Введение

схемы, использующие землю в качестве второго проводника. Однопроводная линия передачи (или метод одного провода) — это способ передачи электрической энергии или сигналов с использованием только одного электрического проводника. Это отличается от обычного использования пары проводов для создания полной цепи или электрического кабеля, содержащего (как минимум) два проводника для этой цели. Однопроводная линия передачи отличается от однопроводной системы с заземлением обратного тока, которая не рассматривается в данной статье. Последняя система полагается на обратный ток, протекающий через землю, используя землю в качестве второго проводника между заземляющими электродами. В однопроводной линии передачи отсутствует какой-либо второй проводник.

История

Еще в 1780-х годах Луиджи Гальвани впервые заметил, что статическое электричество вызывает подергивание лап лягушки, и наблюдал тот же эффект, возникающий при определенных металлических контактах с лягушкой, образующих замкнутый контур. Алессандро Вольта верно интерпретировал этот эффект как электрический ток, непроизвольно создаваемый тем, что впоследствии стало известно как вольтов элемент (батарея). Он понимал, что для протекания такого тока необходим замкнутый контур, хотя природа электрического тока в то время была совершенно не изучена (лишь спустя столетие было открыто существование электрона). Все последующие разработки электродвигателей, осветительных приборов и т.д. основывались на принципе замкнутого контура, обычно включающего пару проводов, но иногда использующего землю в качестве второго проводника (как в коммерческой телеграфии). В конце XIX века Никола Тесла продемонстрировал, что с помощью электрической сети, настроенной на резонанс, можно передавать электрическую энергию, используя только один проводник, без необходимости в обратном проводе. Это описывалось как "передача электрической энергии по одному проводу без обратной линии". В 1891, 1892 и 1893 годах в ходе демонстрационных лекций с электрическими осцилляторами перед AIEE в Колумбийском колледже (Нью-Йорк), IEE (Лондон), Институтом Франклина (Филадельфия) и Национальной ассоциацией электрического освещения (Сент-Луис) было показано, что электродвигатели и однополюсные лампы накаливания могут работать через один проводник без обратного провода. Несмотря на кажущееся отсутствие замкнутого контура, такая топология фактически обеспечивает обратный контур за счет собственной и паразитной емкости нагрузки. Последнее упоминание о "выходе из строя" машины было сделано для того, чтобы подчеркнуть способность такой системы передавать большую мощность при правильном согласовании импеданса, которое можно достичь с помощью электрического резонанса.

Теория

Это наблюдение неоднократно открывалось заново и описывалось, например, в патенте 1993 года. Передача по одному проводу в этом смысле невозможна при использовании постоянного тока и совершенно непрактична для низкочастотных переменных токов, таких как стандартные частоты электросетей 50–60 Гц. Однако на гораздо более высоких частотах обратная цепь (которая обычно подключается через второй провод) может использовать собственную и паразитную ёмкость большого проводящего объекта, например, корпуса самой нагрузки. Хотя собственная ёмкость даже крупных объектов относительно невелика, как понимал сам Тесла, можно добиться резонанса этой ёмкости, используя достаточно большую индуктивность (в зависимости от используемой частоты), в этом случае большая реактивность этой ёмкости компенсируется. Это позволяет пропускать большой ток (и передавать большую мощность нагрузке) без необходимости использования источника чрезвычайно высокого напряжения. Хотя этот метод передачи энергии известен давно, неясно, находил ли он какое-либо коммерческое применение для передачи электроэнергии.

