Из вышеописанного эксперимента очевидно, что когда обычные лампы питаются от преобразованного тока, лучше взять те, у которых платиновые проволочки находятся далеко друг от друга, и не следует использовать слишком высокие частоты, иначе может возникнуть разряд на концах нити накала или в основании лампы между вводными проводами, и лампа испортится.
Предоставляя вам результаты своего исследования рассматриваемого предмета, я лишь вскользь упомянул многие факты, о которых я мог бы рассказывать очень долго, и из огромного множества наблюдений я выбрал лишь те, которые, как мне казалось, будут вам наиболее интересны. Эта область очень обширна и совершенно не изучена, и на каждом шагу открывается что-то новое, встречаются новые факты.
Будущее покажет, насколько обнаруженные результаты получат практическое применение. Что же касается получения света, то некоторые из достигнутых уже результатов весьма ободряющие, и они убеждают меня в том, что практическое осуществление задачи лежит именно в том направлении, на которое я старался обратить внимание. И все же, какова бы ни была сиюминутная польза от этих экспериментов, я надеюсь, что они помогут подняться еще на одну ступень в продвижении к идеальному и законченному решению. Возможности, открываемые современными исследованиями, настолько огромны, что даже самые сдержанные должны ощутить оптимизм при взгляде в будущее. Выдающиеся ученые считают задачу использования одного вида излучения отдельно от других целесообразной. В аппарате, созданном для производства света путем преобразования любой формы энергии в энергию света подобный результат получить невозможно, потому что неважно, каким способом получают необходимые колебания, будь они электрическим, химическим или каким-либо другим, невозможно будет получить более высокочастотные световые колебания, не пройдя через более низкие тепловые. Задача состоит в придании телу определенной скорости не проходя через все меньшие скорости. Но существует возможность получения энергии не только в форме света, но и в форме движущей силы, и в виде любых других форм энергии, неким более прямым способом от среды. Наступит время, когда эта задача будет решена, и придет время, когда кто-нибудь сможет произнести эти слова перед просвещенной аудиторией, и на него не будут смотреть как на мечтателя. Мы кружимся в бесконечном пространстве с невероятной скоростью, все вокруг нас вращается, все движется, повсюду энергия. олжен существовать какой-то способ, чтобы мы могли воспользоваться этой энергией более непосредственным образом. И когда, наконец, из среды будет получен свет, когда будет получена нергия, когда любую форму энергии люди будут получать без особых усилий из неисчерпаемого вечно существующего источника, человечество пойдет вперед гигантскими шагами. Одно только предположение о таких чудесных возможностях будоражит наши умы, укрепляет наши надежды и наполняет наши сердца величайшей радостью.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ПЕРЕМЕННЫМИ ТОКАМИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ*
У меня нет слов, чтобы выразить, сколь глубоко я ощущаю честь выступить перед выдающимися мыслителями нашего времени, а также перед столь многими талантливыми учеными, инженерами и электротехниками этой страны — величайшей по своим научным достижениям.
Результаты, которые я имею честь предложить вниманию уважаемой аудитории, я не могу назвать моими собственными. Среди вас найдется немало людей, которые с большим основанием, нежели я, могут поставить себе в заслугу то или иное научное достижение, содержащееся в данной работе. Я думаю, нет необходимости упоминать многие имена, известные во всем мире, — имен тех из вас, кто являются признанными лидерами в этой прекрасной науке; но по меньшей мере одно я упомянуть должен — это имя, которое не может быть обойдено молчанием при подобной демонстрации. Он о связывается с самым прекрасным изобретением, когда-либо сделанным: это Крукс!
Когда я еще учился в колледже, а было это довольно давно, я прочел, правда в переводе (в то время я еще недостаточно хорошо владел вашим замечательным языком), описания его экспериментов по излучающей материи. Я прочел их всего лишь раз в своей жизни — именно тогда, — но и по сей день я могу вспомнить каждую подробность этой выдающейся работы. И мало таких книг, позвольте сказать, которые могут произвели столь глубокое впечатление на ум студента.
Но если я по нынешнему случаю упоминаю это имя как одно из тех, которыми может гордиться ваш институт, то потому, что у меня есть на то более, чем одна причина. Потому что то, что я намереваюсь вам рассказать и показать сегодняшним вечером, по большому счету относится к тому самому непонятному миру, который так искусно исследовал профессор Крукс. И более того, когда я пытаюсь восстановить ход моих мыслей и проанализировать, что же привело меня к этим результатам, — которые даже я сам не могу рассматривать как незначительные, поскольку они получили столь высокую оценку с вашей стороны, — я понимаю, что истинной причиной, которая подвигнула меня на работу в этом направлении и привела к этим результатам, после долгого периода постоянных размышлений, была та небольшая захватывающая книга, которую я прочитал много лет назад.
А теперь, когда я сделал слабую попытку выразить ему свое почтение и признательность, равно как и вам, моя вторая попытка — привлечь Ваше внимание — я надеюсь, окажется не столь слабой.
Позвольте в нескольких словах представить Вам предмет моего выступления.
Не так давно я имел честь представить Американскому Электротехническому Институту некоторые результаты, полученные мной к тому времени в новом направлении. Думаю, нет необходимости убеждать Вас в том, что многочисленные проявления интереса к этой работе со стороны английских ученых мужей и инженеров были для меня большой наградой и ободрили меня. Я не буду глубоко вдаваться в уже описанные эксперименты, за исключением тех случаев, когда возникнет необходимость представить в завершенном виде, или более четко изложить, некоторые идеи, которые я выдвигал ранее, или же чтобы придать исследованиям, представляемым здесь, законченность, а моим замечаниям по теме сегодняшней лекции — согласованность.
Разумеется, эти исследования касаются переменных токов, а точнее, переменных токов высокого потенциала и высокой частоты. Насколько важна очень высокая частота для получения представляемых результатов — это вопрос, на который мне трудно ответить даже при всем моем опыте в этой области. Некоторые эксперименты можно провести при низких частотах, но очень высокие частоты предпочтительнее, и не только потому, что с их помощью было получено множество эффектов, но и как удобное средство получения, применяя индукционное устройство, высоких потенциалов, которые в свою очередь необходимы для получения большинства из экспериментов, которые я намереваюсь здесь продемонстрировать.
Среди множества направлений в изучении электричества, возможно, наиболее интересным и многообещающим является то, которое касается переменного тока. В этом направлении за последние годы прогресс оказался настолько велик, что оправдывает самые оптимистичные надежды. Вряд ли мы хотя бы один факт стал нам близко знаком и привычен, когда мы сталкиваемся с новым опытом, и новые открываются новые широкие дороги для исследований. Даже прямо сейчас мы лишь частично осознаем открываемые применением этих токов возможности, о которых раньше нельзя было даже мечтать. Как в природе все приходит и уходит, есть приливы и отливы, все есть волновое движение, так по-видимому и во всех отраслях индустрии всем правят переменные токи — электрическое волновое движение.
