změní napětí na menší, bezpečnější, jež může být bez větších obav použito v domácnostech. Edison zde byl ve slepé uličce, protože nedokázal své stejnosměrné napětí efektivně snižovat a už vůbec ne zvyšovat. Dnes, díky polovodičovým součástkám, to už možné je, ovšem polovodiče jsou technologií posledních desetiletí.

Na rozdíl od něj Tesla, se svým střídavým napětím, ve slepé uličce nebyl. Při svých pokusech v laboratoři totiž vynalezl jakousi svou, obrazně řečeno „zbraň“, jež brzo odstaví Edisona i s jeho stejnosměrným proudem na druhou kolej a z Nikoly udělá magnáta v elektrotechnickém průmyslu. Jistě tušíte, co to je. Setkáváme se s tím každý den, v různých podobách a bereme to úplně samozřejmě. Ano, je to transformátor, a hned několik se i v tuto chvíli stará o to, aby se vám počítač při čtení těchto řádků nevypnul.

Dnes jsou transformátory téměř všude. Od elektráren, rozvodných stanic až v našich domácnostech. Jsou v televizorech, počítačích, tiskárnách, všech nabíječkách, mikrovlnkách, pračkách, ledničkách, holicích strojcích, úsporných zářivkách apod. Výpočty transformátorů nepatří mezi snadné, ovšem jeho funkce je, dnes pro nás, velice jednoduchá, až primitivní. Jak totiž řekl Galileo Galilei:

„Všechny pravdy je snadné pochopit poté, co jsou objeveny. Potíž je v tom je objevit.“

Jak na to tedy Tesla přišel? Jak objevil tuto pro nás jednoduchou věc? Odpověď zní: „skládačka!“ Jak víme, dynamo převádí magnetickou energii na elektrickou, k čemuž využívá cívky a feromagnetické jádro. Feromagnetické znamená složené z materiálů s vhodnými magnetickými vlastnostmi na bázi železa. Motor zase převádí energii elektrickou na energii magnetickou za použití taky jenom cívek a feromagnetického jádra. Tesla tak pouze spojil dynamo a motor, akorát vynechal problematické točivé spojení, které nahradil společným magnetickým jádrem, čímž vytvořil transformátor, jaký používáme dodnes.

První část má Tesla za sebou. Přišel s něčím, co mu Edison nemůže vzít. Transformátor totiž pro stejnosměrný proud nefunguje. Aby vyšel z Edisonova stínu, musí si už jenom naklonit na svou stranu veřejnost, novináře a především odborníky. Do této situace, jako na zavolanou, přichází nabídka na nasvícení náměstí Chicaga pro nadcházející slavnosti. Tuto příležitost si samozřejmě Tesla ani Westinghouse utéct nenechali a připravili pompézní přehlídku svých patentů. Nijak nešetřili, čímž vytvořili tak grandiózní atmosféru, jakou do té doby nikdo nezažil. Spousta lidí si tak mohla obhlédnout střídavý proud i Teslovy neony a zářivky v akci. Tesla si zde získal spoustu lidí z řad odborníků i nadšené veřejnosti. Povedlo se mu tak, co chtěl. Předčil svými vynálezy a možnostmi Edisona a ke splnění jeho dětského snu, zkrotit Niagarské vodopády, mu už nic nebrání.

Jak vzrůstal počet Teslových elektráren a množství vyrobené energie, měnil se Nikola z chudého cizince, jenž do Ameriky dorazil se 4 centy v kapse, v Billa Gatese 19. století, protože George Westinghouse mu přislíbil podíl 2,5 USD za každou koňskou sílu vyrobenou v jejich elektrárnách.

Vysoké frekvence

Takto finančně zabezpečený a teď už všude známý Tesla začíná svůj čas znovu věnovat činnosti, která mu přináší největší radost a uvolnění - experimentování. I přes různá veřejná vystoupení, konference a podobné události tráví většinu svého času uzavřen před lidmi ve své laboratoři. Pokračuje ve svých pokusech s vysokým napětím, protože chce zjistit, co všechno dokáže. Mezitím němec H. Hertz ověřil, že světlo je elektromagnetické vlnění o vysoké frekvenci, což motivovalo Teslu k pokusům už nejen s vysokým napětím, ale od teď i s vysokou frekvencí.

Frekvence je velice zajímavá veličina. Je původcem mnoha záhadných jevů a taky velice dobrým pomocníkem. Co je na ní zvláštní?

Tak např. elektrické napětí většinou vnímáme jako „kopnutí“. Zajisté se každý setkal se statickou elektřinou, nebo zkoušením 9V baterky jazykem. Jinak pak vnímáme teplo, chuť, vůni apod. Na všechno máme určitou část těla, která reaguje na jednotlivé veličiny. Na vnímání frekvence na první pohled jakoby nic nemáme, ovšem to je omyl. Frekvenci naše tělo vnímá vždy různými orgány anebo nevnímá vůbec. Některé frekvence vnímáme jako zvuk, jiné jako světlo, další jako teplo. Díky frekvenci dnes taky můžeme využívat veškeré bezdrátové systémy, jako jsou dálkové ovladače, rádio, televize, mobily, GPS, Wi-Fi, Bluetooth, dokonce i mikrovlnné trouby apod.

