Кіріспе

Жерді екінші өткізгіш ретінде пайдаланатын тізбектер. Бір сымдық тарату желісі (немесе бір сымдық әдіс) – электр қуатын немесе сигналдарды беру үшін тек бір электр өткізгішін пайдаланатын әдіс. Бұл, толық тізбек құратын сымдар жұбын немесе осы мақсатта (кемінде) екі өткізгіштен тұратын электр кабелін пайдаланудан өзгеше. Бір сымдық тарату желісі – бір сымдық жерге қайтару жүйесімен бір емес, және бұл жүйе осы мақалада қарастырылмайды. Соңғы жүйе, жерді екінші өткізгіш ретінде пайдаланып, жердің ішіндегі терминал электродтары арасында ток қайтаруға негізделген. Бір сымдық тарату желісінде ешқандай түрінде де екінші өткізгіш болмайды.

Тарих

1780 жылдары Луиджи Гальвани алғаш рет статикалық электрдің бақаның аяқтарын қозғалту әсерін байқады, сондай-ақ толық тізбекті қамтитын бақамен әртүрлі металлдардың жанасуынан туындаған ұқсас әсерді байқады. Бұл әсерді Алессандро Вольта дұрыс түсіндіріп, бұл вольттік элемент (аккумулятор) деп аталатын нәрседен кездейсоқ пайда болатын электр тогы екенін анықтады. Ол мұндай ток электр тогын өткізу үшін толық тізбек қажет ететінін түсінді, тіпті электр тогының нақты табиғаты толыққанды түсініксіз болғанмен (электрон тек бір ғасырдан кейін ашылды). Электр моторларының, шамдардың және т.б. барлық келесі дамуы толық тізбек принципіне негізделді, әдетте екі сымды қамтиды, бірақ кейде екінші өткізгіш ретінде жер қолданылды (мысалы, коммерциялық телеграфияда). 19 ғасырдың соңында Никола Тесла резонансқа келтірілген электр желісін пайдалану арқылы кері сымның қажеті болмай, тек бір өткізгіш арқылы электр қуатын беруге болатынын көрсетті. Бұл "бір сым арқылы электр энергиясын кері сымсыз беру" деп аталды. 1891, 1892 және 1893 жылдардағы электр осцилляторлары туралы демонстрациялық лекцияларда AIEE алдында (Колумбия колледжі, Нью-Йорк), IEE (Лондон), Франклин институты (Филадельфия) және Ұлттық электр шамдар қауымдастығы (Сент-Луис) электр моторларын және бір полюсті шамдарды кері сымсыз бір өткізгіш арқылы іске қосуға болатыны көрсетілді. Бұл схема толық болмаса да, жүктеменің өзіндік және паразиттік сыйымдылығы арқасында тиімді кері тізбек құрылады. Машинаның "жанып кетуі" туралы соңғы сілтеме, жүйеге дұрыс кедергі сәйкестігі қолданылған жағдайда, электрлік резонанс арқылы үлкен қуатты беруге қабілетті екенін көрсету үшін жасалды.

Теория

Бұл байқау бірнеше рет қайта ашылды және, мысалы, 1993 жылғы патентте сипатталған. Бұл жағдайда бір сым арқылы беру тұрақты токпен мүмкін емес және стандартты 50–60 Гц желілік жиіліктері сияқты төмен жиілікті айнымалы ток үшін толығымен қолдануға келмейді. Дегенмен, әлдеқайда жоғары жиіліктерде, кері схема (әдетте екінші сым арқылы қосылатын) үлкен өткізгіш нысанның өзіндік және қосымша сыйымдылығын, мүмкін жүктеменің корпусын пайдалануы мүмкін. Тіпті үлкен нысандардың өзіндік сыйымдылығы да қалыпты жағдайда өте шағын болғанымен, Тесланың өзі түсінгендей, жеткілікті үлкен индукторды (қолданылатын жиілікке байланысты) қолдану арқылы осы сыйымдылықты резонансқа келтіруге болады, сонда осы сыйымдылықтың жоғары реактивтілігі жойылады. Бұл жоғары кернеу көзін қажет етпей, үлкен ток ағызуға (және жүктемеге үлкен қуат жеткізуге) мүмкіндік береді. Электр қуатын берудің бұл әдісі бұрыннан белгілі болғанымен, осы принциптің қуат беруде коммерциялық қолданысқа ие болғаны белгісіз.