Возможно, одной из причин, почему этот раздел науки получил столь быстрое развитие, стал интерес к ее экспериментальному изучению. Мы наматываем на простое железное кольцо катушки; подключаем к генератору, и с удивлением и восхищением обнаруживаем эффекты загадочных сил, которые мы вызвали к действию, сил, которые позволяют нам преобразовывать, передавать и направлять энергию так, как нам захочется. Мы собираем соответствующие электрические цепи и видим, как масса железа и проводов ведет себя как будто она наделена жизнью, посредством невидимых связей вращая тяжелый якорь с огромной силой и скоростью — и от энергии, получаемой, возможно, с большого расстояния. Мы наблюдаем, как проявляет себя энергия проходящего через провод переменного тока, — и не столько в самом проводе, сколько в окружающем пространстве, — самым удивительным образом, принимая формы тепла, света, механической энергии, и, что самое удивительное из всего, химического сродства. Все эти наблюдения очаровываю нас, и вызывают в нас сильнейшее желание узнать больше о природе этих явлений. Каждый день мы идем на работу с надеждой на открытие, с надеждой на то, что кто-то, не важно кто, сможет решить одну из множества больших проблем, ожидающих решения. И каждый раз на следующий день мы возвращаемся к нашим задачам с еще большим рвением. И даже когда наши усилия остаются безуспешными, наша работа не пропадает впустую, поскольку во всех этих усилиях и стараниях мы провели множество часов непередаваемого наслаждения, и наша энергия была направлена на благо человечества.
Мы можем выбрать — если Вы захотите, наугад, — любой из множества экспериментов, которые можно провести с переменными токами. Из них только несколько, причем никоим образом не самые впечатляющие, составляют предмет этой демонстрации нынешним вечером. Все они в равной мере интересны, и в равной мере наталкивают на размышления.
Вот простая стеклянная трубка, из которой частично выкачан воздух. Я беру ее в руку; я привожу свое тело в контакт с проводом, несущим переменные токи высокого потенциала, и трубка в моей ярко сияет. В какое бы положение я не поместил ее, куда бы я ее не переместил в пространстве — докуда я могу дотянутся, — приятный свет продолжает светить с неослабевающей яркостью.
Вот откачанная колба, подвешенная на одном проводе. Я становлюсь на изолированную подставку, хватаюсь за нее рукой, и платиновый электрод, вмонтированный в нее, ярко раскаляется.
Вот другая колба, подключенная к вводному проводу, которая как только я прикасаюсь к ее металлическому патрону, заполняется величественными цветами фосфоресцирующего света.
А вот еще одна, которая от прикосновения моих пальцев отбрасывает тень — тень Крукса, от ножки внутри нее.
Вот вновь, изолируясь как только встаю на изолированную подставку, я устанавливаю контакт между моим телом и одной из клемм вторичной обмотки индукционной катушки, — длина этого провода катушки составляет несколько миль, — и вы видите, как бьют лучи света из ее дальнего конца, который начинает сильно вибрировать.
А вот сейчас я подсоединяю эти две пластины из проволочной ткани к клеммам катушки, располагаю их на некотором расстоянии друг от друга, и подаю на катушку ток. Вы можете видеть прохождение маленьких искр между пластинами. Я помещаю между ними толстую пластину из одного из лучших диэлектриков, и при этом, вместо прекращения потока искр, как мы привыкли ожидать, я вызываю прохождение разряда, который, по мере того, как я вставляю пластину, только меняет свой вид и принимает форму светящихся потоков.
Позвольте Вас спросить, может ли быть ли что-нибудь более интересное, нежели исследование переменных токов?
Во всех этих исследованиях, во всех этих экспериментах, которые очень, очень интересны, вот уже на протяжении многих лет — с тех пор как величайший экспериментатор, который выступал в этом зале, открыл ее принцип, — вместе с нами наш постоянный спутник, приспособление, известное всем и каждому, некогда игрушка, а ныне предмет необычайной важности — индукционная катушка. Нет приспособления дороже электротехнику. От самого знающего из вас, осмелюсь сказать, до неопытного студента, до вашего докладчика, все мы пропели много прекрасных часов экспериментируя с индукционной катушкой. Мы наблюдали ее в действии, и немало думали и размышляли над прекрасными явлениями, которые она открывала нашим восхищенным взорам. Это устройство стало настолько известным, настолько знакомы эти явления для всех, что мужество несколько покидает меня, когда я подумаю, что решился выступать перед столь знающей аудиторией, что отважился развлечь вас все той же старой темой. Здесь перед вами на самом деле тот же самый аппарат и те же самые явления, только аппарат будет работать несколько иначе, и явления предстанут в другом аспекте. Некоторые результаты этих опытов мы находим такими, какими и ожидали, некоторые удивляют нас, но все пленяют внимание, потому что в научном исследовании каждый новый полученный результат может стать центром нового направления, каждый новый познанный факт может привести к важным выводам.
Обычно при работе с индукционной катушкой мы вызываем в первичной обмотке колебания небольшой частоты при помощи либо прерывателя или размыкателя, либо генератора переменного тока. Ранние английские исследователи, достаточно упомянуть только Спотсвуда и Гордона, использовали соединенный с катушкой быстрый размыкатель. Наши сегодняшние знания и опыт позволяют ясно увидеть, почему катушки в условиях тех испытаний не являли каких-либо значительных явлений, и почему сильным экспериментаторам не удалось заметить множество удивительных эффектов, которые наблюдались впоследствии.
В таких экспериментах как сегодняшний мы питаем катушку либо от генератора переменного тока специальной конструкции, который может давать многие тысячи обращений тока в секунду, либо пробойно разряжая конденсатор через первичную обмотку. При этом мы вызываем в во вторичной обмотке колебания с частотой во много сотен тысяч, а если захотим — то и в миллионы, в секунду. И используя любой из этих способов мы вступаем в область еще не изученную.
Так не бывает, чтобы исследования в какой-либо новой области не привели бы к какому- нибудь интересному наблюдению или заслуживающему внимания факту. Тому, что это утверждение в полной мере применимо к предмету настоящей лекции, служит убедительным доказательством то множество интереснейших и неожиданных явлений, которые мы наблюдаем. В качестве иллюстрации можно привести например самые очевидные явления, явления разряда индукционной катушки.
Вот катушка, работающая от токов, колеблющихся с огромной быстротой, получаемых с помощью пробойного разряда Лейденской банки. У студента не вызовут удивление, если лектор скажет, что вторичная обмотка этой катушки состоит из небольшой длины сравнительно толстого провода; не удивит его и если лектор сообщит, что несмотря на это, катушка может давать любое напряжение, какое только способна выдержать лучшая изоляция витков. Но даже если студент может быть подготовлен или даже индифферентен к результату, все же вид разряда катушки удивит и заинтересует его. Каждый знаком с разрядом обычной катушки; воспроизводить его здесь не нужно. Но вот, для контраста, форма разряда катушки, в первичный ток которой колеблется несколько сотен тысяч раз в секунду. Разряд обычной катушки имеет форму линии или полосы света. Разряд этой катушки возникает в форме мощных щеток и светящихся потоков, исходящих изо всех точек двух прямых проводов, подключенных к клеммам вторичной обмотки (Рис. 1).
