ESPERIENZE DI TESLA CON CORRENTI ALTERNATE RAPIDISSIME

E LORO APPLICAZIONE AI SISTEMI DI ILLUMINAZIONE

Da L’Elettricista Aprile 1892

Ing. F. Ludergnani

Parte 1

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La conferenza di Nicola Tesla da lungo tempo attesa venne finalmente tenuta il 3 febbraio dinanzi a questa Associazione degli Ingegneri Elettricisti di Londra; e non differisce  sostanzialmente dalla lettura fatta dal medesimo all'Associazione Americana ( Columbia College) il 20 Maggio 1891.

Sebbene i giornali a quel tempo abbiano riportato per esteso i minimi particolari di queste esperienze, nessuna illustrazione può dare un'idea dei magnifici effetti ottenuti e dell'impressione che     si risente. Non appena egli prese in mano i suoi tubi di vetro, una luce singolare e intensa si sparse attorno, mentre        i globi fosforescenti brillavano con bel­lissimi colori. Molti si domandavano la ragione; ma il conferenziere per la ristrettezza del     tempo non ha potuto fermarsi a lungo sulla teoria e sull'organizzazione delle sue esperienze.

Alcuni dei fenomeni prodotti non sono certamente nuovi. Fino dal 1879 gli studi del Prof. Crookes sullo Stato radiante della materia e la conferenza tenuta su questo soggetto dinnanzi alla British Association fecero note le sue ricerche sulla scarica elettrica nel vuoto; e gli esperimenti eseguiti con tubi sprovvisti di elettrodi furono tali da fissare le idee sopra questo punto. Anche il dott. Oliver Lodge sino dal 1889 raccolse in un libro intitolato Modern views of Electricity, i suoi studi sull'etere e sul meccanismo di propagazione della luce e dell'elettricità. Egli pure eseguì le esperienze dei tubi luminosi dinanzi alla Phisical society di Londra lo scorso anno, quasi contemporaneamente a quelle di Tesla in America; e i risultati di quest'ultimo potrebbero dirsi una riproduzione in uno stile più brillante di quanto fu già sperimentato. Nessuno meglio di Tesla è più convinto di ciò senonchè, egli rivendica la priorità e superiorità del suo metodo di esperimento e definisce esattamente la natura di tutti i suoi fenomeni come il risultato di azioni puramente elettrostatiche.

Certo se il Crookes si fosse valso nelle sue esperienze di una macchina a corrente alternata appositamente costruita, cioè capace di dare da 10000 a 20000 alternazioni al secondo, le sue ricerche sarebbero state molto più complete, potendosi accrescere gli effetti a volontà. Invece facendo uso di un semplice interruttore rotativo o commutatore, il numero di alternazioni che si possono ottenere nel circuito primario di un rocchetto è

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molto limitato; e se il commutatore gira troppo rapido la corrente nel primario diminuisce; mentre aumentando la corrente, la produzione di scintille non completamente impedita per l'impiego di un condensatore limita assai l'efficacia dell'apparecchio.

Analogamente il dott. Lodge non si è servito che di un semplice filo metallico della lunghezza di circa 20 metri, di due bottiglie di Leyda e di una macchina Wimshurst per provare l'esistenza di onde fisse e distinte lungo il filo, che in parte si illuminava, e in parte restava oscuro.

Se non che, questi particolari quanto spesso inattesi fenomeni che si rivelano per rapide alternazioni di una corrente, divengono come dissi, sempre più interessanti aumentando la rapidità, e lo studio ne riesce facilitato colla costruzione di appositi apparecchi.

La dinamo che Tesla ha presentato in questa conferenza era un alternatore multipolare (fig. 1) che dava direttamente da 15ooo a  25ooo alternazioni per secondo, con una velocità variabile da 2000 a 3000 giri per minuto.

