Жерді екінші өткізгіш ретінде пайдаланатын электр тізбектері
Single-wire transmission line
Жерді екінші өткізгіш ретінде пайдаланатын электр схемалары. Бір сымды жүйе – қуатты немесі сигналды бір сым арқылы беру әдісі, екі сымды қажет етпейді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
circuits using earth as a second conductor
A single wire transmission line (or single wire method) is a method of transmitting electrical power or signals using only a single electrical conductor. This is in contrast to the usual use of a pair of wires providing a complete circuit, or an electrical cable likewise containing (at least) two conductors for that purpose. The single wire transmission line is not the same as the single wire earth return system, which is not covered in this article. The latter system relies on a return current through the ground, using the earth as a second conductor between ground terminal electrodes. In a single wire transmission line there is no second conductor of any form.
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.
As early as the 1780s Luigi Galvani first observed the effect of static electricity in causing the legs of a frog to twitch, and observed the same effect produced just due to certain metallic contacts with the frog involving a complete circuit. The latter effect was correctly understood by Alessandro Volta as an electric current inadvertently produced by what would become known as a voltaic cell (battery). He understood that such a current required a complete circuit to conduct the electricity, even though the actual nature of electric currents was not at all understood (only a century later would the electron be discovered). All subsequent development of electrical motors, lights, etc. relied on the principle of a complete circuit, generally involving a pair of wires, but sometimes using the ground as the second conductor (as with commercial telegraphy). At the end of the 19th century, Nikola Tesla demonstrated that by using an electrical network tuned to resonance it was possible to transmit electric power using only a single conductor, with no need for a return wire. This was spoken of as the "transmission of electrical energy through one wire without return". In 1891, 1892, and 1893 demonstration lectures with electrical oscillators before the AIEE at Columbia College, N. Y. C., the IEE, London, the Franklin Institute, Philadelphia, and National Electric Light Association, St. Louis, it was shown that electric motors and single terminal incandescent lamps can be operated through a single conductor without a return wire. Although apparently lacking a complete circuit, such a topology effectively obtains a return circuit by virtue of the load's self capacitance and parasitic capacitance. The final reference to "burning out" a machine was to emphasize the ability of such a system to transmit a large power given a proper impedance match, as can be obtained through electrical resonance.
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.
This observation has been rediscovered several times, and described, for instance, in a 1993 patent. Single wire transmission in this sense is not possible using direct current and totally impractical for low frequency alternating currents such as the standard 50–60 Hz power line frequencies. At much higher frequencies, however, it is possible for the return circuit (which would normally be connected through a second wire) to utilize the self and parasitic capacitance of a large conductive object, perhaps the housing of the load itself. Although the self capacitance of even large objects is rather small in ordinary terms, as Tesla himself appreciated it is possible to resonate that capacitance using a sufficiently large inductor (depending on the frequency used), in which case the large reactance of that capacitance is cancelled out. This allows a large current to flow (and a large power to be supplied to the load) without requiring an extremely high voltage source. Although this method of power transmission has long been understood, it is not clear whether there has been any commercial application of this principle for power transmission.
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.
As early as 1899, Arnold Sommerfeld published a paper predicting the use of a single cylindrical conductor (wire) to propagate radio frequency energy as a surface wave. Sommerfeld's "wire wave" was of theoretical interest as a propagating mode, but this was decades before technology existed for the generation of sufficiently high radio frequencies for any such experimentation, let alone practical applications. What's more, the solution described an infinite transmission line without consideration of coupling energy into (or out of) it. Of particular practical interest, though, was the prediction of a substantially lower signal attenuation compared to using the same wire as the center conductor of a coaxial cable. Contrary to the previous explanation of the full transmitted power being due to a classical current through a wire, in this case the currents in the conductor itself are much smaller, with the energy transmitted in the form of an electromagnetic wave (radio wave). But in this case, the presence of the wire acts to guide that wave toward the load, rather than radiating away. The reduction of ohmic losses compared to using coax (or other two wire transmission lines) is especially an advantage at higher frequencies where these losses become very large. Practically speaking, use of this transmission mode below microwave frequencies is very problematic due to the very extended field patterns around the wire. The fields associated with the surface wave along the conductor are significant out to many conductor diameters, therefore metallic or even dielectric materials inadvertently present in these regions will distort the propagation of the mode and typically will increase propagation loss. Although there is no wavelength dependence to this dimension in the transverse direction, in the direction of propagation it is necessary to have a minimum of one half wave of conductor length to fully support the propagating mode. For these reasons, and at frequencies available prior to about 1950, the practical disadvantages of such transmission completely outweighed the reduced loss due to the wire's finite conductivity.
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.
In 1950 Georg Goubau revisited Sommerfeld's discovery of a surface wave mode along a wire, but with the intent of increasing its practicality. One major goal was to reduce the extent of the fields surrounding the conductor so that such a wire would not require an unreasonably large clearance. Another problem was that Sommerfeld's wave propagated exactly at the speed of light (or the slightly lower speed of light in air, for a wire surrounded by air). That meant that there would be radiation losses. The straight wire acts as a long wire antenna, robbing the radiated power from the guided mode. If the propagation velocity can be reduced below the speed of light then the surrounding fields become evanescent, and are thus unable to propagate energy away from the area surrounding the wire. Goubau investigated the beneficial effect of a wire whose surface is structured (rather than an exact cylinder) such as would be obtained using a threaded wire. More significantly, Goubau proposed the application of a dielectric layer surrounding the wire. Even a rather thin layer (relative to the wavelength) of a dielectric will reduce the propagation velocity sufficiently below the speed of light, eliminating radiation loss from a surface wave along the surface of a long straight wire. This modification also had the effect of greatly reducing the footprint of the electromagnetic fields surrounding the wire, addressing the other practical concern. Finally, Goubau invented a method for launching (and receiving) electrical energy from such a transmission line. The patented Goubau line (or "G line") consists of a single conductor coated with dielectric material. At each end is a wide disk with a hole in the center through which the transmission line passes. The disk may be the base of a cone, with its narrow end connected typically to the shield of coaxial feed line, and the transmission line itself connecting to the center conductor of the coax. Even with the reduced extent of the surrounding fields in Goubau's design, such a device only becomes practical at UHF frequencies and above. With technological development at terahertz frequencies, where metallic losses are yet greater, the use of transmission using surface waves and Goubau lines appears promising.
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.
From 2003 through 2008 patents were filed for a system using Sommerfeld's original bare (uncoated) wire, but employing a launcher similar to that developed by Goubau. It was promoted under the name "E Line" through 2009. This line is claimed to be completely non radiating, propagating energy by a previously ignored transverse magnetic (TM) wave. The intended application is high information rate channels using existing power lines for communications purposes.