А теперь сравните это явление, свидетелями которого Вы только что были, с разрядом машины Гольца или Вимшурста — еще одного интересного устройства, столь дорогого экспериментатору. Какая разница между этими явлениями! И еще, сделай я необходимые приготовления, — а сделать их было бы довольно непросто, не мешай это другим экспериментов, — я мог бы произвести с помощью этой катушки искры, которые, спрячь я от Ваших взоров катушку оставив видимыми только шары, даже самый внимательный наблюдатель из Вас, с трудом смог бы, если смог бы вообще, отличить бы от искр инфлюационной [электрофорной] или фрикционной машины. Это можно сделать многими путями — например, с используя индукционную катушку, которая заряжает конденсатор от генератора переменного тока очень низкой частоты, при этом желательно настроив разрядную цепь так, чтобы в ней не возникали колебания. Тогда мы получаем на вторичной цепи, при условии, разумеется, что шары нужного размера и установлены правильно, более или менее быструю последовательность искр огромной интенсивности и малого количества, столь же яркие и сопровождающиеся таким же звуком, напоминающим треск, как и получаемые от фрикционной или инфлюационной [электрофорной] машины.
Другой способ — это пропустить через две первичные цепи, имеющие общую вторичную, токи, имеющие слегка разный период, что производит во вторичной цепи искры, возникающие через сравнительно долгие интервалы. Но у меня может получиться имитировать искру машины Гольца даже с помощью тех средств, которыми есть под рукой в этот вечер. Для этого я установлю между выводами катушки, заряжающей конденсатора, длинную неустойчивую дугу, которая периодически прерывается производимым ею восходящим потоком воздуха. Чтобы усилить поток воздуха, я помещаю на каждой стороне дуги близко к ней по большой пластине слюды. Конденсатор, заряжающийся от этой катушки, разряжается в первичную цепь второй катушки через небольшой воздушный зазор, который необходим для того, чтобы обеспечить резкий всплеск тока через первичную. Схема соединений данного эксперимента показана на Рис. 2. G — обычный генератор переменного тока, который подает ток на первичную обмотку Р индукционной катушки, вторичная обмотка S которой заряжает конденсаторы или банки С С. Выводы вторичной обмотки подключены к внутренним обкладкам банок, а внешние обкладки подключены к концам первичной обмотки р р второй индукционной катушки. В первичной р р имеется небольшой воздушный зазор а b.
Вторичная обмотка S этой катушки снабжена двумя шарами или сферами К К соответствующего размера, установленных на подходящем для этого эксперимента расстоянии.
Между выводами А В первой индукционной катушки устанавливается дуга. ММ — слюдяные пластины.
Каждый раз, когда дуга между точками А и В прерывается, банки быстро заряжаются и разряжаются через первичную обмотку р р, производя проскакивающую с треском между шарами К К искру. Когда между точками А и В устанавливается дуга, потенциала падает, и банки не могут зарядиться до такого потенциала, чтобы пробить воздушный зазор а b, до тех пор, пока воздушный поток вновь не разорвет дугу.
Таким образом, в первичной обмотке р р получаются резкие импульсы с большими интервалами, которые дают во вторичной обмотке S соответствующее количество импульсов большой мощности. Если шары или сферы К К имеют подходящий размер, то искры обнаруживают большое сходство с искрами от машины Гольца.
Но эти два эффекта, которые для глаза представляются столь различными, это лишь два из огромного множества разрядных эффектов. Стоит нам лишь слегка изменить условия испытания, и мы снова получим новые интересные наблюдения.
Если вместо запитывания индукционной катушки как двух в последних экспериментах, мы запитаем ее от генератора переменного тока очень высокой частоты, как в следующем эксперименте, то систематическое изучение этих явлений станет значительно намного легче. В этом случае, при изменении силы и частоты тока через первичную обмотку, мы можем наблюдать пять различных форм разрядов, которые я описывал в своей предыдущем выступлении по данной теме* перед Американским Электротехническим Институтом 20 Мая 1891 г.
Воспроизведение перед Вами всех этих форм разрядов заняло бы очень много времени и слишком далеко увело бы нас от основной темы сегодняшнего вечера, но одну из них мне все-таки хотелось бы вам показать. Это кистевой электрический разряд, который интересен более чем в одном отношении. При рассмотрении вблизи он очень напоминает струю газа, выходящего под большим давлением. Мы знаем, что это явление возникает благодаря возбуждению молекул вблизи контакта, и ожидаем, что должно будет образовываться некоторое тепло от столкновений молекул с контактом или друг с другом. И в самом деле, мы обнаруживаем, что кисть горячая, и даже непродолжительные размышления приводят нас к заключению, что если бы мы только смогли достичь достаточно высоких частот, то могли бы получить кисть, которая бы давала сильный свет и тепло, и которая во всех отношениях напоминала бы обычное пламя, за исключением, возможно, того, что эти два явления могут обуславливаться не одним и тем же агентом, — за исключением того, что химическое сродство может не быть электрическим по своей природе.
Поскольку образование света и тепла здесь обусловлено воздействием молекул или атомов воздуха, или чего-то еще помимо этого, и поскольку мы можем увеличивать энергию простым повышением потенциала, то, даже при частотах, получаемых от динамо машины, мы могли бы усилить эффект до такой степени, что нагрели бы контакт до плавления. Но при столь низких частотах нам постоянно пришлось бы иметь дело с чем-то, относящимся к природе электрического тока. Если я поднесу предмет из проводящего материала к кистевому разряду, то проскочит маленькая тонкая искра, хотя даже при тех частотах, которые мы используем здесь сегодня, тенденция к образованию искр не очень велика. Так, например, если я буду держать металлическую сферу на определенном расстоянии над контактом, то Вы сможете увидеть, что все пространство между контактом и сферой освещено потоками без прохождения искр; и даже при гораздо более высоких частотах, которые можно получить с помощью пробойного разряда конденсатора — не будь это для мощных импульсов, которые относительно немногочисленны, — искрения не возникает даже на очень небольших расстояниях. Однако при несравнимо более высоких частотах, которые мы еще может быть найдем способы эффективно получать, и при условии, что эти электрические импульсы таких высоких частот могут передаваться через проводник, электрические характеристики кистевого электрического разряда исчезнут полностью — не будет никаких искр, не будет ощущаться никакого удара электрическим током, — и это несмотря на то, что при этом мы будем продолжать иметь дело с электрическим явлением, но в широком, современном понимании этого слова. В своем первом выступлении, о котором уже упоминалось, я отмечал любопытные свойства кистевого разряда и описывал наилучший метод его получения, но я подумал, что мне есть смысл более точно выразиться относительно этого явления, потому что оно приобретает все больший и больший интерес.
Когда на катушку подаются токи очень высокой частоты, даже если это катушка сравни- тельно малых размеров, можно получить прекрасные по красоте эффекты кистевого разряда. Экспериментатор может по-разному менять их, и даже сами по себе они являются прекрасным зрелищем. Что делает их еще ин- тереснее это что их можно получать как с од- ного вывода, так и с двух — на самом деле, с одной даже лучше, чем с двух.
