Bằng sáng chế thiết bị chống sét của Nikola Tesla (bản lưu trữ trung thực)

Lưu ý quan trọng

Bản dịch tiếng Việt này được thực hiện với sự hỗ trợ của trí tuệ nhân tạo (AI) từ bản gốc tiếng Anh của bằng sáng chế Mỹ số 1.266.175 (Nikola Tesla, 1916/1918).

Mặc dù đã được kiểm tra, bản dịch có thể vẫn còn một số điểm chưa hoàn toàn chính xác về thuật ngữ kỹ thuật.

Trong trường hợp có bất kỳ nghi ngờ nào, vui lòng tham khảo bản gốc tiếng Anh.

Trang này trình bày bản sao trung thực bằng sáng chế của Nikola Tesla về thiết bị chống sét, nộp ngày 6 tháng 5 năm 1916, và được cấp bằng Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.266.175. Tài liệu này được tái bản cho mục đích giáo dục và lịch sử, giữ nguyên đúng lời của Tesla như khi được công bố. Bản dịch tiếng Việt này được thực hiện cho mục đích giáo dục và lịch sử.


Một cách tiếp cận thực tiễn để ngăn ngừa sét

Nikola Tesla đã đưa ra một đổi mới mang tính đột phá trong lĩnh vực chống sét. Bằng sáng chế của ông, nộp năm 1916, trình bày một giải pháp đơn giản nhưng xuất sắc cho một bài toán phức tạp: một thiết bị chống sét được thiết kế để ngăn ngừa sét đánh thay vì chỉ dẫn hướng chúng. Cách tiếp cận của Tesla tập trung vào việc ổn định điện trường quanh công trình, loại bỏ những điều kiện dẫn đến sét đánh.

Phát minh này là một trong những tiến bộ lớn nhất của công nghệ chống sét. Thiết kế đổi mới của nó, xoay quanh một đầu cực dạng vòm tròn, làm giảm mạnh ion hóa không khí và giảm thiểu rủi ro hư hại. Thiết bị chống sét của Tesla không chỉ là một công cụ — đó là một sự thay đổi hệ hình trong cách nhân loại bảo vệ hạ tầng của mình trước một trong những sức mạnh tàn phá nhất của tự nhiên.

Bản sao trang đầu bằng sáng chế thiết bị chống sét của Nikola Tesla, Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.266.175, cấp ngày 14 tháng 5 năm 1918.

Sơ đồ gốc từ bằng sáng chế thiết bị chống sét của Nikola Tesla, minh họa thiết kế và nguyên lý của đầu cực dạng vòm cho khả năng chống sét an toàn hơn.


Bản sao đầy đủ bằng sáng chế của Tesla



Đơn nộp ngày 6 tháng 5 năm 1916. Số sê-ri 95.830.

1,266,175.

Cấp bằng ngày 14 tháng 5 năm 1918.

Kính gửi tất cả những người quan tâm:

Xin được thông báo rằng tôi, Nikola Tesla, công dân Hoa Kỳ, cư trú tại New York, quận và bang New York, đã phát minh ra những cải tiến mới và hữu ích cho thiết bị chống sét, được mô tả đầy đủ, rõ ràng và chính xác như sau.

Mục đích của phát minh này là cung cấp các thiết bị chống sét có thiết kế mới và cải tiến, phù hợp chặt chẽ với bản chất thực sự của hiện tượng, hoạt động hiệu quả hơn và đáng tin cậy hơn nhiều trong việc bảo vệ tính mạng và tài sản so với những thiết bị đang được sử dụng.

Để hiểu rõ bản chất phát minh của tôi và sự khác biệt cơ bản của nó với các cột thu lôi thông dụng, cần giải thích ngắn gọn những nguyên lý mà thiết bị của tôi dựa trên, đối chiếu với những nguyên lý đang chi phối loại cột thu lôi phổ biến hiện nay.

