Однопроводная линия передачи

В 1780-х годах Луиджи Гальвани впервые наблюдал эффект статического электричества, вызывающий подёргивание ног лягушки, и заметил тот же эффект, возникающий лишь из-за определённых металлических контактов с лягушкой, создающих замкнутую цепь. Луиджи Гальвани называл это явление «животное электричество», затем в честь Гальвани этот эффект был назван гальванизмом.

Позже, в 1792—1794 годах Алессандро Вольта, проводя эксперименты с гальванизмом, пришёл к выводу, что эти явления связаны с наличием замкнутой цепи из двух разнородных металлов и жидкости. Он впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока («Во́льтов столб», 1800 год). Этот первый гальванический элемент стал прародителем современных батарей. Вольта понимал, что такой ток требует замкнутой цепи для проведения электричества, хотя истинная природа электрических токов была понята только столетие спустя, когда был открыт электрон.

Все последующие разработки электродвигателей, освещения и т. д. основывались на принципе замкнутой цепи, обычно включающей пару проводов, но иногда использовали землю в качестве второго проводника (как в коммерческой телеграфии).

В конце XIX века Никола Тесла продемонстрировал, что с помощью электрической сети, настроенной на резонанс, можно передавать электрическую энергию, используя только один проводник, без необходимости в обратном проводе. Это называли «передачей электрической энергии по одному проводу без возврата»^[1][2].

На демонстрационных лекциях (1891—1893 годы) с электрическими осцилляторами перед Американским институтом инженеров-электриков (AIEE) в Колумбийском колледже в Нью-Йорке, Институте инженеров-электриков (IEE) в Лондоне, Институте Франклина в Филадельфии и Национальной ассоциации электрического освещения в Сент-Луисе было показано, что электродвигатели и однополюсные лампы накаливания могут работать через один проводник без возвратного провода. Несмотря на очевидное отсутствие полной цепи, такая топология эффективно получает обратную цепь в силу собственной ёмкости нагрузки и паразитной ёмкости^[3][4].

Упоминание о «перегорании» машины было сделано для того, чтобы подчеркнуть способность такой системы передавать большую мощность при правильном согласовании импеданса, что можно достичь с помощью электрического резонанса.

Возможность использования одного провода для передачи электроэнергии была многократно исследована и описана (например в патенте 1993 года^[6]).

Передача по одному проводу невозможна при использовании постоянного тока и совершенно непрактична для низкочастотных переменных токов, таких как стандартные частоты 50 — 60 Гц в электросетях. Однако на значительно более высоких частотах обратная цепь (которая обычно подключена через второй провод) может использовать собственную и паразитную ёмкость большого проводящего объекта, например, корпуса самой нагрузки.

По мнению Николы Тесла: несмотря на то, что собственная ёмкость даже больших объектов довольно мала в обычном понимании, возможно резонировать эту ёмкость, используя достаточно большой индуктор (в зависимости от используемой частоты), в таком случае большое реактивное сопротивление этой ёмкости компенсируется. Это позволяет протекать большому току (и подавать большую мощность на нагрузку) без необходимости использования источника высокого напряжения. Хотя этот метод передачи электроэнергии давно известен, нет информации о том, имело ли место какое-либо коммерческое применение этого принципа для передачи электроэнергии.

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 режим распространения, но открытие произошло за несколько десятилетий до появления технологий для генерации достаточно высоких радиочастот для таких экспериментов, не говоря уже о практическом применении. Более того, решение описывало бесконечную линию передачи без учёта передачи энергии в неё (или из неё).

Однако особый практический интерес представляло предвидение значительно более низкого затухания сигнала по сравнению с использованием того же провода в качестве центрального проводника коаксиального кабеля . В отличие от предыдущего объяснения, согласно которому вся передаваемая мощность обусловлена классическим током через провод, в этом случае токи в самом проводнике намного меньше, а энергия передаётся в форме электромагнитной волны (радиоволны). Но в этом случае наличие провода способствует направлению этой волны к нагрузке, а не её излучение.

Снижение омических потерь по сравнению с использованием коаксиального кабеля (или других двухпроводных линий передачи) является особенно важным преимуществом на более высоких частотах, где эти потери становятся довольно значительными. Практически использование этого режима передачи ниже микроволновых частот вызывает большие проблемы из-за значительной протяжённости полевых паттернов (простейшие повторяющиеся волновые формы электрической компоненты электромагнитного поля) вокруг кабеля. Поля, связанные с поверхностной волной вдоль проводника, значительны на расстоянии, равном многим диаметрам проводника, поэтому металлические или диэлектрические материалы, случайно присутствующие в этих областях, будут искажать распространение моды (режима). и, как правило, увеличивать потери при распространении. Хотя в поперечном направлении эта величина не зависит от длины волны, в направлении распространения необходимо иметь минимум половину длины волны проводника, чтобы полностью поддерживать распространяющуюся моду. По этим причинам и на частотах, доступных примерно до 1950 года, практические недостатки такой передачи полностью перевешивали уме́ньшенные потери из-за конечной проводимости провода.