Но наиболее красивы для глаз, наиболее поучительны изо всех наблюдаемых разрядных явлений те, которые происходят, когда на катушку подается пробойный разряд конденсатора. Если все параметры аккуратно отрегулированы, мощность кистей, обилие искр производят часто изумительное впечатление. Даже с очень маленькой катушкой, если она изолирована настолько хорошо, что может выдерживать разность потенциалов в несколько тысяч вольт на виток, искры могут быть столь обильными, что вся катушка кажется единой массой огня
Довольно любопытно, что когда выводы катушки расположены на значительном расстоянии, кажется, искры разлетаются во всех возможных направлениях, как будто контакты совершенно независимы друг от друга. Поскольку искры могут быстро разрушить изоляцию, это нужно предотвратить. Лучше всего погрузить катушку в какой-нибудь хороший жидкий изолятор, например, в прокипяченное масло. Погружение в жидкость можно считать практически абсолютно необходимым условием для ее надежной и продолжительной работы.
Разумеется, невозможно в рамках одной экспериментальной лекции, когда в распоряжении лектора всего несколько минут для проведения каждого эксперимента, показать эти разрядные явления наилучшим образом, так как чтобы получить каждое из явлений в его наилучшем виде, требуются очень тщательные настройки. Но даже если они получатся не самым лучшим образом, как вероятно будет сегодня, они достаточно впечатляющи, чтобы заинтересовать такую аудиторию.
Перед тем как продемонстрировать Вам некоторые из этих любопытных эффектов, я должен для полноты картины дать краткое описание катушки и других устройств, используемых в сегодняшних экспериментах с пробойным разрядом.
Она находится внутри ящика В (Рис. 3) из толстых досо к прочного дерева, с внешней стороны покрытого цинковым листом Z, который плотно спаян со всех сторон. В точных научных исследованиях, когда очень важна точность, рекомендуется рекомендуется обходиться без металлического покрытия, поскольку оно может стать причиной многочисленных ошибок, в основном из-за его сложного воздействия на катушку как в роли конденсатора очень малой емкости, так и в качестве электростатического и электромагнитного экрана. Когда катушка используется в таких экспериментах, как сегодняшние, применение металлического покрытия дает ряд практических преимуществ, но они не настолько важны, чтобы в них вдаваться.
Катушка должна располагаться в ящике симметрично по отношению к металлическому покрытию, и пространство между катушкой и покрытием, конечно, должно быть не слишком маленьким, скажем, не меньше пяти сантиметров, а если возможно, то и больше. И особенно те две стороны цинкового ящика, которые расположены под прямыми углами к оси катушки, должны быть достаточно далеко последней, иначе они могут существенно ухудшить ее работу и стать источником потерь.
Катушка состоит из двух бобин из твердой резины R R, разнесенных на расстояние 10 сантиметров друг от друга при помощи болтов С и гаек n, тоже из твердой резины. Каждая бобина состоит из трубки Т с внутренним диаметром около 8 сантиметров и толщиной 3 миллиметра, на которую навинчены два фланца F F, квадраты [со стороной] 24 сантиметра, расстояние между фланцами около 3 сантиметров. Вторичная обмотка S S, намотанная из лучшего провода с гуттаперчевым покрытием, имеет 26 слоев, по 10 витков в каждом, что в сумме для каждой половины составляет 260 витков. Две половины обмотки намотаны противоположно друг другу и соединены последовательно, причем соединение обеими частей сделано через первичную обмотку. Такое расположение частей, помимо того, что оно удобно, имеет еще то преимущество, что когда катушка хорошо сбалансирована, — то есть когда оба ее вывода T1 T1 подсоединены к телам либо устройствам одинаковой емкости, — то опасность возникновения пробоя через первичную обмотку практически сводится на нет, и не обязательно делать толстой изоляцию между первичной и вторичной обмотками. При использовании этой катушки желательно подключать к обеим ее выводам устройства с примерно одинаковой емкостью, поскольку если емкость выводнов разная, то велика вероятность прохождения искр на первичную обмотку. Чтобы этого избежать, можно соединить среднюю точку вторичной обмотки с первичной, но это не всегда осуществимо.
Первичная обмотка РР намотана из двух частей, противоположно, на деревянную бобину W, и все четыре вывода выведены наружу через слой масла по толстым трубкам из твердой резины tt. Выводы вторичной обмотки Тj Tj также выведены наружу через масло по очень толстым резиновым трубкам t1t1. Слои первичной и вторичной обмоток изолированы хлопковой тканью, разумеется, в некоторой пропорции по толщине от разности потенциалов между витками различных слоев. Каждая половина первичной обмотки состоит из четырех слоев, по 24 витка в каждом, что в сумме составляет 96 витков. Когда обе части первичной обмотки соединяются последовательно, это дает коэффициент преобразования примерно 1:2.7, а когда параллельно, то 1:5.4. Однако при работе с очень быстро переменяющимся током этот коэффициент не дает даже примерного представления об отношении электродвижущих сил в первичной и вторичной цепях. Катушка удерживается в своем положении в масле на деревянных опорах, причем толщина масляного слоя повсюду вокруг катушки составляет около 5 сантиметров. Когда масло не обязательно, пространство вокруг катушки заполняется кусочками дерева, и для этого главным образом и используется деревянный ящик В, который все окружает.
Разумеется, представленная здесь конструкция далеко не лучшая по общим принципам, но я считаю, что она достаточно хороша и удобна для воспроизведения эффектов, в которых нужны очень большой потенциал и очень малый ток.
Совместно с катушкой я использую разрядник либо обычного вида, либо модифицирован- ного. В первый я внес два изменения, которые обеспечивают некоторые преимущества, и кото- рые очевидны. Если я и упоминаю о них, то только в надежде, что какой-нибудь экспериментатор найдет их полезными.
Одно из изменений, это что регулируемые шары Аи В (Рис. 4) разрядника удерживаются в латунных зажимах JJ давлением пружины, что позволяет поворачивать их разными сторонами, тем самым избавляя экспериментатора от нудной процедуры частой их полировки.
Другое изменение состоит в использовании сильного электромагнита N S, который располагается так, чтобы его ось находилась под прямыми углами к линии, соединяющей шары А и В, и создает между ними сильное магнитное поле. Полюсные части магнита двигаются и имеют такую форму, что высовываются между латунными шарами, чтобы создавать поле насколько возможно интенсивное; а для того, чтобы на магнит не проскочил разряд, его полюсные части защищены слоем слюды М М достаточной толщины. Sj Sj и S2S2 —это болты для крепления проводов. С каждой стороны один из болтов предназначен для крепления большого провода, а другой малого. L L — болты для фиксирования в определенном положении стержней R R, на которых держатся шары.
В другой компоновке с магнитом я беру разряд между самими закругленными полюсными частями, которые в этом случае покрываются изоляцией и желательно снабжаются отполироваными латунными набалдашниками.
Применение мощного магнитного поля дает определенные выгоды главным образом когда индукционная катушка или трансформатор, от который заряжает конденсатор, работает от токов очень низких частот. В этом случае количество основных разрядов между шарами может оказаться настолько мало, что получаемый во вторичной обмотке ток для многих экспериментов не подходит. Мощное магнитное поле служат тогда чтобы гасить дугу между шарами, как только та формируется, и основные разряды идут в более быстрой последовательности.
Вместо магнита с определенным успехом можно использовать и воздушную тягу или поддув. В этом случае дуга предпочтительно устанавливается между шарами А В, на Рис. 2 (шары а b либо соединены, либо вообще убраны), поскольку при таком расположении дуга длинная и нестабильная, и легко поддается воздействию потока воздуха.