Kể từ khi cột thu lôi được giới thiệu bởi Benjamin Franklin vào nửa sau thế kỷ XVIII, nó đã được sử dụng gần như phổ biến như một phương tiện bảo vệ chống phóng điện khí quyển nguy hiểm. Hiệu quả của nó, ở một mức độ nhất định, đã được chứng minh không thể chối cãi qua các số liệu thống kê; tuy nhiên, vẫn tồn tại phổ biến một sai lầm lý thuyết kỳ lạ về cách nó vận hành, và cấu tạo của nó khiếm khuyết căn bản ở một điểm: đầu nhọn điển hình. Trong thiết bị chống sét của tôi, tôi tránh hoàn toàn các điểm nhọn và dùng một loại đầu cực hoàn toàn khác.

Theo quan điểm phổ biến, ưu điểm của cột thu lôi kiểu Franklin chủ yếu dựa trên khả năng của các điểm nhọn hay cạnh sắc phóng điện vào không khí. Như Coulombđã chỉ ra, lượng điện trên một đơn vị diện tích — ông gọi là “mật độ điện tích” — tăng lên khi bán kính cong của bề mặt giảm xuống. Sau đó, bằng phân tích toán học, người ta đã chứng minh rằng điện tích tích tụ tạo ra một lực pháp tuyến hướng ra ngoài bằng 2π lần bình phương của mật độ, và thực nghiệm cho thấy khi mật độ vượt khoảng 20 đơn vị C.G.S. thì một tia streamer hoặc vầng quang (corona) được hình thành. Từ những quan sát và suy luận đó, rõ ràng hiện tượng này có thể xảy ra ở điện áp tương đối thấp nếu dây dẫn có bán kính cực nhỏ, hay nhọn; và chính vì việc áp dụng sai những sự thật này (và những sự thật khác) mà cột thu lôi thương mại ngày nay được chế tạo rất mảnh và nhọn.

Ngược lại, phát minh của tôi, dù thừa nhận những sự thật trên, lại áp dụng chúng một cách đúng đắn bằng việc tạo ra một thiết bị chống sét có đầu cực trên cao, với các bề mặt dẫn điện bên ngoài được bố trí trên những mặt có bán kính cong lớn theo cả hai chiều. Những nguyên lý nền tảng của phát minh, và cách áp dụng đúng đắn chúng — điều quy định hình dạng và cách lắp đặt thiết bị — tôi sẽ trình bày ngay sau đây, đối chiếu với cột thu lôi nhọn thông thường.

Khi cho phép rò điện vào không khí, người ta thường tin rằng cột thu lôi hình kim thực hiện hai chức năng: một là rút điện âm từ mặt đất, hai là trung hòa điện dương của đám mây. Ở một mức độ nào đó, nó làm được cả hai. Nhưng việc nghiên cứu có hệ thống các nhiễu loạn điện trong khí quyển đã cho thấy rõ rằng tác dụng của dây dẫn Franklin, như cách hiểu thông thường, chủ yếu là ảo ảnh. Đo đạc thực tế chứng minh rằng lượng điện thoát ra từ nhiều điểm nhọn là hoàn toàn không đáng kể so với lượng điện cảm ứng trên một vùng đất rộng lớn, và không có ý nghĩa gì trong quá trình tiêu tán. Nhưng đúng là không khí mang điện âm ở gần cột thu lôi, trở nên dẫn điện dưới ảnh hưởng của chính nó, lại tạo điều kiện cho tia sét đi qua. Vì vậy nó làm tăng xác suất có một phóng điện sét ở khu vực lân cận.

Những sự thật cơ bản nằm sau loại cột thu lôi này là:

  • Thứ nhất, nó thu hút sét, khiến công trình bị đánh thường xuyên hơn so với khi không có nó;
  • Thứ hai, nó làm cho phần lớn trở nên vô hại, nhưng không phải tất cả, các phóng điện mà nó nhận được;
  • Thứ ba, do làm cho không khí trở nên dẫn điện, và vì những lý do khác, đôi khi nó là nguyên nhân gây hư hại cho các vật thể lân cận;
  • Thứ tư, nhìn chung, khả năng ngăn ngừa thiệt hại của nó ít nhiều chiếm ưu thế so với những hiểm họa mà nó gây ra.

