ESPERIENZE DI TESLA CON CORRENTI ALTERNATE RAPIDISSIME

E LORO APPLICAZIONE AI SISTEMI DI ILLUMINAZIONE

Da L’Elettricista Aprile 1892

Ing. F. Ludergnani

Parte 2 (continua)

Il vuoto estremo, dice il Tesla, è un soggetto che debbo ricordare in connessione coi miei esperimenti; lo studio di esso non è solo interessante, ma utile giacché può condurci a risultati di grandissima importanza pratica. Certo nelle lampade , ad incan­descenza e coll'attuale sistema di distribuzione, un vuoto eccessivo non presenterebbe alcun vantaggio, giacché tutto concerne il filamento e non la materia gassosa; ma nel caso di potenziali elevati e di frequenze rapidissime, l'azione del gas diviene importante e il vuoto più o meno perfetto modifica totalmente i risultati.

Con piccole bobine e per mezzo della scarica disruttiva, possiamo ottenere effetti luminosi nel vuoto e il campo delle nostre ricerche è largamente accresciuto. Questa sembra per ora la migliore via da seguirsi per la produzione e lo sviluppo di un sistema pratico di illuminazione.

Ecco intanto alcuni tipi di lampade specialmente fabbricati per tali esperienze.

La figura 13 (V. tavola annessa) rappresenta una sezione attraverso il globo L che porta interiormente un gambo di vetro S attraversato in tutta la sua lunghezza dal filo conduttore W. Questo sostiene un filamento l, il quale sopporta un bottone refrattario m situato nel centro ; a rappresenta uno strato sottile di mica avvolto intorno ad S; ed M un tubo di alluminio.

La figura 14 è un perfezionamento della lampada. Un tubo metallico S è saldato con cemento al collo n; all'estremità di S si connette un supporto P di buon isolante con un uncino metallico u per sospenderla al conduttore.

Come si vede, abbiamo nel centro di queste lampade un corpo refrattario riunito al filo W, che passa interiormente ad una colonna di vetro ; il tutto in un gas estremamente rarefatto. Il potenziale di W essendo alternativo, il gas è pure soggetto alla azione induttiva, bombarda violentemente la colonna di vetro e la riscalda, dando luogo ad una perdita di energia. E' appunto per ovviare a questo inconveniente, o almeno per diminuirlo, che si ripara il gambo S con un rivestimento metallico; e l'alluminio sembra il corpo più adatto a questo scopo.

Il vantaggio di questa disposizione si pone in chiaro nel modo seguente: si prendono due lampade della stessa grandezza, l'una provvista del tubo d'alluminio, l'altra senza.

Servendoci di una pompa Sprengel e raggiungendo esattamente lo stesso grado di vuoto, riuniamo successivamente le due lampade ad una bobina d'induzione di alto potenziale; la lampada provvista di rivestimento d'alluminio diverrà fortemente incandescente, mentre l'altra rimane oscura; quantunque nel primo caso l'energia assorbita sia mi­nore. Se poi le due lampade sono messe in circuito contemporaneamente, la differenza riesce ancora più manifesta. In realtà il vantaggio dei tubo metallico è doppio; eco­nomizza l'energia somministrata alla lampada, e previene il bombardamento e il deterio­rarsi delle varie parti.

Siccome il bombardamento è dovuto all'azione induttiva del conduttore sul gas rarefatto, conviene ridurre quest'azione impiegando un filo sottile, fortemente isolato, e in modo che il conduttore attraversi per un piccolo spazio il gas rarefatto. La figura 15 è la sezione di una lampada fabbricata a tale scopo. Un largo tubo T entra nel bulbo e porta all'estremità un cortissimo gambo di vetro s in cui passa il filo W; l'estremità è pure protetta da un tubo d'alluminio a. Il conduttore W passando attraverso T deve essere fortemente isolato e lo spazio interposto è riempito con polvere di mica.