Если для прерывания дуги применяется магнит, то выбрать соединение, показанное схематически на Рис. 5, поскольку в этом случае токи, образующие дугу, гораздо мощнее, и магнитное поле оказывает огромное влияние. Использование магнита позволяет заменить дугу вакуумной трубкой, но при работе с откачанной трубкой я столкнулся с огромными трудностями.
На Рис. 6 и 7 показана другая форма разрядника, используемого в этих и схожих с ними экспериментах. Он состоит из множества латунных элементов С С (Рис. 6), каждый из которых имеет сферическую среднюю часть m, продолговатую нижнюю часть е, — она служит только для крепления детали в токарном станке во время полировки разрядной поверхности, — и верхнюю часть. Верхняя часть состоит из выпуклого фланца f, заканчивающегося стрежнем l с резьбой. На него навинчивается гайка n, при помощи которой к верхней части разрядника крепится провод. Фланец f служит, чтобы держать латунную деталь когда крепится провод, а также для поворачивания в любую сторону, когда нужно подставить свежую разрядную поверхность. Две толстые резиновые полоски R R (Рис. 7) с желобками g g, вырезанными под средние части С С деталей, служат для более плотного закрепления деталей в своем положении при помощи двух болтов С С (на рисунке представлен только один из них), проходящих через концы резиновых полосок.
Я обнаружил три очень важных преимущества, которые дает использование такого типа разрядника по сравнению с разрядником обычной формы. Во-первых, если вместо одного воздушного зазора есть множество мелких, то диэлектрическая прочность воздушного промежутка той же суммарной толщины значительно возрастает, что позволяет работать с меньшей длиной воздушного зазора, а это означает меньшие потери и меньший износ металла. Во-вторых, по причине разделения одной большой дуги на множество меньших дуг полированные поверхности служат значительно дольше. И в-третьих, этот аппарат позволяет выполнять определенную калибровку в ходе экспериментов. Обычно я при помощи листов однородной толщины выставлял элементы на определенном очень маленьком расстоянии, для которого из экспериментов сэра Вильяма Томсона известна определенная электродвижущая сила, требующаяся для искрового пробоя через него.
Разумеется, следует помнить, что с увеличением частоты значительно уменьшается искровой промежуток. Беря любое количество зазоров, экспериментатор получает грубое представление об электродвижущей силе и может легче повторять эксперимент, поскольку без проблем может вновь и вновь выставлять зазор между набалдашниками. При помощи разрядника такого тина мне удавалось поддерживать колебания, при которых невооруженным глазом никаких искр между набалдашниками не наблюдалось, и не происходило сильно ощутимого повышения их температуры. Оказалось также, что такая форма разрядника хорошо подходит для использования во множестве схем с конденсаторами и цепями, которые часто очень удобны и экономят время. Я в основном использовал его в схемах, схожих с представленным на Рис. 2, когда образующие дугу токи малы.
Здесь можно было бы упомянуть опробованные мной разрядники с одним или со множеством воздушных зазоров, у которых разрядные поверхности с большой скоростью вращались вокруг своей оси. Однако этот метод не дал никаких особенных преимуществ, за исключением тех случаев, когда токи от конденсатора были большими, и нужно было поддерживать разрядные поверхности холодными, а также в случаях, когда разряд сам не осциллировал, и дуга, как только она устанавливалась, прерывалась потоком воздуха, тем самым приводя к быстрой последовательности колебаний. Я также применял многочисленными способами и механические прерыватели. Для избежания трудностей с фрикционными контактами в была подобрана следующая предпочтительная схема: установить дугу и вращать через нее с большой скоростью слюдяной обод с большим количеством отверстий, закрепленный на стальной пластине.
Понятно конечно, что использование магнита, потока воздуха, или другого прерывателя производит достойный упоминания эффект, только если между самоиндукцией, емкостью и сопротивлением нет такого соотношения, что есть колебания, которые устанавливаются после каждого прерывания.
А сейчас я постараюсь показать Вам некоторые из наиболее интересных среди этих разрядных явлений.
Я натянул вдоль комнаты два обычных провода, покрытых хлопковой изоляцией, каждый длиной около 7 метров. Они поддерживаются на изолированных шнурах на расстоянии примерно 30 сантиметров. А сейчас я подключаю к каждому выводу катушки один из проводов и включаю ее. Если в комнате выключить освещение, то Вы увидите, что провода ярко освещены потоками света, исходящими изо всей их поверхности проводов несмотря на хлопковую изоляцию, которая даже может быть довольно толстой. Если эксперимент проводится при хороших условиях, то интенсивность света от проводов позволяет различать предметы в комнате. Для наилучшего результата, разумеется, нужно тщательно отрегулировать емкость банок, дугу между сферами и длину проводов. По своему опыту могу сказать, что в данном случае расчет длины приводов не дает вообще никакого результата. Самое лучшее, что может сделать экспериментатор, это изначально взять провода очень большой длины и постепенно отрезать от них куски, сначала длинные, затем меньше и меньше — до тех пор, пока не дойдет до правильной длины.
В этом и схожих с ним экспериментах довольно удобно задействовать конденсатор очень малой емкости, состоящий из двух небольших регулируемых металлических пластин. В этом случае я беру провода значительно короче и первоначально устанавливаю пластины конденсатора на максимальном расстоянии друг от друга. Если при сближении пластин конденсатора интенсивность света возрастает, то это означает, что длина проводов близка к оптимальной, если же свечение уменьшается, то длина проводов слишком велика для данной частоты и потенциала. Если в экспериментах с такой катушкой применяется конденсатор, то это всегда должен быть масляный конденсатор, потому что если использовать воздушный конденсатор, то возможны значительные потери энергии. Провода, подходящие к пластинам, находящимся в масле, должны быть очень тонкими, покрыты толстым слоем какого-нибудь изоляционного материала, и с проводящей оплеткой — она должна желательно идти и под поверхностью масла. Проводящая оплетка не должна быть слишком близко к клеммам, или концам, провода, иначе с провода на нее может пройти искра. Проводящее покрытие служит для уменьшения воздушных потерь, благодаря тому, что играет роль электростатического экрана. Что касается размеров сосуда, в котором находится масло, и размеров пластин, то даже грубая проба сразу же даст экспериментатору представление о том, какими они должны быть. Тем не менее, размеры пластин в масле можно рассчитать, поскольку диэлектрические потери очень малы.
В предыдущем эксперименте было бы весьма интересно узнать, как зависит количество излучаемого света от частоты и потенциала электрических импульсов. Мое мнение, что производимые тепловой как и световой эффекты должны быть пропорциональны, — при прочих равных условиях испытания, — произведению частоты на квадрат потенциала, но экспериментальное подтверждение этого закона, как бы оно ни проводилось, было бы чрезвычайно трудным. Во всяком случае, ясно одно: при увеличении потенциала и частоты мы быстро усиливаем интенсивность потоков света; и, хотя это и звучит может быть излишне обнадеживающе, в целом можно надеяться, что в разработке и практическом производстве таких источников света можно добиться успеха. Тогда мы будем просто использовать горелки или огни, в которых не происходит никаких химических процессов, в которых не происходит никаких затрат материалов, а только передача энергии, и которые, по всей вероятности, будут давать больше света и меньше тепла, нежели обычное пламя.