Ngược lại, thiết bị của tôi dựa trên những nguyên lý hoàn toàn trái ngược. Đầu cực của nó có diện tích lớn. Nó bảo đảm mật độ điện tích rất thấp và bảo toàn đặc tính cách điện cho môi trường xung quanh, nhờ đó giảm thiểu rò điện, và khi hoạt động như một quasi-repellant (tựa như đẩy sét) để làm tăng mạnh hệ số an toàn.

Để lắp đặt thiết bị bảo vệ theo phát minh của tôi một cách tốt nhất và tiết kiệm nhất, kỹ sư lắp đặt cần nắm được những yếu tố và hiện tượng quy định kích thước, số lượng thiết bị và đặc tính vật lý của chúng; và trước hết, để hiểu trọn vẹn các nguyên lý của phát minh, cần giải thích ngắn gọn những điều đó.

Tất nhiên, lắp đặt tiết kiệm đòi hỏi khả năng bảo vệ của mỗi thiết bị không lớn hơn mức cần thiết để đáp ứng những điều kiện khắc nghiệt nhất mà công trình cụ thể cần được bảo vệ phải chịu; và như tôi sẽ trình bày, những điều kiện này phần nào phụ thuộc vào đặc điểm địa hình gần vị trí công trình.

Trong bản vẽ, các Hình 1 đến 4 là những sơ đồ minh họa các sự thật và điều kiện liên quan đến việc xác định cách lắp đặt cụ thể cho phát minh của tôi, còn các Hình 5 đến 8 minh họa cấu tạo và ứng dụng của thiết bị. Cụ thể:

Hình 1 là một phong cảnh dùng cho mục đích giải thích; Các Hình 2, 3 và 4 là các sơ đồ lý thuyết; Các Hình 5 và 6 minh họa các dạng thiết bị cải tiến; và Các Hình 7 và 8 cho thấy các công trình được trang bị chúng.

Các Hình 1 đến 4 của bằng sáng chế 1.266.175: phong cảnh, “vùng xả điện” của Lord Kelvin và sơ đồ các vật thể tích điện.

Các Hình 1 đến 4: Sơ đồ minh họa “vùng xả điện” của Lord Kelvin và sự phân bố điện tích tĩnh, như mô tả trong bằng sáng chế của Nikola Tesla (Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.266.175, 1918). Tesla nhấn mạnh rằng mật độ điện tích tăng theo độ cao: những vật thể nằm trên “mức trung hòa” chịu rủi ro sét lớn hơn, còn những vật thể ở dưới thì an toàn hơn.

Mô tả: Hình ảnh này gồm bốn hình được đánh số (Hình 1 đến Hình 4) từ bằng sáng chế thiết bị chống sét của Nikola Tesla (1.266.175, cấp ngày 14 tháng 5 năm 1918). Hình 1 mô tả một vùng đồi núi có mây, minh họa bối cảnh môi trường. Các Hình 2, 3 và 4 là sơ đồ kỹ thuật có chú thích (góc, đường và điểm) giải thích nguyên lý tiêu tán điện tích tĩnh để chống sét.

In Hình 1 biểu thị vùng “xả điện” của Lord Kelvin, tức khu vực gần như là một phần của bề mặt đất phẳng rộng lớn. (Xem “Paper on Electrostatic and Magnetism” của Sir William Thomson.) Trong điều kiện thời tiết bình thường, khi trời quang, tổng lượng điện phân bố trên mặt đất gần như bằng lượng điện chứa trong hình chiếu ngang của nó. Nhưng vào lúc có giông bão, do tác dụng cảm ứng của các đám mây, một lượng điện khổng lồ có thể tích tụ tại khu vực đó, với mật độ lớn nhất ở những phần cao nhất của mặt đất. Giả sử như vậy, trong điều kiện tồn tại ở bất kỳ thời điểm nào, hãy vẽ thêm một mặt cầu 2 đồng tâm với Trái Đất — có thể gọi là vùng “trung hòa” — sao cho lượng điện tích tụ phía trên và phía dưới mặt đó bằng nhau. Tổng đại số của chúng, lấy tương đối so với mặt tưởng tượng ấy, chính là phần dư dương và âm, và bằng không.