Určitě se každý setkal s označením 230V/50Hz, případně 100-240V/50-60Hz. Jestli ne, tak se podívejte na nabíječku od svého mobilního telefonu nebo napájecí zdroj svého počítače či notebooku, případně na jiný spotřebič. Podle tohoto výrobci vždy určí, zda je dané zařízení použitelné v Evropě, kde v zásuvkách používáme 230V~/50Hz, v Americe, kde se používá 115V~/60Hz, případně, je to jedno. Tyto frekvence ale vůbec nepatří mezi nejpříjemnější. Můžou způsobovat nervozitu, migrény a jiné potíže svým blikáním nebo zvukem. Jistě jste tento „koncert opus 50Hz“ od ČEZ-u už někde zaslechli.

Proč tedy máme v zásuvkách tak nepříjemnou frekvenci? Důvodem, nebo spíš omluvou, je fakt, že v době, kdy sjednocovali tyto frekvence, se používaly pouze motory a světla. Hledali tak nejlepší frekvenci, při které by dobře pracovaly světla i motory. Abychom neviděli blikání světla, musí být frekvence vyšší než 25 Hz. Na druhou stranu, pro motory se ukázaly nejlepší zrovna frekvence 50-60 Hz, co se ujalo jako standard.

Tesla ve své době, na rozdíl od nás, těmito standardy ještě omezen nebyl, a tak mu nic nebránilo v experimentech. A podobně jako se dnes snažíme dělat většinu věcí bezdrátových, se již tehdy, před 120 lety pokoušel o to samé Nikola Tesla. Jeho velkým snem byl bezdrátový přenos energie, jinak řečeno, volná energie pro všechny. Koncept byl znovu velice jednoduchý. Místo vedení mezi dvěma transformátory použije vzduch. Ovšem i jednoduché věci se můžou pořádně zkomplikovat a Nikola na problémy nemusel dlouho čekat. Teorii elektromagnetických vln zde teď rozepisovat nebudu, neboť by to pro mnohé bylo nudné a těžko představitelné.

Důležité je, že Tesla nakonec přišel na způsob, jak přenášet energii. Se svými poznatky o střídavém proudu, vysokém napětí a frekvenci zkonstruoval další transformátor. Tentokrát trochu jiný. Tento druh transformátoru, který se nepřipojuje na vedení, protože místo něj má na svém konci (nebo začátku) anténu, nazývá Teslův transformátor. V současnosti se vůbec nevyužívá na přenos energie, ale zato je velice populárním zdrojem zábavy a úžasu. Zvláštností není jenom jeho netradiční design, ale i fakt, že za určitých podmínek, i přes to, že produkuje až ultra vysoké napětí, nezabíjí. Přesvědčte se!

Tvar transformátoru je neobyčejný, protože je zkonstruován záměrně k tomu, aby energii vysílal do prostoru kolem sebe. V tomto případě je jiskření žádoucí, na rozdíl od běžných transformátorů, a vysoké napětí je nevyhnutné, protože je přímo úměrné vyzářenému výkonu, kterého je potřeba obrovské množství, jelikož se energie ve vzduchu šíří všemi směry, čímž se ředí a její intenzita tak klesá se čtvercem vzdálenosti.

I když jsou transformátory, které jste viděli na videu, vyšší než člověk, ve srovnání s Teslovými projekty, viz Colorado springs nebo Wardenclyffe, je můžeme označit za „kapesní“.

Může frekvence zachránit život? Může! Je-li frekvence dostatečně vysoká, způsobuje tzv. skinefekt, kdy se elektrický proud šíří po povrchu, kůží, a ne vnitřnostmi a citlivými orgány jako je srdce a mozek. Vysoká frekvence ovšem nechrání úplně. Je obecně známo, že přeměna elektrické energie na světlo je nejméně efektivní. Pouze kolem 10-30 % a zbytek energie se většinou mění na nežádoucí teplo. Zde platí taky přímá úměrnost, čím větší napětí a delší výboje (jiskry, blesky, jak chcete), tím více vytvořeného tepla. A jelikož popáleniny nejsou nikterak příjemnou záležitostí, měl i mladík ve videu na sobě ještě kovový oblek, který odvádí vzniklé teplo, aby z něj nebyl za chvíli špekáček. Kovový oblek zároveň slouží i jako ochrana před miliónem voltů, neboť jak jsem zmínil výše, napětí je lepší, pokud možno, se vyhnout.

Ještě dodám, že díky moderním polovodičovým součástkám je možné vyrobit i transformátory, které hrají do hudby apod. a vytvářet tak ještě zajímavější představení, či dokonce hudbu jenom za pomoci těchto transformátorů.

Více zde problematiku těchto transformátorů rozvádět nebudu, protože na internetu je možné o nich najít spoustu zajímavých a detailnějších informací. Ovšem o tom, že tímto objevem Nikola Tesla položil základy pro rádio, televizi, mobily a jiné bezdrátové vysokofrekvenční vymoženosti, bez kterých by se nám už žilo těžko, není pochyb.