Волнопроводники с одним проводником

Уже в 1899 году Арнольд Зоммерфельд опубликовал статью, в которой предсказывалось использование одного цилиндрического проводника (провода) для распространения радиочастотной энергии в виде поверхностной волны. "Волна по проводу" Зоммерфельда представляла теоретический интерес как режим распространения, но это было за десятилетия до появления технологий для генерации достаточно высоких радиочастот для проведения каких-либо экспериментов, не говоря уже о практическом применении. Более того, решение описывало бесконечную линию передачи без учета ввода (или вывода) энергии. Особенно важным был прогноз существенно меньшего затухания сигнала по сравнению с использованием того же провода в качестве центрального проводника коаксиального кабеля. В отличие от предыдущего объяснения, согласно которому вся передаваемая мощность обусловлена классическим током в проводе, в данном случае токи в самом проводнике значительно меньше, а энергия передается в виде электромагнитной волны (радиоволны). Однако в этом случае наличие провода направляет эту волну к нагрузке, а не рассеивает её. Снижение омических потерь по сравнению с использованием коаксиального кабеля (или других двухпроводных линий передачи) особенно выгодно на более высоких частотах, где эти потери становятся очень большими. На практике использование этого режима передачи ниже микроволновых частот весьма проблематично из-за протяженных полей вокруг провода. Поля, связанные с поверхностной волной вдоль проводника, значительны на расстоянии многих диаметров проводника, поэтому металлические или даже диэлектрические материалы, случайно находящиеся в этих областях, искажают распространение волны и обычно увеличивают потери при распространении. Хотя зависимость от длины волны в поперечном направлении отсутствует, в направлении распространения необходимо иметь как минимум половину длины волны проводника для полной поддержки режима распространения. По этим причинам, и при частотах, доступных до 1950 года, практические недостатки такой передачи полностью нивелировали снижение потерь, обусловленное конечной проводимостью провода.

Линия Губау

В 1950 году Георг Губау вернулся к открытию Зоммерфельда о поверхностной волновой моде вдоль провода, но с целью повышения ее практичности. Одной из основных задач было уменьшить протяженность полей, окружающих проводник, чтобы такой провод не требовал чрезмерно большого зазора. Другой проблемой было то, что волна Зоммерфельда распространялась точно со скоростью света (или немного меньшей скоростью света в воздухе, для провода, окруженного воздухом). Это означало, что будут возникать потери на излучение. Прямой провод действует как длинная антенная проволока, отбирая мощность излучения из направляемой моды. Если скорость распространения удастся снизить ниже скорости света, то окружающие поля станут затухающими и, следовательно, не смогут распространять энергию от области вокруг провода. Губау исследовал благотворное влияние провода, поверхность которого имеет структуру (а не является идеально цилиндрической), например, как в проволоке с резьбой. Более существенно, Губау предложил использовать диэлектрический слой, окружающий провод. Даже относительно тонкий слой (по сравнению с длиной волны) диэлектрика снизит скорость распространения достаточно ниже скорости света, устраняя потери на излучение поверхностной волны вдоль поверхности длинного прямого провода. Эта модификация также привела к значительному уменьшению зоны влияния электромагнитных полей, окружающих провод, решая другую практическую проблему. Наконец, Губау изобрел метод запуска (и приема) электрической энергии в такой линии передачи. Запатентованная линия Губау (или "G-линия") состоит из одного проводника, покрытого диэлектрическим материалом. На каждом конце расположен широкий диск с отверстием в центре, через которое проходит линия передачи. Диск может иметь форму основания конуса, с узким концом, обычно соединенным с экраном коаксиальной питающей линии, а сама линия передачи соединяется с центральным проводником коаксиала. Даже при уменьшенной протяженности окружающих полей в конструкции Губау, такое устройство становится практичным только на СВЧ-частотах и выше. С развитием технологий на терагерцевых частотах, где металлические потери еще выше, использование передачи посредством поверхностных волн и линий Губау представляется перспективным.

E-Line

С 2003 по 2008 год были поданы патенты на систему, использующую оригинальный голый (непокрытый) провод Зоммерфельда, но применяющую пусковое устройство, аналогичное разработанному Губо. Она продвигалась под названием "E Line" вплоть до 2009 года. Утверждается, что эта линия полностью не излучает, передавая энергию посредством ранее игнорировавшейся поперечной магнитной (TM) волны. Предназначенное применение – высокоскоростные каналы связи, использующие существующие линии электропередач для коммуникаций.