Il sistema induttore è fisso e formato di un anello di ferro di circa 80 cm. di diametro esterno; 75 cm. di diametro interno; e 3 cm. di larghezza; esso presenta 384 proiezioni polari (fig. 2) fra le quali è avvolto a zig‑zag il filo che costituisce il circuito di eccitazione (fig. 3). L'indotto mobile si compone di un sottile disco di acciaio munito di corona a guisa di volano, e alla cui superficie è trattenuto il conduttore per mezzo di caviglie (fig. 4). Pare che in questo tipo di dinamo tenendosi al rapporto di 1a 6 fra il diametro del filo dell'armatura e il diametro delle proiezioni polari si abbiano le migliori condizioni di funzionamento. Inoltre per chi desiderasse riprodurre le esperienze, il Tesla osserva che questa dinamo, tra le molte da lui costruite, è quella che gli è valso minore difficoltà anche per la manutenzione. Essa può dare fino a dieci ampere; il suo potenziale è regolato per mezzo di un conduttore; e la dinamo alimenta il circuito primario di un rocchetto d'induzione.
   
Però malgrado le 25000 alternazioni per secondo, questo numero è ancora troppo piccolo per certe applicazioni; e soprattutto per la produzione dei fenomeni luminosi. A questo scopo si richiedono frequenze enormi di 30000 a 400000 alternazioni per secondo e potenziali eccessivi di un mezzo milione di volt. Il metodo è basato sull'impiego della scarica distruttiva (fig. 5) d'un condensatore combinato con rocchetti d'induzione appositamente costruiti dal Tesla. Questo rocchetto (fig. 6) è formato di due parti indipendenti, avvolte in senso opposto, e la cui connessione è vicina al circuito primario. Il potenziale nel punto di mezzo A essendo zero, non vi è probabilità di scintille col primario; e non si richiede un forte isolante. Questo punto può congiungersi sia col primario sia colla terra. Le sue estremità ad altissimo potenziale sono molto discoste, mentre le due parti essendo indipendenti si prestano al migliore adattamento. Il rapporto del numero dì spire del primario e del secondario è di 1/6 ; il primario ne ha circa 300 mentre la lunghezza del filo secondario non supera i 100 metri.
   

Quanto al modo di isolare convenientemente tutto il sistema, il Tesla afferma per esperienza propria, che la condizione sine qua non è di escludere assolutamente ogni materia gazosa. Nell'impiego di altissimi potenziali, se vi è la presenza di un gas li scarica può effettuarsi per effetto del bombardamento molecolare (credo bene conservare quest'espressione *) del gas stesso attraverso 2 o tre centimetri del miglior isolante solido come il vetro, la porcellana, la ceralacca ecc.; e in generale è provato, che i corpi,
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che presentano la maggiore capacità induttiva specifica, hanno un potere isolante minore di altri, che hanno una capacità induttiva assai inferiore, come ad esempio l'olio, il cui impiego nel caso di correnti alternate rapidissime dà i migliori risultati; quantunque il fatto non sia ancora spiegato in modo soddisfacente.

 

Gli studi di Hugues fino dal 1858 e le sue esperienze sull'olio come isolante e i primi rocchetti d'induzione di M. Jean isolati all'essenza di terebentina, confermano l'asserzione del Tesla. Egli trova dunque conveniente di immergere il suo apparecchio in olio di paraffina per escludere completamente l'aria, quantunque, egli dice, un recipiente pieno d'olio può parere non troppo adatto per maneggiarsi in un laboratorio.

Come risulta dalle descrizioni suesposte, gli elementi di cui egli si è servito per ottenere uni serie di effetti meravigliosi, non potrebbero essere più semplici; quantunque nella costruzione di tali apparecchi abbia incontrato, grandi difficoltà per la scelta della forma e della dimensione dei medesimi, per la proporzione delle diverse parti, per ottenere l'isolamento richiesto; e per ovviare ai fenomeni di capacità e di autoinduzione  dovuti agli apparecchi stessi.

