Nikola Tesla U.S. Patent 787,412 - Art of Transmitting Electrical Energy through the Natural Mediums (Art de transmettre l'énergie électrique à travers les milieux naturels)
NIKOLA TESLA, DE NEW YORK, N. Y.
ART DE TRANSMETTRE L'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE À TRAVERS LE MILIEU NATUREL.
SPECIFICATION faisant partie des lettres patentes n° 787.412, datées du 18 avril 1905.
Demande déposée le 16 mai 1900. Renouvelée le 17 juin 1902. Numéro de série 113 034 (pas de modèle).
A tous ceux que cela peut concerner :
Sachez que moi, NIKOLA TESLA, citoyen des États-Unis d'Amérique, résidant dans l'arrondissement de Manhattan, dans la ville, le comté et l'État de New York, j'ai découvert une amélioration nouvelle et utile dans l'art de transmettre l'énergie électrique à travers les milieux naturels, dont le texte suivant est une spécification, en référence aux dessins qui l'accompagnent et qui en font partie intégrante.
On sait depuis longtemps que les courants électriques peuvent se propager à travers la terre, et cette connaissance a été utilisée de nombreuses façons pour la transmission de signaux et le fonctionnement de divers dispositifs de réception éloignés de la source d'énergie, principalement dans le but de se passer d'un fil conducteur de retour.
On sait également que les perturbations électriques peuvent être transmises à travers des parties de la terre en mettant à la terre un seul des pôles de la source, et j'ai utilisé ce fait dans les systèmes que j'ai conçus dans le but de transmettre des signaux intelligibles ou de l'énergie à travers les milieux naturels et qui sont maintenant familiers ;
Mais toutes les expériences et observations faites jusqu'à présent tendent à confirmer l'opinion de la majorité des hommes de science selon laquelle la terre, en raison de son immense étendue, bien que possédant des propriétés conductrices, ne se comporte pas, en ce qui concerne les perturbations produites, à la manière d'un conducteur de dimensions limitées, mais, au contraire, comme un vaste réservoir ou un océan qui, bien qu'il puisse être localement perturbé par une agitation quelconque, reste insensible et calme dans une grande partie ou dans l'ensemble.
Un autre fait, aujourd'hui bien connu, est que lorsque des ondes ou des oscillations électriques sont imprimées sur un chemin conducteur tel qu'un fil métallique, une réflexion se produit dans certaines conditions aux extrémités du fil et, en conséquence de l'interférence des oscillations imprimées et réfléchies, le phénomène des "ondes stationnaires" avec des maxima et des minima à des positions fixes définies est produit. Dans tous les cas, ces ondes ont atteint les limites du chemin conducteur et ont été réfléchies par celui-ci.
J'ai maintenant découvert que, malgré ses vastes dimensions et contrairement à toutes les observations faites jusqu'à présent, le globe terrestre peut, en grande partie ou dans son ensemble, se comporter à l'égard des perturbations qui lui sont imprimées de la même manière qu'un conducteur de taille limitée, ce fait étant démontré par de nouveaux phénomènes que je décrirai ci-après.
Au cours de certaines recherches que j'ai menées dans le but d'étudier les effets des décharges de foudre sur l'état électrique de la terre, j'ai observé que des instruments récepteurs sensibles, disposés de manière à pouvoir répondre aux perturbations électriques créées par les décharges, ne réagissaient parfois pas lorsqu'ils auraient dû le faire, et en m'enquérant des causes de ce comportement inattendu, j'ai découvert qu'il était dû au caractère des ondes électriques produites dans la terre par les décharges de foudre et dont les régions nodales suivaient à des distances définies la source mouvante des perturbations.
Ces résultats et certaines déductions théoriques m'ont amené à la conclusion que des ondes de ce type peuvent se propager dans toutes les directions sur le globe et qu'elles peuvent avoir des longueurs encore plus différentes, les limites extrêmes étant imposées par les dimensions et les propriétés physiques de la terre.
