峰回路转：解决回路难题
特斯拉依靠严密思考和想象力的结合以完善其无线电力传输的想法。正如我们在第十一章看到的，到1895年早期，特斯拉已做出了一个全球无线电力传输的基本方案。由于电磁波沿直线传播，其携带的能量只有少量有可能到达接收器，因此特斯拉决定最小化其仪器所产生的波而最大化在发射器和接收器之间传送的接地电流（参见图11.6）。此外，特斯拉推测，如果他能产生一个与地球谐振频率同频的接地电流，那么其发射器产生的能量就可以很容易地到达遍布全球的接收器。
然而，尽管采用接地电流的想法看起来很有前途，特斯拉还不得不“探明通过大地和大气传播电流的规律”。75 特斯拉利用休斯顿街实验室的发射器，并再一次在曼哈顿带着一个小的接收器，开始着手确定电振荡如何通过大地传输。他报告说，这些本地测试“使我能够把其在远距离的效应归结为一个简单的电动力学公式或规则。我已经发现这些规律在某些方面是绝对成立的，更进一步的同类试验就不必要了，而其中的主导想法能被用于完善出一台强大的发射器”。76
75 1904 Essay.
76 Fessenden Interference, 58.
不过，虽然特斯拉很满意能找到通过大地传输的公式，他还是对大气中的情形感到困惑。确实，他相信接地电流能把能量从发射器送到接收器，然而是什么完成了从接收器返回发射器的电路？如果拒绝采用电磁波作为在大气中完成电路的方式，那么何以使系统工作？
大约是在1896—1897年，特斯拉被卡住了，他找不到答案。正如他在先前提到的1896年8月的采访中所说的：“最终，经过对所有方法和条件的长时间研究，主要是实验，我得出了几个精确的事实，以及一个实用演示所需的足够的部件，然后就卡壳了，一卡就是三年。”77 他在无线传输上还有些事情可做，但终究无法解决回路难题。
77 “Nicola Tesla on Far Seeing,” 117.
特斯拉在1896年申请的一个专利表明，他那时的工作重点不是在开发一个采用接地电流的系统，而是在改善振荡器以使之能被用于无线照明和为X射线管供电。他还实验了大量电流断续器以便能调节系统中电容器充放电的频率。78
78 参见特斯拉的以下专利：“Apparatus for Producing Electric Currents of High Frequency and Potential,” U.S. Patent 568,176 (filed 22 April 1896, granted 22 September 1896); “Electrical Condenser,” U.S. Patent 567,818 (filed 17 June 1896, granted 15 September 1896); “Apparatus for Producing Ozone,” U.S. Patent 568,177 (filed 17 June 1896, granted 22 September 1896); “Method of Regulating Apparatus for Producing Currents of High Frequency,” U.S. Patent 568,178 (filed 20 June 1896, granted 22 September 1896); “Method of and Apparatus for Producing Currents of High Frequency,” U.S. Patent 568,179 (filed 6 July 1896, granted 22 September 1896); “Apparatus for Producing Electrical Currents of High Frequency,” U.S. Patent 568,180 (filed 6 July 1896, granted 22 September 1896); “Apparatus for Producing Electrical Currents of High Frequency,” U.S. Patent 577,670 (filed 3 September 1896, granted 23 February 1897); “Apparatus for Producing Currents of High Frequency,” U.S. Patent 583,953 (filed 19 October 1896, granted 8 June 1897); “Manufacture of Electrical Condensers, Coils, &；
c.” U.S. Patent 577,671 (filed 5 November 1896, granted 23 February 1897).
由于上述项目中有好几个受益于提高高频电流的电压，因此特斯拉继续通过由大量细线绕成的螺旋线圈来提高电压。79 特斯拉通过采用这些螺旋线圈，于1897年3月为一个在发射器和接收器之间只使用一根导线的新的电力传输系统提交了一个专利（图12.8）。这个系统的特色就是其发射器和接收器，两者在本质上都是变压器。发射器中采用了一个产生高频交流电的发电机。正如在振荡器电路（参见图10.3）中的做法，特斯拉把这个高频电流输入变压器中由几圈重型电缆组成的初级线圈，发射器侧变压器次级线圈则是螺旋线圈。通过在发射器中用几圈粗电缆做初级线圈和用许多细导线做次级线圈，特斯拉就能把电压提到很高的水平。螺旋线圈外侧的终端接地，而线圈中央的终端被连接到一根把电力带到接收器的传输线。在接收器侧，特斯拉创建了一个类似的变压器，只是这次螺旋线圈充当初级线圈而重型电缆充当次级线圈。这就使得电压下降到能适用于普通白炽灯和电动机。80
79 NT, “1899 Experiments,” 76, 79–80.
80 NT, “Electrical Transformer,” U.S. Patent 593,138 (filed 20 March 1897, granted 2 November 1897).
关键部件：
G 交流发电机
C 发射器中变压器的初级绕组
B 发射器中变压器的次级绕组
B′ 接收器中变压器的次级绕组
C′ 接收器中变压器的初级绕组
H 白炽灯
K 电动机//图片来源：NT, “Electrical Transformer,” U.S. Patent 593,138 (filed 20 March 1897, granted 2 November 1897).