Những vật thể nằm trên “mức trung hòa” chịu rủi ro lớn hơn rất nhiều so với những vật thể ở dưới. Vì vậy, một công trình ở vị trí 3, trên một khu vực có mật độ điện tích quá lớn, sớm hay muộn cũng dễ bị đánh, trong khi một công trình ở chỗ trũng 4, nơi điện tích trên một đơn vị diện tích rất nhỏ, thì gần như hoàn toàn an toàn. Từ đó suy ra rằng công trình 3 cần được trang bị nhiều hơn công trình kia. Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp, xác suất bị sét đánh đều giảm đi nhờ sự hiện diện của thiết bị của tôi, trong khi nó sẽ tăng lên nếu có cột thu lôi Franklin, vì những lý do tôi sẽ trình bày ngay sau đây.

Việc hiểu chỉ một phần những sự thật liên quan đến phóng điện, và việc áp dụng sai chúng do thiếu hiểu biết đầy đủ, hẳn là nguyên nhân khiến cột thu lôi Franklin mang hình dạng nhọn thông thường; nhưng những suy xét lý thuyết và những phát hiện quan trọng thu được trong quá trình nghiên cứu với một máy phát không dây hoạt động mạnh, tạo ra những hồ quang có thể tích và điện áp tương đương những gì xảy ra trong tự nhiên (“Problems of Increasing Human Energy”, Century Magazine, tháng 6 năm 1900, và các bằng sáng chế 645.576, 649.621, 787.412 và 1.119.732), ngay lập tức chứng minh sai lầm của quan niệm phổ biến mà cột thu lôi kiểu Franklin dựa trên, cho thấy tính mới đặc thù của thiết bị chống sét của tôi, và hướng dẫn người chế tạo sử dụng phát minh của tôi.

In Hình 2, 5 là một quả cầu nhỏ tiếp xúc với một quả cầu lớn 6 (chỉ hiển thị một phần). Theo lý thuyết ảnh điện, có thể chứng minh rằng khi hai vật thể được tích điện, mật độ trung bình trên quả cầu nhỏ chỉ lớn hơn mật độ trên quả cầu kia

\[\frac{\pi^2}{6} = 1.64493\]

lần. (Xem “Electricity and Magnetism” của Clerk Maxwell.)

In Hình 3, hai quả cầu 7 và 8 được đặt cách nhau một khoảng và nối với nhau bằng một sợi dây mảnh 9. Khi hệ này được kích thích như trước, mật độ trên quả cầu nhỏ có thể lớn hơn nhiều lần so với quả cầu lớn. Vì cả hai có cùng điện thế, suy ra trực tiếp rằng mật độ trên chúng tỉ lệ nghịch với bán kính cong của chúng. Nếu mật độ của 7 được ký hiệu là d và bán kính là r, thì điện tích là:

\[q = 4 \pi r^2 d\]

điện thế:

\[p = 4 \pi r d\]

và lực hướng ra ngoài, vuông góc với bề mặt:

\[f = 2 \pi d^2\]

Như đã nói, khi d vượt quá 20 đơn vị C.G.S., lực f trở nên đủ mạnh để phá vỡ điện môi và một tia streamer hoặc vầng quang (corona) xuất hiện. Trong trường hợp này:

\[p = 80 \pi\]

Do đó, với một quả cầu bán kính một xăng-ti-mét, sự phá vỡ điện môi xảy ra ở điện thế:

\[p = 80 \pi = 251.328 \text{ E.S. units}\]
hoặc \(75.398,4 \text{ volts}\).