Reconnaissant dans l'existence de ces ondes une preuve indubitable que les perturbations créées ont été conduites depuis leur origine jusqu'aux parties les plus éloignées du globe et ont été réfléchies de là, j'ai conçu l'idée de produire de telles ondes dans la terre par des moyens artificiels dans le but de les utiliser à de nombreuses fins utiles pour lesquelles elles sont ou pourraient être trouvées applicables.
Ce problème était rendu extrêmement difficile en raison des immenses dimensions de la planète et, par conséquent, des énormes mouvements d'électricité ou de la vitesse à laquelle l'énergie électrique devait être fournie afin d'approcher, même à un degré éloigné, les mouvements ou les vitesses qui sont manifestement atteints dans les manifestations des forces électriques dans la nature et qui semblaient d'abord irréalisables par des agences humaines ; mais par des améliorations graduelles et continues d'un générateur d'oscillations électriques, que j'ai décrit dans mes Brevets Nos.
Grâce à cet appareil, il m'a été possible de reproduire chaque fois que je le souhaitais des phénomènes terrestres identiques ou similaires à ceux dus aux décharges de la foudre.
Grâce à la connaissance des phénomènes que j'ai découverts et aux moyens dont je dispose pour obtenir ces résultats, je suis en mesure non seulement d'effectuer de nombreuses opérations à l'aide d'instruments connus, mais aussi d'offrir une solution à de nombreux problèmes importants impliquant le fonctionnement ou le contrôle d'appareils à distance qui, faute de cette connaissance et de ces moyens, étaient jusqu'à présent totalement impossibles à réaliser.
Par exemple, en utilisant un tel générateur d'ondes stationnaires et des appareils récepteurs correctement placés et réglés dans n'importe quelle autre localité, même éloignée, il est possible de transmettre des signaux intelligibles ou de contrôler ou d'actionner à volonté l'un ou l'ensemble de ces appareils à de nombreuses autres fins importantes et précieuses, par exemple pour indiquer l'heure exacte d'un observatoire ou pour déterminer la position relative d'un corps ou sa distance par rapport à un point donné ou pour déterminer la trajectoire d'un objet en mouvement, tel qu'un navire en mer, la distance qu'il a parcourue ou sa vitesse, ou pour produire de nombreux autres effets utiles à distance en fonction de l'intensité, de la longueur d'onde, de la direction ou de la vitesse du mouvement, ou de toute autre caractéristique ou propriété des perturbations de ce type.
J'illustrerai typiquement la manière d'appliquer ma découverte en décrivant l'une des utilisations spécifiques de la même chose, à savoir la transmission de signaux ou de messages intelligibles entre des points éloignés.
La figure 1 représente schématiquement le générateur qui produit des ondes stationnaires dans la terre, et la figure 2 un appareil situé dans une localité éloignée pour enregistrer les effets de ces ondes.
Dans la figure 1, A désigne une bobine primaire faisant partie d'un transformateur et consistant généralement en quelques tours d'un câble robuste de résistance inappréciable, dont les extrémités sont reliées aux bornes d'une source d'oscillations électriques puissantes, représentée schématiquement par B. Cette source est habituellement un condensateur chargé à un potentiel élevé et déchargé en succession rapide à travers le primaire, comme dans un type de transformateur inventé par moi et maintenant bien connu ; mais lorsqu'on désire produire des ondes stationnaires de grande longueur, une dynamo alternative de construction appropriée peut être utilisée pour exciter le primaire A.
C est une bobine secondaire enroulée en spirale à l'intérieur du primaire, dont l'extrémité la plus proche de ce dernier est reliée à la masse E' et l'autre à une borne élevée E. Les constantes physiques de la bobine C, qui déterminent sa période de vibration, sont choisies et réglées de telle sorte que le système secondaire E' C E soit en résonance aussi étroite que possible avec les oscillations qui lui sont imprimées par le primaire A. Il est, en outre, de la plus haute importance, pour augmenter encore la montée de la pression et accroître le mouvement électrique dans le système secondaire, que sa résistance soit aussi faible que possible et son auto-induction aussi grande que possible dans les conditions imposées.