Бір өткізгіш толқын жетектері

1899 жылы Арнольд Сомерфельд радиожиілік энергиясын жер үсті толқыны ретінде таратуға бір цилиндрлік өткізгішті (сымды) пайдалануды болжаған мақала жариялады. Сомерфельдтің «сым толқыны» таралу режимі ретінде теориялық қызығушылық тудырды, бірақ мұндай тәжірибелер үшін жеткілікті жоғары радиожиіліктерді жасау технологиясы пайда болғанға дейін ондаған жылдар өтті, тіпті практикалық қолданыстар туралы айтудың қажеті де болмады. Сонымен қатар, бұл шешім энергияны (немесе одан) қосуды ескермей, шексіз беріліс желісін сипаттады. Бірақ ерекше қызығушылық тудырғаны – коаксиалды кабельдің орталық өткізгіші ретінде сол сымды пайдаланумен салыстырғанда сигналдың айтарлықтай аз төмендеуі болды. Бұрынғы түсіндірмеге қарағанда, толық берілген қуат сым арқылы классикалық токқа байланысты болған, ал бұл жағдайда өткізгіштің өзіндегі ток мөлшері өте аз, ал энергия электромагниттік толқын (радио толқыны) түрінде беріледі. Бірақ бұл жағдайда сымның болуы толқынды жүкке қарай бағыттап, таралып кетуіне жол бермейді. Коаксиалды (немесе басқа екі сымдық беріліс желілерін) пайдаланумен салыстырғанда, омикалық шығындарды азайту, әсіресе жоғары жиіліктерде, осы шығындар өте үлкен болатын жағдайда, үлкен артықшылық болып табылады. Практикалық тұрғыдан алғанда, микротолқынды жиіліктерден төмен осы беріліс режимін қолдану сымның айналасындағы кең өріс үлгілеріне байланысты қиындықтар тудырады. Өткізгіш бойындағы жер үсті толқынымен байланысты өрістер көптеген өткізгіш диаметрлеріне дейін маңызды болып табылады, сондықтан бұл аймақтарда кездейсоқ түрде кездесетін металл немесе тіпті диэлектрлік материалдар режимнің таралуын бұрмалап, әдетте таралу жоғалуын арттырады. Бұл өлшемге көлденең бағытта толқын ұзындығы тәуелді болмаса да, таралу бағытында таралу режимін толық қолдау үшін өткізгіштің кемінде жарты толқын ұзындығы болуы қажет. Осы себептерге және 1950 жылға дейін қол жетімді жиіліктерге байланысты, мұндай берілістің практикалық кемшіліктері сымның шекті өткізгіштігінен туындаған жоғалтудан әлдеқайда басым болды.

Губау желісі

1950 жылы Георг Губау Сомерфельдтің сым бойымен жүсетін беттік толқын режимін қайта қарастырды, бірақ оның қолдануға ыңғайлылығын арттыру мақсатында. Басты мақсаттардың бірі – өткізгішті қоршаған өрістердің кеңістігін азайту болды, соның арқасында мұндай сымға тым үлкен аралық қашықтық қажет болмас еді. Тағы бір мәселе – Сомерфельд толқыны жарық жылдамдығымен таралатын (немесе ауамен қоршалған сым үшін ауадағы жарық жылдамдығы сәл төмен болатын). Бұл сәуле шығындарына алып келуі мүмкін. Тік сым ұзын сым антеннасы сияқты әрекет етеді, бағытталған режимнен сәулеленген қуатты тартып алады. Егер таралу жылдамдығы жарық жылдамдығынан төмен болса, онда қоршаған өрістер жоғалып, сымды қоршаған аймақтан энергияны тарату мүмкін болмайды. Губау бұрандалы сым сияқты, беті құрылымдалған (нақты цилиндр емес) сымның пайдалы әсерін зерттеді. Губау сымды қоршаған диэлектрлік қабатты қолдануды ұсынды. Тіпті диэлектриктің толқын ұзындығына қарағанда өте жұқа қабаты таралу жылдамдығын жарық жылдамдығынан төмендетіп, ұзын тік сымның бетіндегі беттік толқыннан сәуле шығаруды болдырмайды. Бұл өзгеріс сонымен қатар сымды қоршаған электромагниттік өрістердің кеңістігін едәуір азайтып, басқа да практикалық мәселелерді шешті. Соңында Губау мұндай тарату желісінен электр энергиясын жіберу (және қабылдау) әдісін ойлап тапты. Патенттелген Губау желісі (немесе "G желісі") диэлектрлік материалмен қапталған бір өткізгіштен тұрады. Әр екі шетінде де ортасынан тарату желісі өтетін тесігі бар кең дискі орналасқан. Дискі конустың негізі болуы мүмкін, ал оның тар ұшы әдетте коаксиалды қоректендіру желісінің қалқанына қосылады, ал тарату желісі коаксиалды орталық өткізгішке қосылады. Губаудың жобалауында қоршаған өрістердің кеңістігі азайғанмен, мұндай құрылғы тек ӨЖЖ (UHF) жиіліктерінде және одан жоғарыда ғана қолданысқа жарамды. Терагерц жиіліктеріндегі технологиялық даму кезінде металдық шығындар одан да көп болғандықтан, беттік толқындарды және Губау желілерін пайдаланатын тарату перспективалы болып көрінеді.

E-Line

2003 жылдан 2008 жылға дейін Зоммерфельдтің бастапқы жалаңаш (қаптамасыз) сымын пайдаланатын, бірақ Губоу әзірлегенге ұқсас итергіш құрылғыны қолданатын жүйеге патенттер тіркелді. 2009 жылға дейін бұл жүйе "E Line" деген атпен таныстырылды. Бұл сызық мүлдем сәулеленбейтіні, бұрын назарда болмаған көлденең магниттік (TM) толқын арқылы энергияны тарату арқылы жұмыс істейтіні айтылады. Көзделіп отырған қолданысы – байланыс мақсатында қолданыстағы электр желілерін пайдаланатын жоғары ақпараттық жылдамдық арналары.