Однопроводная линия передачи (или метод однопроводной передачи ) — это метод передачи электроэнергии или сигналов с использованием только одного электрического проводника. Это отличается от обычного использования пары проводов, обеспечивающих полную цепь, или электрического кабеля, также содержащего (по крайней мере) два проводника для этой цели.
Однопроводная линия передачи — это не то же самое, что однопроводная система возврата через землю, которая не рассматривается в этой статье. Последняя система основана на обратном токе через землю , используя землю в качестве второго проводника между заземляющими клеммами. В однопроводной линии передачи нет второго проводника какой-либо формы.
Еще в 1780-х годах Луиджи Гальвани впервые наблюдал эффект статического электричества , вызывая подергивание ног лягушки, и наблюдал тот же эффект, произведенный только из-за определенных металлических контактов с лягушкой, включающих замкнутую цепь. Последний эффект был правильно понят Алессандро Вольта как электрический ток, непреднамеренно произведенный тем, что станет известно как гальванический элемент (батарея). Он понимал, что такой ток требует замкнутой цепи для проведения электричества, хотя фактическая природа электрических токов вообще не была понята (только столетие спустя был открыт электрон ). Все последующие разработки электродвигателей, освещения и т. д. основывались на принципе замкнутой цепи, обычно включающей пару проводов, но иногда использующей землю в качестве второго проводника (как в коммерческой телеграфии ).
В конце 19 века Никола Тесла продемонстрировал, что с помощью электрической сети, настроенной на резонанс, можно передавать электроэнергию, используя только один проводник, без необходимости в обратном проводе. Это называлось «передачей электроэнергии по одному проводу без обратного провода». [1] [2]
В 1891, 1892 и 1893 демонстрационных лекциях с электрическими осцилляторами перед AIEE в Колумбийском колледже, Нью-Йорк, IEE, Лондон, Институт Франклина, Филадельфия, и Национальная ассоциация электрического освещения, Сент-Луис, было показано, что электродвигатели и однополюсные лампы накаливания могут работать через один проводник без обратного провода. Несмотря на очевидное отсутствие полной цепи, такая топология эффективно получает обратную цепь в силу собственной емкости нагрузки и паразитной емкости . [3] [4]
Таким образом, катушки соответствующих размеров могли бы быть подключены только одним концом к сети от машины с низкой ЭДС, и хотя цепь машины не будет замкнута в обычном понимании этого термина , все же машина могла бы сгореть, если бы был получен надлежащий эффект резонанса. [5]
Последнее упоминание о «выжигании» машины было сделано для того, чтобы подчеркнуть способность такой системы передавать большую мощность при условии надлежащего согласования импеданса , что может быть достигнуто посредством электрического резонанса .
Это наблюдение было открыто заново несколько раз и описано, например, в патенте 1993 года. [6] Однопроводная передача в этом смысле невозможна с использованием постоянного тока и совершенно непрактична для низкочастотных переменных токов, таких как стандартные частоты линий электропередач 50–60 Гц. Однако на гораздо более высоких частотах обратная цепь (которая обычно подключается через второй провод) может использовать собственную и паразитную емкость большого проводящего объекта, возможно, корпуса самой нагрузки . Хотя собственная емкость даже больших объектов довольно мала в обычных условиях, как понимал сам Тесла, возможно резонировать эту емкость с помощью достаточно большой индуктивности (в зависимости от используемой частоты), и в этом случае большое реактивное сопротивление этой емкости компенсируется. Это позволяет протекать большому току (и подавать большую мощность на нагрузку) без необходимости использования чрезвычайно высокого источника напряжения. Хотя этот метод передачи энергии давно известен, неясно, имело ли место какое-либо коммерческое применение этого принципа для передачи энергии .
Еще в 1899 году Арнольд Зоммерфельд опубликовал статью [7], в которой предсказал использование одного цилиндрического проводника (провода) для распространения радиочастотной энергии в виде поверхностной волны . «Проволочная волна» Зоммерфельда представляла теоретический интерес как распространяющийся режим, но это было за десятилетия до появления технологий для генерации достаточно высоких радиочастот для любого такого эксперимента, не говоря уже о практических применениях. Более того, решение описывало бесконечную линию передачи без учета связи энергии в нее (или из нее).