La mise à la terre doit être effectuée avec le plus grand soin, afin de réduire sa résistance. Au lieu d'être directement mise à la terre, comme indiqué, la bobine C peut être reliée en série ou autrement au primaire A, auquel cas ce dernier sera connecté à la plaque E' ; mais que la bobine C ne contienne aucune ou une partie ou la totalité des spires primaires ou excitatrices, la longueur totale du conducteur entre la plaque de masse E' et la borne élevée E doit être égale au quart de la longueur d'onde de la perturbation électrique dans le système E' C E ou bien égale à cette longueur multipliée par un nombre impair.
Cette relation étant respectée, la borne E coïncidera avec les points de pression maximale dans le circuit secondaire ou excité, et le flux d'électricité le plus important se produira dans ce circuit. Afin d'amplifier autant que possible le mouvement électrique dans le secondaire, il est essentiel que sa connexion inductive avec le primaire A ne soit pas très étroite, comme dans les transformateurs ordinaires, mais lâche, de manière à permettre une libre oscillation - c'est-à-dire que leur induction mutuelle doit être faible.
La forme spiralée de la bobine C assure cet avantage, tandis que les spires proches du primaire A sont soumises à une forte action inductive et développent une force électromotrice initiale élevée. Ces ajustements et relations étant soigneusement réalisés et les autres caractéristiques constructives indiquées rigoureusement observées, le mouvement électrique produit dans le système secondaire par l'action inductive du primaire A sera énormément amplifié, l'augmentation étant directement proportionnelle à l'inductance et à la fréquence et inversement à la résistance du système secondaire.
J'ai constaté qu'il était possible de produire de cette manière un mouvement électrique des milliers de fois plus grand que le mouvement initial, c'est-à-dire celui qui est imprimé au secondaire par le primaire A, et j'ai ainsi atteint des activités ou des taux de flux d'énergie électrique dans le système E' C E mesurés par plusieurs dizaines de milliers de chevaux-vapeur.
Ces immenses mouvements d'électricité donnent lieu à une variété de phénomènes nouveaux et frappants, parmi lesquels ceux déjà décrits. Les puissantes oscillations électriques du système E' C E, communiquées au sol, provoquent des vibrations correspondantes qui se propagent dans des parties éloignées du globe, où elles sont réfléchies et produisent, par interférence avec les vibrations sortantes, des ondes stationnaires dont les crêtes et les creux s'inscrivent dans des cercles parallèles dont la plaque de sol E' peut être considérée comme le pôle.
En d'autres termes, le conducteur terrestre est mis en résonance avec les oscillations qui lui sont imprimées, tout comme un fil. De plus, un certain nombre de faits que j'ai constatés montrent clairement que le mouvement de l'électricité à travers lui suit certaines lois avec une rigueur presque mathématique.
Pour l'instant, il suffira de dire que la planète se comporte comme un conducteur parfaitement lisse ou poli, d'une résistance inappréciable, dont la capacité et l'auto-induction sont uniformément réparties le long de l'axe de symétrie de la propagation des ondes et qui transmet de lentes oscillations électriques sans distorsion ni atténuation sensibles.
En outre, les trois conditions susmentionnées semblent être essentielles à l'établissement de la condition de résonance.
Premièrement. Le diamètre de la terre passant par le pôle doit être un multiple impair du quart de la longueur d'onde, c'est-à-dire du rapport entre la vitesse de la lumière et quatre fois la fréquence des courants.
Deuxièmement. Il est nécessaire d'employer des oscillations dans lesquelles le taux de radiation de l'énergie dans l'espace sous forme d'ondes hertziennes ou électromagnétiques est très faible.