Trên thực tế, phóng điện xảy ra ở điện thế thấp hơn do sự phân bố không đều trên quả cầu nhỏ, mật độ lớn nhất ở phía xa quả cầu lớn. Về mặt này, ứng xử của một dây dẫn nhọn hoàn toàn ngược lại. Về lý thuyết, từ những điều trên có thể suy luận sai rằng các mũi nhọn cho phép điện thoát ra ở điện thế thấp nhất, nhưng điều đó không đúng. Lý do sẽ rõ khi xem Hình 4, trong đó minh họa một dây dẫn hình kim 10, với một phần rất nhỏ của đầu vát được đánh dấu 11. Nếu tách phần này ra khỏi phần lớn 10 và nối điện với nó bằng một sợi dây vô cùng mảnh, điện tích sẽ thoát ra dễ dàng. Nhưng sự hiện diện của 10 lại làm giảm điện dung của 11, khiến cần điện áp cao hơn nhiều để đưa mật độ lên giá trị tới hạn. Vật thể càng lớn, ảnh hưởng này càng rõ, và nó cũng phụ thuộc vào hình dạng, đạt cực đại với hình cầu. Khi vật thể đó có kích thước đáng kể, cần một suất điện động lớn hơn nhiều so với trường hợp thông thường để tạo ra các tia streamer từ mũi nhọn.

Để giải thích hiện tượng có vẻ nghịch lý này, xin lưu ý đến Hình 3. Nếu bán kính của hai quả cầu 7 và 8 lần lượt được ký hiệu là r và R, điện tích của chúng là q và Q, và khoảng cách giữa hai tâm là D, thì điện thế tại 7 do Q, là:

\[\frac{Q}{D}\]

Nhưng quả cầu 7, nhờ liên kết kim loại 9, có điện thế:

\[\frac{Q}{R} – \frac{q}{R}\]

Khi D tương đương với R, môi trường quanh quả cầu nhỏ thường có điện thế không khác mấy so với điện thế của nó, và có thể phải đặt tới hàng triệu vôn trước khi các tia streamer phát ra, kể cả từ những cạnh sắc nhô ra. Điều này rất đáng lưu ý, vì Trái Đất chỉ là một khối cầu dẫn điện khổng lồ. Từ đó suy ra rằng một cột thu lôi nhọn phải được dựng cao hơn mặt đất rất nhiều mới có thể hoạt động; và từ những điều trên, có thể thấy rằng việc làm nhọn đầu — nhằm tạo hiệu ứng phát xạ được cho là có lợi — phần nào bị vô hiệu hóa bởi kích thước tăng dần ở phía dưới đầu nhọn, và cột càng lớn (để giảm điện trở điện cực) thì ảnh hưởng ngược này càng rõ.

Vì những lý do đó, cần lưu ý rằng độ dày đủ lớn của cột để có điện trở điện cực rất thấp khá mâu thuẫn với khả năng phát xạ cao mà cột thu lôi Franklin hình kim theo đuổi; nhưng như sẽ trình bày dưới đây, độ dày đó hoàn toàn là điều mong muốn khi sử dụng phát minh của tôi, nơi cấu tạo đầu cực nhằm ngăn chặn phát xạ điện tích chứ không phải khuyến khích nó.

Quan niệm cho rằng thiết bị của Franklin có hiệu quả trong việc tiêu tán điện tích của mặt đất có thể bắt nguồn từ những thí nghiệm ban đầu với máy ma sát tĩnh điện, khi một mũi kim được cho là có thể nhanh chóng làm mất điện của một vật thể nhiễm điện được cách điện. Nhưng sự không phù hợp của sự thật này với các điều kiện chống sét sẽ rõ khi xem xét những nguyên lý lý thuyết đơn giản liên quan; đồng thời, những nguyên lý đó cũng chứng thực sự cần thiết của việc bảo vệ bằng cách tránh lối thoát điện như vậy. Mật độ ở đầu nhọn f phải tỉ lệ nghịch với bán kính cong của bề mặt, nhưng một điều kiện như vậy là không thể thực hiện được.