Volendo produrre l'incandescenza di un corpo racchiuso nel bulbo, non è necessario che il corpo sia conduttore. Basta circondare l'elettrodo conduttore col corpo non conduttore. Al principio il bombardamento si effettua per induzione contro il corpo non conduttore, finché questo si riscalda sufficientemente da divenire conduttore, e il bombardamento continua nel modo ordinario.

Ad esempio, un corpo non conduttore m (figura 16) è disposto sopra un pezzo di carbone d'arco. Questo è riunito al conduttore, che passa nel tubo di vetro, avvolto in parecchi strati di mica; il tubo d'alluminio a compie il solito ufficio. Il bombardamento incomincia alla parte superiore del carbone; quando m, non conduttore, è riscaldato, diviene conduttore e allora è il centro del bombardamento, essendo il punto più esposto.

Altre lampade vennero costruite dal Tesla con o senza elettrodo  interno, nelle quali la materia radiante era proiettata contro i corpo in modo da renderlo incandescente.

La figura 17 ci mostra una lampada L provvista di un lungo collo n, che serve in qualche caso ad accrescere l'azione, mediante un rivestimento esterno di materia conduttrice. All'estremità inferiore un'appendice C serve a fissare la lampada , nel supporto s di materia isolante. Un sottile filamento f sopportato dal filo W passa nel centro.

Detto filamento è reso incandescente per effetto del bombardamento diretto contro di esso dalla parte inferiore del bulbo. Questa porzione della lampada è resa conduttrice con un rivestimento di foglie di stagno e si connette all'estremità del rocchetto.

Dalle esperienze eseguite con corpi differenti introdotti nel bulbo e di formula diversa, il Tesla è condotto ad affermare, che per rapporto alla durata un bottone refrattario in forma di sfera è preferibile ad ogni altra forma. Questo potrebbe essere un diamante o altro cristallo ed anche ottenersi cola fusione di qualche ossido come ad esempio lo zirconio.

Un bottone di carbone ordinario e fortemente compresso, ha grandissima  durata; quelli ottenuti col processo ordinario dei filamenti di lampade ad incandescenza anneriscono

presto il bulbo. Ma di tutti i corpi sperimentati i più adatti sono il diamante e il carborundum anzi quest'ultimo è preferibile. Questo corpo di data recente viene fabbricato da M. E. G. Acheson (Pennsylvania) e serve a surrogare la polvere ordinaria di diamante per la pulitura di pietre preziose.

Il carborundum può ottenersi in forma di cristalli o di polvere; resiste alle più alte temperature, è pochissimo deteriorato per effetto del bombardamento molecolare e non annerisce la lampada, come

il carbone ordinario. Questa proprietà potrebbe tornare utile per rivestire i filamenti delle attuali lampade ad incandescenza e forse si potranno fabbricare direttamente i filamenti stessi.

Intanto la costruzione di un piccolo elettrodo capace di sopportare enormi temperature deve considerarsi della più alta importanza per la produzione della luce; ci permetterebbe senza dubbio, servendoci di correnti alternate rapidissime, di ottenere20 volte, se non più, la quantità dì luce che si ottiene presentemente con una ordinaria  lampada ad incandescenza collo stesso consumo di energia.

Questo apprezzamento, dice il Tesla, potrebbe parere esagerato, ma in realtà non lo è. Chiunque si accinga a studiare il problema, può credere, che in tali lampade occorre raggiungere il più alto grado di incandescenza dell'elettrodo; e qui appunto è l'errore. Si richiede invece di portare alla massima incandescenza il gas, che circonda il bottone. Maggiore è l'incandescenza, più rapida è la vibrazione del mezzo, e maggiore è l'economia nella produzione della luce.

Se vi fossero mezzi per produrre impulsi elettrici di sufficiente frequenza e per trasmetterli nelle condizioni ordinarie di pressione, si potrebbe fare a meno del bulbo di vetro, a meno che non servisse per proteggere l'elettrodo e per economizzare l'energia, circoscrivendo la fonte di calore. Ma non esistendo tali mezzi è necessario disporre l'elettrodo nel bulbo e rarefare l'aria all'interno, per avere l'effetto che non si otterrebbe altrimenti. Per tal modo possiamo rendere l'azione intensa al punto da produrre una luce potente.