Конечно, интенсивность лучей света, если их фокусировать на небольшой поверхности, значительно возрастает. Это можно продемонстрировать на следующем эксперименте.
Я подсоединяю к одному из выводов катушки провод w (Рис. 8) и сгибаю его в петлю диаметром около 30 сантимет- ров, а к другому выводу подсоединяю небольшую латунную сферу S. Желательно, чтобы площадь петли была примерно равна площади сферы, и центр сферы располагался на линии, проходящей через центр петли под прямым углом к ее плос- кости. Если разряд образуется при надлежащих условиях, то образуется полый светящийся конус, и в темноте ярко освещается одна половина сферы, как это показано на врезке.
При помощи небольших манипуляций концентрировать лучи света на небольших поверхностях и получать сильные световые эффекты довольно просто. В результате два тонких провода могут стать источниками сильного света.
Чтобы увеличить интенсивность световых лучей, провода должны быть очень тонкие и короткие, однако, поскольку в этом случае их емкость будет обычно слишком малой для катушки, по крайне мере для такой катушки, как представленная в данном эксперименте, то нужно увеличить емкость до требуемой величины, в то же время сохранения поверхность проводов очень малой. Этого можно достичь многими способами. Например, вот у меня две пластины R R из твердой резины (Рис. 9), на которые я наклеил два очень тонких провода W W , которыми написано имя. Провода могут быть оголенными или с самым лучшим изолирующим покрытием — это для успеха данного эксперимента несущественно. Но все же хорошо изолированные провода предпочтительнее. Тыльная сторона каждой пластины, на рисунке она затенена, покрыта фольгой t t. Пластины расположены на одной линии и на значительном расстоянии друг от друга, чтобы избежать прохождения искры с одного провода на другой. Фольгу на обеих пластинах я соединил между собой при помощи проводника С, и сейчас подсоединяю оба провода к выводам катушки. Теперь варьируя силу и частоту тока через первичную обмотку, довольно просто найти точку, в которой емкость системы наилучшим образом соответствует остальным условиям, и тогда провода начинают светиться так сильно, что если в помещении выключить освещение, то написанное проводами имя засияет яркими буквами.
Возможно, при проведении этого эксперимента, предпочтительнее использовать катушку, работающую от генератора переменного тока высокой частоты, поскольку тогда, благодаря гармоническому подъему и падению [тока], потоки света получаются очень однородными, хотя они и менее яркие, чем те, что получаются с нынешней катушкой. Подобный эксперимент можно провести и с помощью тока низкой частоты, но намного менее удовлетворительно.
Когда два провода, подключенные к выводам катушки, расположены на нужном расстоянии друг от друга, потоки между ними могут быть столь интенсивными, что образуют сплошную световую поверхность.
Для того, чтобы продемонстрировать это явление, у мня имеются два круглых контура С и С (Рис. 10) из довольно толстого провода, один около 80 сантиметров в диаметре, а другой — около 30 сантиметров. К каждому из выводов катушки я подключил один из этих контуров. Поддерживающие провода изогнуты таким образом, что контуры можно насколько возможно точно поместить в одной плоскости. Если в помещении выключить освещение и включить катушку, то Вы увидите, что все пространство между проводами заполнено потоками, образующими светящийся диск, и интенсивность потоков настолько велика, что диск виден даже на довольно большом расстоянии. Внешний контур мог бы быть значительно большего диаметра, нежели тот, что сейчас перед Вами. На самом деле, с этой катушкой я использовал контуры гораздо большего диаметра, и мне удавалось получать ярко светящуюся поверхность, покрывающую площадь более одного квадратного метра, что для такой маленькой катушки является заметным достижением. Чтобы избежать непредвиденных осложнений в сегодняшнем эксперименте, я взял контур поменьше, и площадь составляет около 0.43 квадратных метра.
Частота колебаний тока и быстрота чередований искр между шарами в заметной степени влияют на вид потоков. Когда частота очень низкая, воздух поддается воздействию более или менее так же, как при постоянной разнице потенциалов, и потоки состоят из отдельных нитей, обычно перемежающихся тонкими искрами, которые видимо соответствуют последовательным разрядам, происходящим между шарами. Но когда частота очень большая, и дуга разряда производит очень низкий, но ровный звук, — показывая тем самым и что есть колебания, и что чередование искр происходит с большой скоростью, — тогда образующиеся светящиеся потоки совершенно однородны. Для получения такого результата следует использовать очень маленькие катушки и банки очень малой емкости. Я беру две трубки из толстого богемского стекла диаметром около 5 сантиметров и около 20 сантиметров длиной. В каждую из этих трубок я засовываю первичную обмотку из очень толстого медного провода. Сверху на каждую трубку я наматываю вторичную обмотку из гораздо более тонкого провода с гуттаперчевым покрытием. Две вторичных обмотки я соединяю последовательно, а первичные обмотки лучше соединить параллельно. Затем я помещаю трубки в большой стеклянный сосуд на расстоянии
10-15 сантиметров друг от друга на изолированных креплениях и заполняю сосуд прокипяченным маслом. Уровень масла возвышается над трубками примерно на дюйм. Свободные концы вторичной обмотки выводятся наружу из масла и располагаются параллельно друг другу на расстоянии около 10 сантиметров. Зачищенные концы должны находиться в масле. Для создания разрядов через первичную обмотку можно использовать две четырехпинтовые банки, соединенные последовательно. Когда проведена необходимая регулировка длины проводов над поверхностью масла и расстояния между ними, а также разрядной дуги, то между проводами образуется совершенно ровная, без какой-либо структуры светящаяся поверхность, подобная обычному разряду в трубке со умеренной степенью откачки.
Я совершенно сознательно остановился столь подробно на этом кажущемся незначительным эксперименте. Опыты подобного рода приводит экспериментатора к поразительному умозаключению, что для прохождения обычных светящихся разрядов через газ ы не требуется какая-либо определенная степень разреженности газа, но что газ может находиться при обычном и даже при повышенном давлении. Для осуществления этого важна очень высокая частота; высокий потенциал также необходим, но это только второстепенное и сопутствующее требование. Эти эксперименты учат нас, что в попытках открыть новые методы получения света посредством возбуждения атомов, или молекул, газа нам не следует ограничиваться в своих исследованиях вакуумной трубкой, а можно вполне серьезно рассматривать возможность получения световых эффектов вообще без использования каких- либо сосудов, в воздухе при обычном давлении.
Вероятно, подобные разряды очень высокой частоты, которые заставляют воздух светиться при обычных давлениях, нам часто доводится наблюдать в Природе. У меня нет сомнения, что если, как считают многие, северное сияние возникает в результате резких космических возмущений, таких как взрывы на поверхности Солнца, которые вызывают колебания электростатического заряда Земли с чрезвычайно высокой частотой, то наблюдаемое красное свечение не ограничивается верхними воздушными слоями, но разряд проходит по причине его высокой частоты также и в плотную атмосферу в виде свечения, подобного тому, которое мы обычно получаем в слабо откачанной трубке. Если бы частота была очень низкой, и даже более того, если бы заряд не колебался вовсе, плотный воздух пробивался бы так же, как при разряде молнии. Признаки такого пробоя нижних плотных слоев воздуха неоднократно наблюдались при появлении этого удивительного явления. Но если такой пробой действительно возникает, то объяснить его можно только фундаментальными возмущениями, число которых очень невелико, потому что колебания,
производимые ими, были бы слишком быстрыми для того, чтобы произошел пробойный разряд. Это первичные и нерегулярные импульсы, которые воздействуют на наши приборы; накладывающиеся колебания, скорее всего, проходят незамеченными.