Pour donner une idée, je dirais que la fréquence devrait être inférieure à vingt mille par seconde, bien que des ondes plus courtes soient possibles. La fréquence la plus basse semble être de six par seconde, auquel cas il n'y aura qu'un seul noeud, au niveau de la plaque de sol ou à proximité, et, aussi paradoxal que cela puisse paraître, l'effet augmentera avec la distance et sera le plus important dans une région diamétralement opposée à l'émetteur.
Avec des oscillations encore plus lentes, la terre, à proprement parler, ne résonnera pas, mais agira simplement comme une capacité, et la variation de potentiel sera plus ou moins uniforme sur toute sa surface.
Troisièmement. La condition la plus essentielle est cependant que, quelle que soit la fréquence, l'onde ou le train d'ondes se poursuive pendant un certain intervalle de temps, que j'ai estimé à pas moins d'un douzième ou probablement 0,08484 de seconde et qui est pris en passant et en revenant de la région diamétralement opposée au pôle sur la surface de la terre avec une vitesse moyenne d'environ quatre cent soixante-et-onze mille deux cent quarante kilomètres par seconde.
(ndt: 471 240 km/s => plus grand que les 299 792 km/s de la vitesse de la lumière !!!)
La présence des ondes stationnaires peut être détectée de plusieurs façons. Par exemple, un circuit peut être connecté directement ou par induction au sol et à un terminal surélevé et réglé pour répondre plus efficacement aux oscillations. Une autre méthode consiste à relier un circuit accordé à la terre en deux points situés plus ou moins sur un méridien passant par le pôle E' ou, de manière générale, à deux points quelconques de potentiel différent.
La figure 2 montre un dispositif de détection de la présence des ondes tel que je l'ai utilisé dans une nouvelle méthode d'amplification des effets faibles que j'ai décrite dans mes brevets n° 685 953 et 685 955.
Il se compose d'un cylindre D, en matière isolante, qui est mû à une vitesse uniforme par un mouvement d'horlogerie ou toute autre force motrice appropriée et qui est muni de deux anneaux métalliques F F', sur lesquels portent des brosses a et a', reliées, respectivement, aux plaques terminales P et P'. Des anneaux F F' partent d'étroits segments métalliques s et s' qui, par la rotation du cylindre D, sont alternativement mis en contact avec des balais doubles b et b', portés par et en contact avec des supports conducteurs h et h', soutenus par des paliers métalliques G et G', comme illustré. Ces derniers sont reliés aux bornes T et T' d'un condensateur H, et il faut comprendre qu'ils sont capables de se déplacer angulairement comme des supports de brosses ordinaires.
L'utilisation de deux balais, b et b', dans chacun des supports h et h', a pour but de faire varier à volonté la durée du contact électrique des plaques P et P' avec les bornes T et T', auxquelles est relié un circuit de réception comprenant un récepteur R et un dispositif d, qui a pour fonction de fermer le circuit de réception à des intervalles de temps prédéterminés et de décharger l'énergie emmagasinée à travers le récepteur.
Dans le cas présent, ce dispositif se compose d'un cylindre constitué en partie d'un matériau conducteur et en partie d'un matériau isolant e et e', respectivement, que l'on fait tourner à la vitesse voulue par tout moyen approprié. La partie conductrice e est en bonne liaison électrique avec l'arbre S et est pourvue de segments effilés f f', sur lesquels glisse un balai k, supporté par une tige conductrice l, pouvant être ajustée longitudinalement dans un support métallique m. Un autre balai, n, est disposé pour porter sur l'arbre S, et l'on verra que chaque fois qu'un des segments f' entre en contact avec le balai k, le circuit incluant le récepteur R est complété et le condensateur déchargé à travers lui. En réglant la vitesse de rotation du cylindre d et en déplaçant le balai k le long du cylindre, on peut faire en sorte que le circuit s'ouvre et se ferme dans une succession aussi rapide que possible et qu'il reste ouvert ou fermé pendant les intervalles de temps que l'on désire. Les plaques P et P', par lesquelles l'énergie électrique est transmise aux brosses a et a', peuvent être situées à une distance considérable l'une de l'autre dans le sol ou l'une dans le sol et l'autre dans l'air, de préférence à une certaine hauteur.