Le molecole di gas, che circondano l'elettrodo, urtandosi violentemente portano questo ad altissima temperatura, mentre la stessa massa di gas diviene incandescente, formando una fiamma o fotosfera, che equivale in volume a parecchie centinaia di volte quello dell'elettrodo. Si potrebbe credere, che innalzando troppo il grado d'incandescenza dell'elettrodo, questo potesse istantaneamente volatilizzarsi; l'esperienza ci prova, che quando la fotosfera è formata attorno al bottone, questo viene a trovarsi in condizioni più favorevoli, giacché anche la massa gassosa diviene conduttrice, e fra il solido e il gas viene a ristabilirsi uno stato particolare d'equilibrio; anzi mentre sul principio il bombardamento è diretto principalmente contro la superficie del bottone, in seguito l'azione più violenta si effettua nel mezzo gassoso e non sull'elettrodo. Quindi la formazione di una intensa fotosfera è il mezzo migliore per proteggere l'elettrodo.

Per realizzare il maggior grado di perfezione in lampade di questo genere, è necessario di fare uso di alternazioni rapidissime. Ciò assicura due principali vantaggi: primo, diminuisce il deterioramento dell'elettrodo e quindi della lampada; giacché la disorganizzazione della materia avviene piuttosto per effetti di pochi urti e violenti, che per un numero grandissimo di impulsi infinitamente piccoli; secondo; si facilita la formazione di un'intensa fotosfera.

In relazione all'impiego di un solo elettrodo, come si è visto nell'ispezione di queste lampade, non si richiede per tali correnti rapidissime che un solo conduttore; ed io son convinto, dice il Tesla, che il futuro sistema d'illuminazione non richiederà neppure l'elettrodo dall'esterno all'interno della lampada, giacché l'energia potrà trasmettersi attraverso il vetro con perdita minima.

Senonchè, oltre le rapide alternazioni, occorrerà un altissimo potenziale, e questo certamente non deve dar luogo ad alcuna apprensione, riflettendo che niun sistema é più innocuo di questo; la sicurezza è assoluta per qualunque possibile combinazione di circostanze; mentre i sistemi attuali possono recare ingiuria alla vita e alla proprietà delle persone.

Ecco alcune esperienze in proposito eseguite dal Tesla : egli prese in una mano un semplice tubo di vetro internamente rarefatto, e toccava coll'altra l'estremità del conduttore della corrente ad alto potenziale. Il tubo si illuminava brillantemente e lo splendore non diminuiva spostandolo in qualunque direzione. Una lampada sospesa ad un filo era perfettamente oscura; toccandola colla mano, il bottone interno di platino diveniva fortemente incandescente. Un'altra lampada con supporto metallico appariva fosforescente con magnifici colori toccando il supporto. Infine stando su di una piattaforma isolante, egli poneva il suo corpo fra le due estremità del secondario di un rocchetto ad una potenziale di circa 250000 volt e riceveva la scarica senza risentire il minimo effetto.

Ciò si deve principalmente al fatto, che quando la differenza di potenziale diviene grandissima, l'energia che si utilizza esternamente diviene piccolissima e più precisamente la quantità d'energia assorbita nel rocchetto aumenta come il quadrato del potenziale.

Lasciando da parte gli effetti fisiologici della scarica, che del resto sono di grandissima importanza pratica, osserviamo incidentalmente, che in molti di questi esperimenti l'azione è accresciuta e diviene intensa per il solo avvicinarsi del corpo dello sperimentatore o per il contatto della sua mano coi diversi apparecchi. Ciò deve attribuirsi all'aumento di capacità all'estremità del conduttore, che si connette alla bobina. Però in generale non è necessario di ricorrere a tali mezzi, e si aumenterebbe l'effetto  o semplicemente facendo uso di alternazioni più rapide, ovvero adattando la lampada a tale scopo.

