המתקן שהמציא המדען והממציא ניקולה טסלה במופע מדהים של ברקים ומוזיקה

לכבוד פורים התחפשתי לממציא הגאון ניקולה טסלה, כדי לראות בפעולה את אחת ההמצאות המרהיבות ביותר שלו: סליל טסלה שבמקור נועד להעביר חשמל דרך האוויר, והיום משמש בעיקר ליצירת מופעי ברקים ומוזיקה. צפו בסרטון:

הסרבי הגאון

ניקולה טסלה (Tesla) נולד למשפחה סרבית בשנת 1856 ומספרים שכבר מילדותו גילה כישרון טכני והנדסי יוצא דופן. בגיל 28 הוא היגר לארצות הברית שם מצא עבודה אצל ממציא גדול אחר – תומס אדיסון (Edison). במשימה הראשונה שהוטלה עליו, הצליח לשפר באופן משמעותי את הדינמו לייצור חשמל של אדיסון אולם כאשר ביקש את התשלום (הגבוה) שהבטיח לו אדיסון עבור עבודתו, טען אדיסון שרק התבדח כשנקב בסכום, מה שגרם לטסלה לעזוב את אדיסון ולעבור לעבוד אצל המתחרה הגדול שלו – ג'ורג' וסטינגהאוס.

במהלך הקריירה הארוכה של טסלה הוא המציא המצאות רבות שאנו משתמשים בהן עד היום: החל ממשדר הרדיו, דרך מנוע זרם לזרם חילופין שנמצא כיום בכמעט כל מכשיר חשמלי, ועד גנרטור יעיל לייצור זרם חילופין – מה שאיפשר בסופו של דבר את השימוש בחשמל בכל בית. זו הייתה 'נקמתו' באדיסון שהאמין דווקא בזרם ישר ופעל לשימוש נרחב בו. בזכות המצאותיו הרבות והמדהימות של טסלה הוא זכה לכינוי 'הקוסם החדש מהמערב'. אחת מהמצאותיו המרהיבות ביותר נקראת סליל טסלה, או שדון הברקים של טסלה שאת פעולתו ראינו בסרטון.

המצאות רבות שמאפשרות עד היום שימוש במכשירים חשמליים בכל בית. ניקולה טסלה | מקור: Science Photo Library
המצאות רבות שמאפשרות עד היום שימוש במכשירים חשמליים בכל בית. ניקולה טסלה | מקור: Science Photo Library

השראה ומכונות חישמול

כדי להבין כיצד פועל סליל טסלה, יש לחזור לתחילת המאה ה-19. בשנת 1831 גילה המדען הבריטי מייקל פאראדיי את ההשראה האלקטרומגנטית (ניסוי שלנו בקישור). באופן כללי פאראדיי גילה כי אם מעבירים זרם חשמלי דרך סליל של חוט מתכת – נוצר מתח חשמלי בסליל מתכת אחר הנמצא בקרבתו. המשך הניסויים הוביל במהרה לתגלית כי מספיק להעביר מגנט דרך סליל מתכת – ונוצר בין קצוות הסליל מתח חשמלי – כלומר מגנטיות יוצרת חשמל. בכך יצר פאראדיי את הדינמו הראשון.

למעשה, גם בניסוי הראשון של פאראדיי מגנט הוא שגרם לחשמל בסליל, משום שכאשר מעבירים זרם חשמלי בסליל של חוט חשמל הוא הופך למגנט (אלקטרומגנט). כלומר התופעה היא דו-כיוונית: חשמל יוצר מגנטיות ומגנטיות יוצרת חשמל. כאשר יש שני סלילים של חוטים מוליכים זה ליד זה, ומעבירים זרם חשמלי בסליל הראשון – נוצר בו שדה מגנטי, והשדה המגנטי הזה יוצר חשמל בסליל השני – 'בהשראה'.

בהמשך התגלה כי באמצעות מספר הליפופים של שני הסלילים אפשר לשלוט במתח החשמלי שנוצר בסליל השני. אם בסליל הראשון יש מעט ליפופים ובסליל השני הרבה ליפופים – המתח יעלה, ולהיפך. כך באופן עקרוני עובד שנאי שמוריד או מעלה מתח חשמלי.

הבעיה היא שכדי ליצור חשמל, השראה אלקטרומגנטית דורשת שהשדה המגנטי ישתנה כל הזמן – כלומר שהמגנט יהיה בתנועה מתמדת. מגנט אפשר להזיז באמצעות גלגל מסתובב. אם משתמשים בשני סליל חוטים שאחד משמש השראה לשני זה יותר בעייתי. הכומר והמדען האירי ניקולאס קאלאן המציא בעצם את 'סליל ההשראה' או השנאי היעיל הראשון – שהשתמש במתח של סוללה פשוטה והתקן מכני שמחבר ומנתק אותה לסליל ראשוני כדי לייצר מתחים גבוהים ברמה כזאת שמי שנגע בסליל השני הרגיש התחשמלות. באמצעות חיבור וניתוק של הסוללה ברציפות הוא הצליח ליצור שדה מגנטי שמשתנה כל הזמן (נוצר ונפסק) בסליל הראשון, מה שיוצר מתח חשמלי כל הזמן בסליל השני. שכלולים של סליל ההשראה של קאלאן הפכו נפוצים במאה ה-19 כמכונות פלאיות לריפוי מחלות. אנשים שילמו כסף כדי שיחשמלו אותם.