Ma una difficoltà più grande si presenta nel meccanismo del metodo da lui impiegato, il quale riposa su dei fenomeni di risonanza, che esigono grande studio e delicatezza. Egli fece notare  a più riprese questa difficoltà, anche perché le condizioni delle esperienze non possono essere determinate a priori col calcolo, a motivo dell'incertezza che esiste sulla capacità effettiva dei corpi isolati per l'aria.

Perciò la disposizione delle parti sussidiarie è assai complicata e non potrei tracciare, senza pericolo di errore, il diagramma del circuito, che il conferenziere non ha spiegato. Però tutte le esperienze mettono in evidenza l'importanza dell'impiego di condensatori, il cui funzionamento chiarirebbe la natura dei fenomeni, che il Tesla afferma essere puramente elettrostatici.

 

Se ciò possa affermarsi in modo assoluto è molto difficile da stabilire, essendo impossibile separare i fenomeni elettromagnetici dagli elettrostatici al punto da tirare una linea  ben netta tra le due forme di energia cinetica e potenziale. Quando la corrente non cambia, non è difficile investigare il fenomeno, ma nel caso presente, come nello studio delle oscillazioni elettriche per parte di Hertz e di Thomson, la corrente e il potenziale variano rapidamente, e la teoria c'indica, che ogni perturbazione elettromagnetica è accompagnata da una corrispondente elettrostatica ad angolo retto colla prima e viceversa.

Se dunque le due esistono contemporaneamente nel caso di rapide oscillazioni, parrebbe necessario, prima di definire un fenomeno elettrostatico, conoscere esattamente, che cosa si intenda per tale.

Realmente il Tesla ha dimostrato direttamente l'analogia fra gli effetti prodotti col suo rocchetto d'induzione e quelli di una macchina di Wimshurst producendo pennacchi luminosi e scintille in condizioni identiche di quelle che si. osservano con una macchina elettrostatica. Ma qualsiasi obbiezione si possa sollevare su questo punto, le esperienze non riescono meno interessanti e noi le seguiremo attentamente. Il conferenziere comincia col far vedere le cinque forme tipiche della scarica prodotta in un rocchetto d'induzione con rapide correnti alternate. Si osserva in primo luogo una scintilla in forma di un filo sottile e debolmente colorato (fig. 7). Questa ha luogo quando il numero di alternazione essendo molto grande, la corrente nel primario è molto piccola. Malgrado la quantità insignificante
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di elettricità messa in moto, le alternazioni essendo rapide il potenziale alle due estremità molto elevato e l'arco si stabilisce a grande distanza.

Quando si accresce la corrente nel primario, la scarica diviene più forte e l'effetto della capacità dell'apparecchio diviene visibile; e finalmente in certe condizioni si pro­duce un vero arco spesse volte della grossezza di un dito(fig. 8).

Esso sviluppa calore ed è silenzioso. In tali condizioni una scossa riuscirebbe pericolosa; quantunque con potenziali più elevati si possa ricevere impunemente.

Per produrre l'arco non si richiede un numero troppo grande di  frequenze per secondo, e solamente si deve osservare un certo rapporto fra la capacità, la self‑induzione e le alterazioni.

In generale ogni rocchetto produce un effetto massimo per una determinata corrente e per un certo numero di frequenze; così un rocchetto ordinario di 10000  O di resistenza dà un arco  potente di circa 12000 alternazioni per sec.

Aumentando  ancora il numero di frequenza il potenziale  aumenta, e i rocchetto assume sempre più le proprietà di una macchina statica; sicchè si può osservare il fenomeno della scarica in forma di fiocco luminoso, che può prodursi attraverso tutta la lunghezza del rocchetto. Essa produce un rumore analogo a quello di una macchina di Holt e spande un forte odore  di ozono. A questo punto cominciano ad apparire pennacchi. in ogni parte saliente dell'apparecchio (fig. 9) e un effluvio si produce attraverso l'isolamento nelle spazio tra il primario e il secondario anche con uno spessore di  2  o  3 centimetri di vetro o di ebanite.