La figura 18 (V. tavola annessa) ce ne mostra una provvista di un lungo collo o, che si può rivestire esternamente di un foglio di stagno che si connette ad un corpo di una certa superficie; oppure può illuminarsi congiungendo c all'estremità della bobina, e il filamento f a un piatto isolato.

Una disposizione più perfetta ci è data dalla figura 19. Una copertura di zinco Z avvolge  il supporto metallico s e adempie al doppio ufficio di aumentare l'azione, mentre  agisce come riflettore. Il gancio di sospensione E è separato dallo zinco per mezzo dell'isolante L. Una disposizione analoga con un tubo fosforescente è illustrata dalla figura 20.

In realtà sono due tubi T e T¹, di diametro differente, saldati alla loro estremità. Inferiormente è disposta una parte metallica e conduttrice M connessa al filamento f provvisto alla parte superiore di uncino per sospendere la lampada. Il tubo all'interno è riempito  di buon isolante. Esternamente alla parte superiore del tubo vi è un altro rivestimento metallico M, e aderente ad esso il riflettore Z fortemente isolato all'estremità del filamento f.

è possibile in esperimenti di tal genere, è consigliabile di fare uso di sfere o dischi di gran superficie, in modo che la densità sia molto piccola; inoltre un condensatore ad olio è preferibile, non verificandosi in esso le perdite, che si hanno nei mezzi gasosi. Del resto i condensatori con dielettrici solidi dovrebbero sempre immergersi nell'olio se non altro per prolungarne la durata.

Nelle bottiglie di Leyda la perdita dovuta all'aria è piccola finchè il potenziale non è elevato; in caso contrario può divenire considerevole; però immergendole nell'olio hanno una durata quattro o cinque volte maggiore dell'ordinaria, e la perdita non è apprezzabile. Non deve credersi, che la dissipazione dell'energia in calore, in un condensatore aereo, produca necessariamente scintille e pennacchi luminosi. Se un piccolissimo elettrodo racchiuso in un bulbo non vuoto si congiunge ad un'estremità della bobina, si vedranno strisce luminose intorno all'elettrodo e l'aria ambiente è riscaldata. Ma se l'elettrodo è di grande superficie, il bulbo resta oscuro e però l'aria internamente si riscalda. E neppure si deve pensare, che l'innalzarsi della temperatura di un condensatore possa dare un'idea esatta della perdita in calore, essendo solo percettibile, quando il corpo congiunto alla bobina è molto piccolo. Ma con apparecchi di gran dimensione anche un corpo assai esteso si riscalderebbe; e il Tesla afferma, che questa proprietà potrebbe mettersi a profitto da valenti medici per fare osservazioni molto utili circa le variazioni di temperatura del corpo umano in relazione con tali esperimenti ; oltrechè con apparecchi appositamente costruiti ciò non presenterebbe il minimo pericolo.

E ancora una questione dì massimo interesse si presenta ai metereologisti.

Come si comporta la terra ? E' essa un perfetto condensatore ovvero molto imperfetto ?

Certamente nel caso di piccole perturbazioni, quali occorrono in un esperimento, la terra si comporta come un perfetto condensatore. Ma potrebbe essere assai diverso il caso, quando la sua carica è messa in vibrazione per effetto di subitanee perturbazioni nell'atmosfera. Allora forse solo una piccola frazione dell'energia delle vibrazioni si perderebbe nello spazio in forma di lunghe radiazioni dell'etere; ma la massima parte, pensa il Tesla, si estrinsecherebbe in impulsi molecolari attraversando lo spazio in forma di rapidissime onde calorifiche e luminose. Siccome poi la frequenza delle vibrazioni e il potenziale sono probabilmente eccessivi, anche l'energia convertita in calore dovrebbe essere considerevole. E poiché la densità è inegualmente distribuita, sia, per l'irregolarità della superficie terrestre, sia per le differenti condizioni atmosferiche, l'effetto prodotto varierebbe da un posto all'altro. Bruschi cambiamenti nella temperatura e nella pressione si effettuerebbero per tal modo alla superficie della terra ; e tali variazioni potendo essere improvvise o graduali secondo l'originaria perturbazione, produrrebbero i temporali e le piogge o modificherebbero in qualunque modo il tempo.