Когда обычный низкочастотный разряд пропускается через умеренно разреженный воздух, то воздух приобретает пурпурный оттенок. Если при помощи тех или иных средств мы увеличим интенсивность колебаний атомов, или молекул, то цвет воздуха сменится на белый. Похожее изменение происходит при обычных давлениях при электрических импульсах очень высокой частоты. Если молекулы воздуха вокруг провода умеренно возбуждены, то образующийся кистевой разряд имеет красный или фиолетовый цвет. Если же колебания делаются достаточно интенсивными, то потоки становятся белыми. Мы можем добиться этого различными способами. В эксперименте, продемонстрированном ранее, с двумя проводами, протянутыми через зал, я старался достигнуть результата подняв до очень высоких значений и частоту, и потенциал. В эксперименте с тонкими проводами, приклеенными к резиновым пластинам, я сконцентрировал воздействие тока на очень малой поверхности. Другими словами — я работал с огромной электрической плотностью.
Самая любопытная форма разряда получается в эксперименте с такой катушкой, когда частота и потенциал поднимаются до предела. Чтобы выполнить этот эксперимент, необходимо, чтобы каждая часть катушки была очень хорошо заизолирована, и на воздухе находились только две маленькие сферы — а еще лучше, два стальных диска с острыми краями (d d Рис. 11) диаметром не больше нескольких сантиметров. Применяемая здесь катушка погружена в масло, а концы вторичной обмотки, выходящие наружу из масла, покрыты очень толстой непроницаемой для воздуха оболочкой из твердой резины. Любые трещины, если таковые появляются, должны быть тщательно заделаны для того, чтобы кистевой разряд не мог возникнуть нигде, кроме как на маленьких сферах, или пластинах, которые высунуты на воздух. В данном случае, поскольку отсутствуют какие-либо большие пластины или иные тела с большой емкостью, подключенные к клеммам, катушка способна на очень быстрые колебания. Потенциал можно поднимать, насколько считает нужным экспериментатор, путем увеличения скорости изменения первичного тока. Если катушка не сильно отличается от этой, то лучше всего соединить две первичных обмотки параллельно; но если вторичная обмотка будет иметь гораздо большее число витков, то тогда лучше соединять первичные обмотки последовательно. В противном случае колебания могут оказаться слишком частыми для вторичной обмотки. В этих условиях с краев дисков извергаются нечеткие белые потоки, которые наподобие фантомов расходятся во все стороны. Если эта катушка сделана хорошо, то длина их около 25–30 сантиметров. Если поднести к ним руку, то никаких ощущений нет. Искра, которая может вызвать удар электрическим током, проскакивает с вывода только если руку поднести совсем близко. Если тем или иным образом сделать колебания тока в первичной обмотке прерывистыми, то это вызовет соответствующее трепетание потоков, и тогда руку или другое проводящее тело можно подносить значительно ближе к выводу, не рискуя вызвать проскок искры.
Среди множества очень красивых явлений, которые воспроизвести при помощи этой катушки, я выбрал только те, которые обнаруживают особенности, имеющие определенную новизну, и могут привести нас к некоторым интересным умозаключениям. Ни для кого не составит особого труда с ее помощью получить в лаборатории много других явлений, еще более приятных для глаз, нежели представленные здесь, но они не содержат в себе никакой новизны.
Ранние эксперименты описывают появления искр, полученных с помощью обычной большой индукционной катушки, падающих на изолированную пластину, разделяющую выводы. Совсем недавно Сименс провел некоторые эксперименты, в которых были получены прекрасные эффекты, с большим интересом наблюдавшиеся множеством людей. Несомненно, большие катушки, даже если они работают от токов низких частот, могут производить очень красивые эффекты. Тем не менее, даже самая большая когда-либо сделанная катушка не смогла бы дать даже тот величественный эффект потоков и искр, получаемый с помощью такой вот катушки с пробойным разрядом, надлежащим образом настроенной. Для общего представления, катушка, такая как эта, может легко покрыть полностью потоками пластину диаметром 1 метр. Чтобы провести подобные эксперименты наилучшим образом, следует взять очень тонкую резиновую или стеклянную пластину, на одну сторону приклеить узкое кольцо большого диаметра из оловянной фольги, а на другую — круглую шайбу, чтобы центр шайбы совпадал с центром кольца, и желательно, чтобы площадь шайбы и площадь кольца были примерно одинаковыми, для хорошей сбалансированности катушки. Шайба и кольцо должны быть подсоединены к выводам хорошо изолированными тонкими проводами. Легко наблюдать эффект емкости, получая полотно из однородных потоков, либо изящную сеть из тонких серебряных нитей, либо же массу шумных сверкающих искр, полностью покрывающих пластину.
С тех пор, как в начале прошлого года в своей статье для Американского Электротехнического Института я изложил идею о преобразовании при помощи пробойного разряда, интерес к этой теме стал значительным. Пробойный разряд дает нам возможность производить любую разность потенциалов при помощи недорогих катушек, которые работают от обычных распределительных сетей, и, что может быть еще более ценно, позволяет преобразовывать токи любой частоты в токи любой более низкой или более высокой частоты. Но главная его ценность, возможно, состоит в той помощи, которую он может оказать нам в исследовании явлений фосфоресценции, которые катушка пробойного разряда может возбуждать в бесчисленном количестве случаев, где обычная катушка, даже самая большая, не работает.
Принимая во внимание многочисленные возможности практического использования таких катушек, а также их лабораторного применения для научных исследований, не покажутся излишними, надеюсь, некоторые дополнительные замечания, касающиеся их конструктивных особенностей.
Разумеется, совершенно необходимо использовать в конструкции таких катушек провод, покрытый самой лучшей изоляцией.
Хорошие катушки получаются, если для их изготовления использовать провод, покрытый несколькими слоями хлопка, затем подвергнуть катушку кипячению в чистом воске в течении продолжительного периода времени, а после остудить при умеренном давлении. Преимущество такой катушки в том, что с ней легко обращаться, но по сравнению с катушкой, целиком погруженной в масло, она вероятно уступает в качестве результатов. Помимо этого, по- видимому, наличие большого количества воска негативно влияет на катушку, тогда как в случае масла этого нет. Возможно, это объясняется тем, что в жидкости диэлектрические потери ниже.