Giả sử Hình 4 biểu thị một dây dẫn có bán kính gấp 100 lần bán kính của mũi kim; khi đó, tuy diện tích bề mặt trên một đơn vị chiều dài lớn hơn theo cùng tỉ lệ đó, điện dung chỉ tăng gấp đôi. Như vậy, tuy lượng điện tích trữ gấp đôi, mật độ trên thanh chỉ bằng một phần năm mươi mật độ trên mũi kim; từ đó suy ra rằng mũi kim có hiệu quả cao hơn nhiều. Nhưng khả năng phát xạ của bất kỳ dây dẫn nào như vậy đều bị giới hạn. Hãy tưởng tượng “đầu nhọn” (thực tế là tù hoặc bo tròn) được thu nhỏ dần để ngày càng tiệm cận dạng lý tưởng. Trong quá trình thu nhỏ đó, mật độ sẽ tăng lên khi bán kính cong giảm, nhưng theo một tỉ lệ rõ ràng nhỏ hơn tuyến tính. Mặt khác, diện tích của đầu tận cùng — tức tiết diện mà điện tích đi qua để thoát vào không khí — sẽ giảm theo bình phương của bán kính. Chỉ riêng quan hệ này đã đặt ra một giới hạn xác định cho khả năng của một dây dẫn nhọn, và cần lưu ý rằng điện trở điện cực cũng sẽ tăng lên cùng lúc. Hơn nữa, hiệu quả của cột còn bị suy giảm nhiều do điện thế gây ra bởi điện tích của mặt đất, như đã chỉ ra khi nói về Hình 3.

Những ước lượng thực tế về các đại lượng điện liên quan đến nhiễu loạn tự nhiên còn cho thấy những chức năng được gán cho cột thu lôi nhọn là hoàn toàn bất khả thi. Một đám mây duy nhất có thể chứa:

\[ 2 \times 10^{12} \text{ C.G.S. units} \]

hoặc hơn, cảm ứng xuống mặt đất một lượng tương đương mà nhiều cột thu lôi không thể trung hòa trong nhiều năm. Để nêu một ví dụ cụ thể về những điều kiện có thể phải đối mặt, xin dẫn Electrical World số ra ngày 5 tháng 3 năm 1904, trong đó ghi rằng có một lần khoảng 12.000 cú sét đã xảy ra trong vòng hai giờ, trong bán kính chưa đầy 50 km tính từ nơi quan sát.

Nhưng dù cột thu lôi nhọn hoàn toàn không hiệu quả ở khía cạnh đã nêu, nó lại có đặc tính thu hút sét ở mức độ cao, thứ nhất vì hình dạng của nó và thứ hai vì nó ion hóa và làm cho không khí xung quanh trở nên dẫn điện. Điều này đã được chứng minh không thể chối cãi qua những thử nghiệm dài ngày với máy phát không dây đã nói ở trên, và chính ở điểm này nằm nhược điểm chính của loại thiết bị Franklin.

Tất cả những điều trên cho thấy rằng, vì việc cân bằng điện tích một cách quá mức thông qua các cột thu lôi nhọn là hoàn toàn bất khả thi trong những điều kiện do các thế lực khổng lồ của tự nhiên đặt ra, nên tiến bộ lớn nằm ở việc đạt được xác suất sét đánh tối thiểu cho khu vực cần bảo vệ, kết hợp với khả năng dẫn điện đủ tốt để làm vô hại những cú sét có thể vẫn xảy ra.

Hơn nữa, việc áp dụng đúng đắn những sự thật đã được giải thích ở trên, liên quan đến loại cột thu lôi nhọn quen thuộc, không chỉ chứng thực tính đúng đắn về lý thuyết của hình dạng mà tôi dùng để phát triển thiết bị chống sét cải tiến của mình, mà còn giúp kỹ sư lắp đặt nhận biết đúng đắn những điều kiện do vị trí công trình gây ra — liên quan đến các cấu tạo địa chất xung quanh và các công trình khác, xác suất về hiệu điện thế lớn nhất và mật độ điện tích có thể dự kiến trong điều kiện khí quyển phổ biến ở khu vực, cùng điện trở điện cực và điện dung mong muốn của các thiết bị được lắp đặt.