Ma ritornando alle lampade, è vantaggioso il confinare per quanto è possibile la parte calorifica attorno all'elettrodo, prevenendo la circolazione del gas nel bulbo. Se questo è molto piccolo, la sua capacità è insufficiente per essere influenzata dalla bobina, oppure il vetro si riscalda troppo. Il solo miglioramento da adottarsi ci è indicato dalla figura 21. Un piccolo bulbo B è disposto internamente alla lampada, attorno all'elettrodo. Il collo c è più largo dei solito; del resto la costruzione è la stessa delle precedenti. B è convenientemente isolato dal tubo di alluminio A con parecchi strati di mica M, onde prevenire la rottura per effetto del riscaldamento di A. Il bulbo interno B dev'essere molto piccolo quando si vuole ottenere la luce per la sola incandescenza dell'elettrodo E. Se si vuole produrre la fosforescenza il bulbo dev'essere più grande, altrimenti riscaldandosi troppo la fosforescenza cessa.

…….. « tavia di essere meglio confermato sperimentalmente) che una colonna gasosa vibrante possiede rigidità, potrebbe modificare assai le opinioni di molti scienziati. Infatti se con potenziali insignificanti e con frequenze non troppo rapide si riscontrano indicazioni di tale proprietà, come deve comportarsi una massa gasosa sotto 1'influenza di enormi pressioni elettrostatiche, quali possano attivarsi nello spazio interstellare, e alternantisi con inconcepibile rapidità ?  L'esistenza di tale forza elettrostatica e pulsante incessantemente potrebbe spiegare in certo modo la formazione dei solidi dai corpi ultragasosi, e come le vibrazioni di ogni genere possano trasmettersi attraverso il fluido the riempie lo spazio.

In relazione con queste esperienze conviene pure ricordare quella proprietà dei gas, che si crede invariabilmente congiunta con un grado estremo del vuoto e che il Crookes ha definito lo stato radiante. Il Tesla peró ritiene, the in un bulbo di vetro una molecola od atomo si muove in linea retta non perchè nessun ostacolo si oppone ad esso, ma per effetto della velocità impressagli. Ecco una dimostrazione sperimentale. In un bulbo di vetro B (fig. 23) egli dispone un pezzo di calce c congiunta al filamento f.

La lampada si sospende ad un filo riunito all'estremità del rocchetto. Operando Quest’utimo, il bombardamento si eflettua nel modo ordinario contro c. Il grado di vuoto è sufficiente per produrre la fosforescenza del vetro. Ma la calce è umida, e l’umidità evaporandosi per effetto del calore, il vuoto si deteriora a la fosforescenza cessa. Il bombardamento continua e la calce riscaldandosi in un punto più che in un altro, la scarica praticamente si effettua attraverso quel punto più riscaldato e bianche striscie di particelle di calce irrompono da quella parte. Tali striscie si compongono di materia radiante quantunque il vuoto sia molto imperfetto. E però le particelle si muovono in linea retta, perchè la velocità impartita ad esse è grande, e ciò per effetto della densità elettrica, dell'alta temperatura, e perché la calce è disorganizzata assai più facilmente del carbone.

Queste ed altre riflessioni fissarono la mente del Tesla piuttosto sui fenomeni elettrostatici e sull'utilità di produrre altissimi potenziali e rapidissime frequenze. Egli ha trovato infatti, che poteva eccitare tubi esausti a distanza considerevole da ogni conduttore connesso ad apposita bobina; e che poteva, trasformando convenientemente la corrente oscillatoria di un condensatore, stabilire un campo elettrostatico alternante la cui azione s, esercitava attraverso tutta la lunghezza di una sala, illuminando un tubo comunque disposto nello spazio.