在这种方式配置的系统的基础上，特斯拉重新研究起了回路难题。他怎样才能消除连接发射器和接收器的导线以创建一个真正的无线电力系统呢？为解决这一难题，特斯拉重新思考了为什么克鲁克斯管和盖斯勒管在被连接到电源时会发光。在正常大气压力下，多数气体会阻断电传输并充当绝缘体；然而，克鲁克斯为了让管子亮起来，抽空了玻璃管中的大部分气体。在低气压条件下，当高压电流通过时气体会发光。类比推理之后，特斯拉把发射器和接收器之间的导线换成了一个巨型克鲁克斯管。在休斯顿街的实验室，他在发射器和接收器之间建立了一条约15米长的玻璃管道（图12.9）。特斯拉使用真空泵，把玻璃管中的压力降低到了120—150毫米汞柱（8000米高处的大气压力），并发现这能够创建出一条从接收器返回发射器的回路。81 当电力通过大地从发射器传到接收器时，特斯拉假定在排空的管子里有一条回路被建立起来了，这是因为稀薄的空气能允许电流从接收器返回发射器。因此对于特斯拉来说，无线传输的秘密不在于经由大气传输的电磁波（也就是辐射），而在于振荡电流能通过低压气体传导。特斯拉在1898年10月宣布说：“电能量的传输是一种真正的传导，不要将它与现在已被普遍观察到和研究的感应或辐射现象相混淆。”82 在强调电振荡经由传导通过大气时，特斯拉再一次与多数其他发明家和科学家拉开了距离，后者认为赫兹波是一种经由以太传播的辐射。
81 NT, “System of Transmission of Electrical Energy,” U.S. Patent 645,675 (filed 2 September 1897, granted 20 March 1900).
82 “Tesla's System of Electric Power Transmission through Natural Media,” Electrical Review , 26 October 1898 in TC 13:124–126, on 126.
图片来源：tarielkapanadze.ru
在这个展示振荡电流能通过低压气体的实验中真正让特斯拉兴奋的是，这个过程的能效是如此之高；如果电压和频率足够高而气压足够低，那么就能传输大量电力。对于特斯拉来说，“对大气的这些新属性的发现不只是开启了无线传输大量能量的可能性，更为重要的是，它也证实了能以这种方式经济地传输能量。在这个新系统中，距离的影响不大，事实上，可以说毫无影响。在几英里或几千英里上的传输都有效”。83 我们将会看到，对距离影响不大的信念在特斯拉解释他后来进行的测试结果以及对其系统进行宣告的过程中发挥着支配性的作用。
83 NT, “Problem of Increasing Human Energy,” 209–210.
既然能在一个接近真空的管子中建立回路，特斯拉判断也能在空气稀薄的高空做同样的事。84 现在要做的只是把发射器和接收器中的螺旋线圈连接到带有大型金属表面的气球（图12.10）。这些气球漂浮在高空，能使得电流从接收器传回发射器。为了解释特斯拉的新无线系统，《皮尔森杂志》使用了一张描绘气球漂浮在城市天际线的插图（图12.11）。
84 Ibid., 210.
图片来源：NT, “System of Transmission of Electrical Energy,” U.S. Patent 645,675 (filed 2 September 1897, granted 20 March 1900).
图片来源：Chauncey Montgomery McGovern,“The New Wizard of the West,” Pearson's Magazine , May 1899, 470–476, on 470, in TC 14:105–111.
为避免在气球上使用数千米长的线缆，特斯拉相信能采取两个步骤：第一是把系统电压提升到百万伏特级别，第二是把发射器和接收器放在高山顶上。关于第一点，特斯拉开始在休斯顿街的实验室实验如何进一步提高发射器的电压。通过采用由环绕主工作室两圈的重型电缆组成的初级线圈以及他偏爱的螺旋线圈，特斯拉能够把电压提升到250万伏特，并产生约5米长的火花（图12.12）。为了进一步测试系统的电力，他还带着接收器离开实验室，乘船顺哈德森河上溯至西点，看能否接收到来自实验室的电振荡。特斯拉发现，他可以在实验室外约48公里的地方检测到振荡。在这个测试中，特斯拉主要是看能否检测到发射器产生的连续波，因而他并没有发送摩尔斯码消息或声音信号。85
85 关于在休斯顿街的发射器测试，参见：“A Wonderful Possibility in Electric Power Transmission,” Electrical Review , 26 October 1898, p. 262 in TC 13:127–128; “Tesla Would Use Air as Conductor,” New York Herald , 27 October 1897 in TC 13:129. 关于在西点的远距离测试，特斯拉回忆说是发生在1897年，参见：NT, Radio Testimony, 27–28, 67, 108.
图片来源：Electrical Review , supplement, 26 Oct. 1898, in TC 13:127.
尽管这些实验很有突破意义，然而它们没有告诉他最好把发射器放在哪里？在多高的电压和多高的高度上这个系统会工作？要做些什么才能创建一个能“跨越最大陆地距离”的“能传输足够电力的发射器”？86 为回答这些问题，特斯拉意识到他需要建立一个超越纽约实验室的更大的试验站。
86 Fessenden Interference, 36–37.
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