Như đã nêu, thiết bị cải tiến hoạt động theo cách hoàn toàn trái ngược với kiểu Franklin và do đó an toàn hơn không thể so sánh. Kết quả đạt được bằng việc sử dụng một đầu cực hay bề mặt dẫn điện có bán kính cong lớn và diện tích đủ để mật độ điện tích rất nhỏ, qua đó ngăn chặn rò điện tích và ion hóa không khí. Thiết bị có thể dễ dàng thay đổi về kích thước và hình dạng, nhưng điều thiết yếu là mọi phần dẫn điện bên ngoài của nó phải được bố trí trên một mặt bao lý tưởng có bán kính lớn và phải có tổng diện tích đáng kể.

Các Hình 5 và 7 của bằng sáng chế 1.266.175: vỏ hình elip và cách lắp đặt trên ống khói.

Các Hình 5 và 7: Mặt cắt của một vòm hình elip (12) và cách lắp đặt nó trên một công trình (Hình 7), được thiết kế để kiểm soát mật độ điện tích và ngăn ngừa ion hóa sớm.

Mô tả: Hình ảnh này gồm hai hình (Hình 5 và Hình 7) từ bằng sáng chế thiết bị chống sét của Nikola Tesla (1.266.175, cấp ngày 14 tháng 5 năm 1918). Hình 5 minh họa mặt cắt của một vòm hình elip được dập hoặc tiện (15), một cấu trúc được thiết kế để tiêu tán điện tích, nối với dây nối đất (16). Hình 7 mô tả một ngôi nhà có ống khói và ban công, được trang bị cùng loại vòm đó lắp trên một cột, với các chú thích (14, 16) chỉ ra những bộ phận dùng để tiêu tán điện tích tĩnh và ngăn ngừa sét đánh.

In Các Hình 5, 6, 7 và 8, minh họa nhiều loại đầu cực như vậy và các cách bố trí chúng. Trong Hình 5, 12 là một vỏ kim loại đúc hoặc dập có dạng elip, phía dưới có một ống lót với bạc cách điện 13 bằng sứ hoặc vật liệu cách điện khác, được thiết kế để lắp khít lên một thanh 14, có thể là một dây dẫn sét thông thường.

Các Hình 6 và 8 của bằng sáng chế 1.266.175: đầu cực hình ô và bốn cột nối đất có vỏ bọc.

Các Hình 6 và 8: Minh họa các thiết bị chống sét hình ô của Tesla, cho thấy cấu hình một thiết bị (Hình 6) và cấu hình nhiều thiết bị (Hình 8), cả hai đều được thiết kế để giảm lực nâng ở vùng nhiều gió đồng thời ngăn ngừa hiệu ứng corona và tia streamer.

Mô tả: Hình ảnh này gồm các Hình 6 và 8 từ bằng sáng chế thiết bị chống sét của Nikola Tesla (US 1.266.175, cấp ngày 14 tháng 5 năm 1918). Hình 6 mô tả một công trình có một thiết bị chống sét hình ô (15) nối với dây nối đất (16), được thiết kế để tiêu tán điện tích tĩnh đồng thời giảm lực nâng ở vùng nhiều gió. Hình 8 minh họa một kết cấu phức tạp hơn với nhiều thiết bị chống sét hình ô (18) lắp trên mái, cũng được nối đất, để tăng cường tiêu tán điện tích và bảo vệ chống sét vững chắc trong môi trường nhiều gió.

Hình 6 cho thấy một đầu cực 15 gồm các thanh kim loại bo tròn hoặc dẹt tỏa ra từ một trục trung tâm, được đỡ trực tiếp trên một thanh tương tự và tiếp xúc điện với thanh đó.

Mục đích riêng của loại này là giảm lực cản của gió, nhưng điều thiết yếu là các thanh phải có diện tích đủ để bảo đảm mật độ nhỏ, và cũng phải đủ gần nhau để điện dung tổng gần bằng điện dung của một vỏ liền có cùng kích thước ngoài. Trong Hình 7, một thanh nối đất dạng vòm cupola được mang bởi một ống khói, qua đó phục vụ hai mục đích thực tế: vừa là nắp che, vừa là thiết bị bảo vệ. Có thể dùng bất kỳ loại kim loại nào để chế tạo, nhưng điều không thể thiếu là bề mặt ngoài của nó phải không có cạnh sắc và phần nhô ra, vì từ đó các tia streamer có thể phát sinh.