המתקן שהמציא המדען והממציא ניקולה טסלה במופע מדהים של ברקים ומוזיקה
מכונת חישמול ל"ריפוי מחלות" מהמאה ה-19 | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

יש חשמל באוויר

טסלה עבד, כאמור, בחברות החשמל הראשונות שפעלו – תחילה בחברה של אדיסון ואחר כך בזו של ווסטינגהאוס. כדי להעביר חשמל ממקום הייצור אל הבתים, כל חברות החשמל משתמשות בחוטי חשמל, כלומר חוטים העשויים מתכת, שהיא חומר מוליך – בדרך כלל נחושת או אלומיניום – שחייבים להימתח ממקום הייצור ועד כל בית וכל שקע. טסלה רצה להיפטר מהכבלים ולהעביר חשמל באוויר. לצורך כך הוא הבין כי הוא זקוק למתקן שיפיק מתח חשמלי גבוה מאוד. מכיוון שמתקן כזה לא היה בנמצא הוא החליט להמציא אותו. טסלה לקח את סליל ההשראה הישן, והחליף את הסוללה, שיוצרת זרם ישר במקור זרם חילופין. כך הוא היה יכול לסלק את ההתקן המכני שמחבר ומנתק את הסוללה, משום שזרם חילופין הוא זרם שהקוטביות שלו משתנה כל הזמן - כאילו יש לך סוללה שאתה מנתק והופך שוב ושוב. הוא ניצל את המתח הגבוה שהתקבל בסליל השני כדי לחבר אותו לשנאי נוסף שהגביר עוד יותר את המתח. הוא גם הוסיף התקן בשם 'קבל' – שמצליח להיטען במטען חשמלי במהירות רבה מאוד וחיבר אותו במקביל לאחד הסלילים. תוספת זו שיפרה מאוד את פעולת הסליל: הקבל המחובר לסליל נטען ונפרק אלפי פעמים בשנייה ובכך השיג טסלה גם תדירות גבוהה מאוד של הפעמים בהם זורם החשמל בסליל. כך קיבל טסלה מכשיר שמוזן במתח חשמלי נמוך יחסית ומייצר מתח חשמלי רב מאוד, היוצר ברקים אדירים בקצב רב מאוד. הוא הצליח לשכנע את הבנקאי ג'ון מורגן (Morgan) לממן בניית סליל טסלה ענקי ממש. 

סליל הטסלה הענקי שהוקם בלונג איילנד ב-1904 כדי לשדר חשמל לכל ארה"ב, בנייתו לא הושלמה | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל
סליל הטסלה הענקי שהוקם בלונג איילנד ב-1904 כדי לשדר חשמל לכל ארה"ב, בנייתו לא הושלמה | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

צריכת החשמל של ההתקנים של טסלה הייתה אדירה, והתברר כי המיזם כולו אינו כלכלי – בגלל צריכת החשמל הגבוהה הוא גם יקר יותר מהנחת חוטי חשמל עד בתי האנשים. כיום אנו יודעים כי ההתקן שטסלה רצה לבנות איננו אפשרי מסיבות מעשיות. המתח החשמלי דועך עם המרחק, כך שהעברת חשמל למרחקים גדולים דורשת מתח עצום, שבלתי אפשרי להפיק.

בידור ומוזיקה

אבל בכל זאת נותר לנו סליל הטסלה – שהיום משמש להדגמות מדעיות מרהיבות. כדי לא להתחשמל, בני המדגים לבש חליפה עשוייה מתכת ובכך יצר סביבו כלוב פאראדיי על שם אותו פאראדיי שהזכרנו קודם. בתוך כלוב פאראדיי, כלומר כלוב עשוי מתכת, השדה החשמלי מתאפס – הזרם זורם רק על פני הכלוב ולא נכנס פנימה. מעלית היא כלוב פאראדיי כמעט מושלם ומסיבה זאת אין קליטה סלולרית טובה במעלית. בסרטון גם רואים כי נורת פלואורסנט נדלקת כאשר היא נמצאת ליד הסליל, אך כאשר היא מוכנסת לתוך כלוב מרשת מתכתית היא לא נדלקת – שוב הדגמה של כלוב פאראדיי. אפשר ליצור מנגינות עם סליל הטסלה בזכות העובדה שלכל ברק מתווה רעש, עקב זרימת החשמל בין חלקיקי האוויר, מה שגורם להם להתלהט במהירות, לנוע במהירות, ותנועת האוויר הזאת זה מה שאנו שומעים כ'בום' של ברק, או זמזום של ניצוץ חשמלי.

שימו לב שהמטען החשמלי שפוגע במדגים חייב בסופו של דבר לזרום למקום כלשהו. כאשר בני המדגים ישב על כסא והרים מעט את רגליו אפשר היה לראות לאן החשמל זורם בסוף – הוא זורם אל הרצפה, כדור הארץ כבר מספיק גדול כדי 'להאריק' ולספוג את עודפי המטען שהסליל מייצר.