"Io credo, egli dice, che questo è il vero punto di partenza; poiché io non so  immaginare quale "altra azione potrebbe esercitarsi fra due circuiti vibranti a parecchi milioni di impulsi per "secondo, all'infuori di forze elettrostatiche. Ed io sono convinto profondamente, che a "qualunque specie di movimento possa attribuirsi la luce, essa è prodotta da forze elettrostatiche intensissime e vibranti con estrema rapidità. Io prendo un tubo in mano e lo muovo attorno; esso si illumina in qualunque posizione io lo disponga. Attraverso lo spazio agiscono forze invisibili. Eppure un altro tubo, quantunque estremamente esausto potrebbe non illuminarsi. lo eccito per mezzo della scarica disruttiva e allora si illumina disponendolo nel campo elettrostatico.

Lo ripongo per parecchie settimane o mesi, e conserva inalterate le sue proprietà. Quale cambiamento ho prodotto nel tubo eccitandolo? Se un movimento impartito agli atomi come mai persisterebbe sì a lungo, senza cessare per effetto delle resistenze passive ? Se un'alternazione esercitata nel dielettrico, come si suppone prodursi per la semplice elettrizzazione, è facile ammettere come possa sussistere indefinitamente, ma riesce difficile da comprendere come un tale stato potrebbe aiutare l'eccitazione, quando impieghiamo potenziali alternativi così rapidamente ".

Dalla prima esposizione dei suoi esperimenti in America, il Tesla ha ottenuto altri effetti interessanti; ha prodotto p. e. l'incandescenza di un bottone o filamento racchiuso in un lungo tubo. Perciò si richiedeva di economizzare l'energia ottenuta dal campo elettrostatico, dirigendola specialmente contro il piccolo bottone da rendere incandescente.

Nella figura 25 un corto tubo T''è saldato ad un altro molto più lungo T, provvisto internamente di un gambo di vetro G in cui passa un filo di platino f. Un altro sottile filamento di carbone f è saldato superiormente ad esso; mentre alla parte inferiore un filo di rame r stabilisce la comunicazione coll'esterno. Il tubo T' è provvisto di rivestimento interno ed esterno C e C' e lo spazio S è riempito di polvere  isolante. Il gambo G è protetto da un tubo di alluminio a; e disponendo comunque sia il tubo r nel campo elettrostatico il filamento è reso incandescente.

Si può produrre un'intensa fosforescenza in un bulbo riunendolo ad un piatto disposto nel campo ; e l'effetto è molto più potente, che in ogni altro caso. Un piccolo bulbo fosforescente congiunto ad un filo connesso alla bobina, emette luce sufficiente da leggere i caratteri ordinari alla distanza di 5 o 6 passi. Anche i tubi fosforescenti del Crookes producono effetti magnifici specialmente quelli a solfito di calcio o di zinco. Sottoposti alla scarica disruttiva si illuminano intensamente tenendoli in una mano, e toccando coll'altra l'estremità del rocchetto.

Qualunque sia il risultato cui possono condurre investigazioni di tale natura, il loro interesse presentemente risulta dalla possibilità che offrono di produrre un pratico sistema di illuminazione. In nessun ramo dell'industria elettrica, vi è tanto da progredire, quanto in questo. E ciascuno riflettendo ai barbari metodi oggi impiegati, e alle deplorevoli perdite che vi si verificano coi nostri attuali migliori sistemi, si domanda, quale potrà essere la luce dell'avvenire.

Sarà un solido incandescente come nelle lampade in uso, ovvero un gas portato

all' incandescenza, oppure un corpo fosforescente, o qualcosa simile ad una fiamma, e però infinitamente più intenso? Il tempo e i progressi della scienza risolveranno l'arduo problema.

In ogni modo, conchiude il Tesla, mio scopo principale nel presentare tali risultati è stato di porre in vista fenomeni nuovi e di avanzare idee, che spero potranno servire a molti come punto di partenza. Mio desiderio pure è stato di divertire scientificamente la numerosa assemblea, che mi circonda; l'applauso frequente e generosamente accordatomi, mi accerta che vi sono riuscito.

Londra, luglio 1892.

F. Ludergnani.