Theo cách tương tự, các bộ giảm âm, phễu và cánh có thể được cải tạo thành những thiết bị chống sét hiệu quả nếu được trang bị các bộ phận phù hợp hoặc được thiết kế phù hợp với phát minh này. Một biến thể khác được minh họa trong Hình 8, trong đó, thay vì một, có bốn thanh nối đất được trang bị bốn vỏ dập hoặc bộ phận gắn 18 tương ứng, với mục đích rõ ràng là giảm rủi ro.

Từ những điều trên, rõ ràng trong mọi trường hợp đầu cực ngăn chặn rò điện và sự ion hóa không khí đi kèm. Vì mục đích này, việc nó được cách điện hay không không quan trọng. Nếu bị sét đánh, dòng điện sẽ truyền xuống đất dễ dàng, hoặc trực tiếp, hoặc như trong Hình 5, qua một khe hở không khí nhỏ giữa 12 và 14. Nhưng tai nạn như vậy là cực kỳ khó xảy ra, vì ở khắp nơi đều có những điểm nhọn và phần nhô ra mà tại đó điện tích của mặt đất đạt mật độ cao và không khí bị ion hóa. Như vậy, tác dụng của thiết bị cải tiến tương đương với một lực đẩy lùi. Vì vậy, không cần thiết phải đỡ nó ở độ cao lớn, nhưng kết nối đất phải được thực hiện với sự cẩn thận thông thường và dây dẫn tới đó phải có độ tự cảm và điện trở càng nhỏ càng tốt.

Tôi yêu cầu bảo hộ quyền sáng chế như sau:

  1. Thiết bị chống sét gồm một đầu cực trên cao, với các bề mặt dẫn điện bên ngoài được bố trí trên những mặt có bán kính cong lớn theo cả hai chiều, kết hợp với một dây dẫn nối đất có độ tự cảm nhỏ, như đã nêu.
  2. Thiết bị chống sét gồm một vỏ kim loại có bán kính cong lớn và một dây dẫn nối đất có độ tự cảm nhỏ, như đã mô tả.
  3. Thiết bị bảo vệ chống phóng điện khí quyển, bao gồm một kết nối đất có điện trở nhỏ, một dây dẫn có độ tự cảm nhỏ và một đầu cực được mang bởi dây dẫn đó, có bán kính cong lớn theo hai chiều, như đã nêu và cho mục đích đã nêu.
  4. Trong thiết bị bảo vệ chống phóng điện khí quyển, một vỏ kim loại cách điện có bán kính cong lớn được đỡ bởi một dây dẫn nối đất và được tách khỏi dây dẫn đó bằng một khe hở không khí nhỏ, như và cho mục đích đã mô tả.
  5. Thiết bị chống sét bao gồm, kết hợp với nhau, một đầu cực trên cao có diện tích lớn và bán kính cong lớn theo hai chiều, cùng một dây dẫn nối đất có độ tự cảm nhỏ, như đã nêu.
  6. Trong thiết bị bảo vệ chống phóng điện sét, sự kết hợp giữa một mái kim loại trên cao có diện tích lớn và bán kính cong lớn theo hai chiều với một dây dẫn nối đất có độ tự cảm và điện trở nhỏ, như đã mô tả.
  7. Là một sản phẩm chế tạo, một vỏ kim loại có bán kính cong lớn được trang bị một ống lót thích hợp để gắn vào một cột thu lôi, như đã nêu và cho mục đích đã nêu.
  8. Thiết bị chống sét gồm một vỏ kim loại hình elip và một dây dẫn nối đất có độ tự cảm nhỏ, như đã nêu.
  9. Trong thiết bị bảo vệ chống phóng điện khí quyển, một đầu cực kim loại dạng vòm cupola có bề mặt ngoài nhẵn, kết hợp với một dây dẫn nối đất có độ tự cảm và điện trở nhỏ, như đã mô tả.

Để làm bằng chứng, tôi ký tên dưới đây.

Nikola Tesla

Đọc tiếp