Si une seule plaque est reliée à la terre et l'autre maintenue en hauteur, l'emplacement de l'appareil doit être déterminé en fonction de la position des ondes stationnaires établies par le générateur, l'effet étant évidemment plus important dans une région maximale et nul dans une région nodale. D'autre part, si les deux plaques sont reliées à la terre, les points de connexion doivent être choisis en fonction de la différence de potentiel que l'on souhaite obtenir, l'effet le plus fort étant évidemment obtenu lorsque les plaques sont à une distance égale à la moitié de la longueur d'onde.
Pour illustrer le fonctionnement du système, supposons que les impulsions électriques alternatives du générateur produisent des ondes stationnaires dans la terre, comme décrit ci-dessus, et que l'appareil récepteur est correctement placé par rapport à la position des régions nodales et ventrales des ondes.
La vitesse de rotation du cylindre D est modifiée jusqu'à ce qu'il tourne en synchronisme avec les impulsions alternées du générateur, et la position des balais b et b' est ajustée par déplacement angulaire ou autre, de manière à ce qu'ils soient en contact avec les segments S et S' pendant les périodes où les impulsions sont à leur maximum d'intensité ou presque. Ces conditions étant remplies, des charges électriques de même signe seront acheminées à chacune des bornes du condensateur et, à chaque nouvelle impulsion, elles seront chargées à un potentiel plus élevé.
La vitesse de rotation du cylindre d étant réglable à volonté, l'énergie d'un nombre quelconque d'impulsions distinctes peut ainsi être accumulée sous forme de potentiel et déchargée par le récepteur R lorsque le balai k entre en contact avec l'un des segments f'.
On comprendra que la capacité du condensateur doit être telle qu'elle permette d'emmagasiner une quantité d'énergie beaucoup plus grande que celle qui est nécessaire au fonctionnement ordinaire du récepteur. Comme cette méthode permet de mettre à la disposition d'un récepteur une quantité d'énergie relativement importante et sous une forme appropriée, il n'est pas nécessaire que ce dernier soit très sensible ; mais lorsque les impulsions sont très faibles ou que l'on désire faire fonctionner un récepteur très rapidement, on peut utiliser, de la manière indiquée ou d'une autre manière, n'importe lequel des dispositifs sensibles bien connus capables de répondre à des influences très faibles.
Dans les conditions décrites, il est évident que pendant la durée des ondes stationnaires, le récepteur sera soumis à des impulsions de courant plus ou moins intenses, en fonction de son emplacement par rapport aux maxima et minima desdites ondes ; mais en interrompant ou en réduisant le flux du courant, les ondes stationnaires disparaîtront ou diminueront d'intensité. Il est donc possible de produire une grande variété d'effets dans un récepteur, selon le mode de contrôle des ondes. Il est cependant possible de déplacer les régions nodales et ventrales des ondes à volonté à partir de la station émettrice, comme en faisant varier la longueur des ondes dans le respect des conditions susmentionnées.
De cette manière, les régions d'effet maximum et minimum peuvent coïncider avec n'importe quelle(s) station(s) réceptrice(s). En imprimant à la terre deux ou plusieurs oscillations de longueur d'onde différente, on peut faire en sorte que l'onde stationnaire résultante se déplace lentement sur le globe, ce qui permet de produire une grande variété d'effets utiles. Il est évident que la trajectoire d'un navire peut être facilement déterminée sans l'utilisation d'une boussole, comme par un circuit relié à la terre en deux points, car l'effet exercé sur le circuit sera le plus important lorsque les plaques P P' sont situées sur un méridien passant par la plaque de sol E' et sera nul lorsque les plaques sont situées sur un cercle parallèle.