Однако особый практический интерес представляло предсказание существенно меньшего затухания сигнала по сравнению с использованием того же провода в качестве центрального проводника коаксиального кабеля . В отличие от предыдущего объяснения полной передаваемой мощности, обусловленной классическим током через провод, в этом случае токи в самом проводнике намного меньше, а энергия передается в форме электромагнитной волны ( радиоволны ). Но в этом случае наличие провода действует так, чтобы направлять эту волну к нагрузке, а не излучать ее.
Снижение омических потерь по сравнению с использованием коаксиального кабеля (или других двухпроводных линий передачи) является особенно преимуществом на более высоких частотах, где эти потери становятся очень большими. Практически использование этого режима передачи ниже микроволновых частот очень проблематично из-за очень протяженных схем полей вокруг провода. Поля, связанные с поверхностной волной вдоль проводника, значительны для многих диаметров проводника, поэтому металлические или даже диэлектрические материалы, непреднамеренно присутствующие в этих областях, будут искажать распространение моды и, как правило, будут увеличивать потери распространения. Хотя в поперечном направлении нет зависимости длины волны от этого измерения, в направлении распространения необходимо иметь минимум одну полуволну длины проводника, чтобы полностью поддерживать распространяющуюся моду. По этим причинам и на частотах, доступных примерно до 1950 года, практические недостатки такой передачи полностью перевешивали уменьшенные потери из-за конечной проводимости провода.
В 1950 году Георг Губау пересмотрел открытие Зоммерфельда о поверхностной волновой моде вдоль провода, но с намерением повысить ее практичность. [8] Одной из основных целей было уменьшить протяженность полей, окружающих проводник, чтобы такой провод не требовал необоснованно большого зазора. Другая проблема заключалась в том, что волна Зоммерфельда распространялась точно со скоростью света (или немного меньшей скоростью света в воздухе для провода, окруженного воздухом). Это означало, что будут потери на излучение . Прямой провод действует как длинная проволочная антенна , отнимая излучаемую мощность у направляемой моды. Если скорость распространения можно уменьшить ниже скорости света, то окружающие поля становятся мимолетными и, таким образом, неспособными распространять энергию из области, окружающей провод.
Губо исследовал полезный эффект провода, поверхность которого структурирована (а не является точным цилиндром), как это было бы получено с помощью резьбового провода. Что еще более важно, Губо предложил нанесение диэлектрического слоя, окружающего провод. Даже довольно тонкий слой (по отношению к длине волны) диэлектрика уменьшит скорость распространения достаточно ниже скорости света, исключив потери излучения от поверхностной волны вдоль поверхности длинного прямого провода. Эта модификация также имела эффект значительного уменьшения следа электромагнитных полей, окружающих провод, решая другую практическую проблему. [9]
Наконец, Губо изобрел метод запуска (и получения) электрической энергии от такой линии передачи. Запатентованная [10] линия Губо (или «линия G») состоит из одного проводника, покрытого диэлектрическим материалом. На каждом конце находится широкий диск с отверстием в центре, через которое проходит линия передачи. Диск может быть основанием конуса, узкий конец которого обычно соединен с экраном коаксиальной линии питания , а сама линия передачи соединена с центральным проводником коаксиала.
Даже при уменьшении размеров окружающих полей в конструкции Губо, такое устройство становится практичным только на частотах UHF и выше. С развитием технологий на терагерцовых частотах, где металлические потери еще больше, использование передачи с использованием поверхностных волн и линий Губо кажется многообещающим. [11]
С 2003 по 2008 год были поданы патенты на систему, использующую оригинальный голый (непокрытый) провод Зоммерфельда, но использующую пусковую установку, похожую на ту, что разработал Губо. [12] [13] Она продвигалась под названием «E-Line» до 2009 года. [14] Эта линия, как утверждается, полностью не излучающая, распространяющая энергию с помощью ранее игнорированной поперечно-магнитной (TM) волны. Предполагаемое применение — высокоскоростные информационные каналы, использующие существующие линии электропередач для целей связи. [15]
«Около десяти лет назад я осознал тот факт, что для передачи электрического тока на расстояние вовсе не обязательно использовать обратный провод, и что любое количество энергии может быть передано с помощью одного провода. Я проиллюстрировал этот принцип многочисленными экспериментами, которые в то время привлекли большое внимание ученых».