Ciò diminuisce l'efficacia dell'apparecchio e se non si esclude completamente l'aria, avvi pericolo di danneggiare il rocchetto ; molto più se le dimensioni di questo sono un po' grandi, e non molto rapide le alternazioni. Invece aumentando ancora il numero di queste, avvicinando con­venientemente i due elettrodi e regolando ali effetti di capacità, arriviamo a produrre un vero sprazzo di piccole scintille color d'argento a guisa i fili, in un'atmosfera fosforescente e violacea. Probabilmente ogni filo o scintilla rettilinea corrisponde ad una alterazione. 

Se poi il numero di frequenze diviene eccessivo, il rocchetto non dà più scintille, anche diminuendo la distanza fra le due estremità ed allora sin può osservare la quinta forma caratteristica di scarica in forma di effluvio (fig.11); e la tendenza ad espandersi è tanto grande che anche ponendo una mano o un corpo conduttore nella direzione della scarica non si hanno scintille. In tali condizioni è interessante dì studiare il modo di comportarsi della scarica, che passa attraverso un considerevole spessore d'isolante senza difficoltà. A questo scopo si congiungono i due elettrodi del rocchetto a due sfere metalliche variando convenientemente la distanza. Se esse sono vicine e la scarica si effettua in forma di scintilla, interponendo fra loro un disco sottile di ebanite, si vede un cerchio intensamente luminoso (fig. 12) e di parecchi centimetri di diametro passare attraverso il disco, il quale dopo un certo tempo può riscaldarsi al punto da saldarsi con un altro. Questo risultato è affatto contrario a quanto si poteva supporre, giacché il dielettrico invece di opporsi semplicemente al passaggio della scarica, aumenti I' azione condensante. Se nonché il passaggio attraverso il dielettrico è solo apparente.
In realtà, dice il Tesla, questo effluvio luminoso è dovuto alle molecole di aria agitate violentemente nello spazio compreso tra le superficie delle due sfere caricate in senso opposto. Quando non vi è altro dielettrico che l’aria, il bombardamento è troppo debole per essere visibile; ma interponendo l'ebanite. 1'effetto induttivo è accresciuto, le molecole di aria agitate trovano un ostacolo e il bombardamento riesce intenso al punto, che l'effluvio diviene luminoso.
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Se quindi con mezzi meccanici noi potessimo produrre un movimento rapidissimo e violento delle molecole, avremmo gli stessi fenomeni. Un getto d'aria che uscisse da un piccolo foro sotto una enorme pressione diretto contro una sostanza isolante, potrebbe divenire luminoso nell'oscurità, e sarebbe possibile produrre la fosforescenza del vetro e di altri isolanti.

Il vetro la cui capacità induttiva   specifica è maggiore di quella dell'ebanite, è inferiore come isolante ; e riscaldandosi più facilmente, a una certa temperatura la scarica irrompe d'improvviso in un punto determinato assumendo la forma ordinaria di un arco.

Un'altra osservazione importante è, che il disco di ebanite, quando si effettua la scarica è attratto  fortemente dall'una delle due sfere cioè dalla più vicina, forse per effetto della minore azione meccanica del bombardamento su quella parte, forse per la maggiore elettrizzazione.

Dal modo di comportarsi dei dielettrici in queste esperienze si deve concludere, che il miglior isolante per queste correnti alternate rapidissime sarebbe quello che possiede la minore capacità induttiva specifica, e al tempo stesso può sopportare le maggiori differenze di potenziale. Ecco intanto due vie diametralmente opposte per ottenere l'isolamento richiesto; il vuoto estremo, o l'impiego di un gas sotto enorme pressione, ma l'uso del vuoto è preferibile, quantunque nè l'uno nè l'altro mezzo siano facili praticamente.
 
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