Si les régions nodales et ventrales sont maintenues dans des positions fixes, la vitesse d'un navire transportant un appareil récepteur peut être calculée exactement à partir de l'observation des régions maximales et minimales successivement traversées.
On comprendra que les projections de tous les nœuds et boucles sur le diamètre de la terre passant par le pôle ou l'axe de symétrie du mouvement des vagues sont toutes égales. Par conséquent, dans n'importe quelle région de la surface, la longueur d'onde peut être déterminée à partir de simples règles de géométrie.
Inversement, en connaissant la longueur d'onde, on peut facilement calculer la distance de la source. De la même manière, la distance d'un point à un autre, la latitude et la longitude, l'heure, etc. peuvent être déterminées à partir de l'observation de ces ondes stationnaires.
Si plusieurs générateurs d'ondes stationnaires de ce type, de préférence de longueurs différentes, étaient installés dans des endroits judicieusement choisis, le globe entier pourrait être subdivisé en zones définies d'activité électrique, et de telles données, ainsi que d'autres données importantes, pourraient être immédiatement obtenues par un simple calcul ou par des relevés effectués à l'aide d'instruments convenablement gradués.
De nombreuses autres applications utiles de ma découverte se présenteront d'elles-mêmes et, à cet égard, je ne souhaite pas me limiter. Ainsi, le plan spécifique décrit ici pour produire les ondes stationnaires pourrait être modifié. Par exemple, le circuit qui imprime les puissantes oscillations sur la terre pourrait être connecté à cette dernière en deux points. Dans le cadre de cette application, j'ai présenté diverses améliorations des moyens et méthodes de production et d'utilisation des effets électriques qui, soit en relation avec ma présente découverte, soit indépendamment de celle-ci, peuvent être appliquées de manière utile.
Je souhaite qu'il soit entendu que les caractéristiques nouvelles qui ne sont pas expressément revendiquées dans la présente demande feront l'objet de demandes ultérieures.
Ce que je revendique maintenant est...
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Le perfectionnement dans l'art de transmettre l'énergie électrique à distance qui consiste à établir des ondes électriques stationnaires dans la terre, comme indiqué.
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Le perfectionnement dans l'art de transmettre l'énergie électrique à distance qui consiste à imprimer à la terre des oscillations électriques de nature à y produire des ondes électriques stationnaires, tel qu'exposé.
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Le perfectionnement dans l'art de transmettre et d'utiliser l'énergie électrique qui consiste à créer des ondes électriques stationnaires dans les milieux conducteurs naturels et à faire fonctionner ainsi un ou plusieurs appareils récepteurs éloignés de la source d'énergie, tel qu'exposé.
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Le perfectionnement dans l'art de transmettre et d'utiliser l'énergie électrique qui consiste à établir dans le milieu conducteur naturel des ondes électriques stationnaires de longueur prédéterminée et à faire fonctionner ainsi un ou plusieurs dispositifs de réception éloignés de la source d'énergie et correctement situés par rapport à la position de ces ondes, comme indiqué dans le présent document.
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Le perfectionnement dans l'art de transmettre et d'utiliser l'énergie électrique, qui consiste à établir dans les milieux conducteurs naturels des ondes électriques stationnaires et à faire varier la longueur de ces ondes, comme indiqué ci-dessus.
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Le perfectionnement dans l'art de transmettre et d'utiliser l'énergie électrique, qui consiste à établir dans les milieux conducteurs naturels des ondes électriques stationnaires et à déplacer les régions nodales et ventrales de ces ondes, comme décrit.
NIKOLA TESLA.
Témoins :
M. LAWSON DYER,
BENJAMIN MILLER.
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