Сначала я использовал провода, с хлопковым и шелковым изоляционными покрытиями, которые погружались в масло, однако постепенно перешел на использование проводов с гуттаперчевой изоляцией, которая оказалась наиболее удовлетворительной. Разумеется, гуттаперчевое изоляционное покрытие добавляет катушке емкость, что является серьезным недостатком, особенно если катушка большая, и ее предполагается использовать при очень высоких частотах. Но с другой стороны, гуттаперча выдерживает намного большее напряжение, нежели той же толщины слой масла, а это ее качество следует обеспечивать любой ценой. Если катушку уже единожды поместили в масло, то никогда не следует извлекать ее из масла более чем на несколько часов, иначе гуттаперча может потрескаться, и катушка не сохранит и половины своей ценности. Вероятно, гуттаперча медленно подвергается воздействию со стороны масла, но я не нашел никаких дефектов после пребывания [катушки] в масле в течение восьми или девяти месяцев.
Я испробовал два коммерческих типа проводов с гуттаперчевым покрытием: у одного из них изоляция плотно прилегала к металлу, а у другого нет. Если не прибегать к дополнительным мерам по удалению всего воздуха, то значительно надежнее использовать первый тип провода. Я наматываю катушку в емкости с маслом так, что масло заполнило все пустоты. Между слоями провода я использую хорошо вываренную в масле ткань, толщина которой рассчитывается в зависимости от разности потенциалов между витками. При этом, как оказывается, между разными видами масла нет большой разницы; я использую парафиновое либо льняное масло.
Вот прекрасный способ для более качественного изгнания воздуха, и очень просто применимый на практике к небольшим катушкам. Изготовьте ящик из твердого дерева с очень толстыми стенками, которые в течение долгого времени вываривалась в масле. Стенки ящика должны быть пригнаны таким образом, чтобы надежно противостоять внешнему давлению воздуха. Катушка помещается внутрь ящика и закрепляется там. Затем ящик закрывается крышкой и покрывается снаружи плотно прилегающими металлическими листами, стыки которых тщательно запаиваются. В верхней части коробки просверливаются два отверстия, проходящие сквозь металл и сквозь дерево, и в эти отверстия вставляются две маленькие стеклянные трубки, а места стыков герметизируются. Одна из трубок подсоединяется к вакуумному насосу, а другая — к сосуду, содержащему достаточное количество прокипяченного масла. В низу второй трубки отверстие очень маленькое, а сама трубка снабжена запорным краном. По достижении достаточно хорошего вакуума запорный кран открывается, и масло медленно втекает внутрь. Данная операция исключает возможность того, что между витками останутся большие пузыри, которые являются главной опасностью. Воздух изгоняется практически полностью, возможно даже лучше, чем вывариванием, что однако, если провод имеет гуттаперчевое изоляционное покрытие, невозможно. Для первичных обмоток я использую обычный линейный провод с толстым хлопковым покрытием. Конечно, лучше всего бы для первичной обмотки подошла бы скрутка из очень тонких хорошо изолированных проводов, но их не достать.
В экспериментальной катушке размер проводов не очень важен. В катушке, которую я сегодня демонстрирую перед Вами, в первичной обмотке используется № 12, а во вторичной — № 24 мерный провод Браун и Шарп. Но сечения могут различаться довольно значительно. Я бы сказал и о различных настройках и корректировках, но они вряд ли существенно повлияют на результаты, которые мы намерены получить.
Я остановился столь подробно на различных формах кистевого разряда потому, что при их изучении мы не только наблюдаем явления, которые радуют глаз, но они еще дают нам пищу для размышлений и приводят к умозаключениям, имеющим практическое значение. При использовании переменного тока очень высокого напряжения для предотвращения появления кистевого электрического разряда не может предприниматься очень много мер предосторожности. В сети, подающей такой ток, в индукционной катушке, трансформаторе или конденсаторе кистевой разряд является источником большой опасности для изоляции. В особенности в конденсаторе, газообразное вещество должно удаляться наиболее тщательно, поскольку заряженные поверхности расположены очень близко друг к другу, и если разность потенциалов высока, то даже единственный пузырек воздуха некоторого размера вызовет нарушение изоляции так же верно, как груз упадет, если его отпустить. Тогда как если все газообразное вещество тщательно удалено, конденсатор сможет легко выдержать гораздо большую разность потенциала. Сеть, подающая переменный ток очень высокого напряжения может быть повреждена просто в результате раковины или маленькой трещины в изоляции, и более того, раковина как правило содержит в себе газа под низким давлением. И так как представляется практически невозможным избежать подобных мелких дефектов полностью, я прихожу к мысли, что в наших будущих сетях распределения электрической энергии посредством токов очень высокого напряжения будет применяться жидкостная изоляция. Наиболее важным сдерживающим фактором в этом вопросе выступает стоимость, однако, если мы используем масло в качестве изолятора, то мы сможем передавать электрическую энергию с напряжением например 100,000 вольт, и даже выше, настолько легко, по меньшей мере при более высоких частотах, что вряд ли кто-нибудь назовет это инженерным подвигом. При использовании масляной изоляции и моторах переменного тока передача электроэнергии может осуществляться надежно и на промышленном уровне на расстояния, измеряемые тысячами миль.
Характерной особенностью масел, и жидкостной изоляции в целом, при быстро изменяющемся электрических напряжениях является способность рассеивать любые газовые пузырьки которые могут присутствовать и диффундировать их по всей своей массе, как правило задолго до того, как может возникнуть вредоносный пробой. Эту особенность можно легко наблюдать, если взять обычную индукционную катушку, вынуть наружу первичную обмотку, закупорить конец трубки, на которую намотана вторичная обмотка, и заполнить ее каким- нибудь достаточно прозрачным изолятором, например, парафиновым маслом. Первичную обмотку, которая в диаметре миллиметров на шесть меньше внутреннего диаметра трубки, можно вставить в масло. Когда катушка включена, то если смотреть сверху через масло, можно увидеть множество светящихся точек — воздушных пузырьков, которые пойманы в результате вставления первичной обмотки, и которые светятся под воздействием мощной бомбардировки.
Пойманный воздух, противодействуя маслу, бьет его; масло начинает циркулировать, унося с собой часть воздуха, и так до тех пор, пока пузырьки не рассеются по маслу и свечение не пропадет. Таким же образом, если конечно не останутся большие пузырьки воздуха, делающие циркуляцию невозможной, предотвращается разрушающий пробой, с единственным эффектом — незначительным нагреванием масла. Если вместо жидкого использовать твердый изолятор, неважно даже какой толщины, то пробой его и повреждение устройства будут неизбежны.
Однако исключение газообразного вещества из любого устройства, в котором диэлектрик подвергается воздействию со стороны более или менее часто изменяющихся электрических сил, желательно не только ввиду предотвращения возможных повреждений этого устройства, но и из соображений экономии. Если, например, в конденсаторе используются только твердые или только жидкие изоляторы, то потери энергии малы. Но если присутствует газ при обычном или малом давлении, то потери могут быть стать очень значительными. Какова бы ни была природа сил, действующих в диэлектрике, представляется, что в твердых и жидких диэлектриках вызванное этими силами движение молекул очень мало.
Следовательно, произведение силы на смещение незначительно, если только сила не очень велика, что сделает это произведение большим. Молекулы могут двигаться свободно, они достигают высоких скоростей, и энергия их ударов есть потери на тепло либо на что-то другое. Если бы газ был сильно сжат, то перемещение частиц из-за плотности становится меньше, и потери энергии снижаются.
В большинстве последующих экспериментов, главным образом для обеспечения бесперебойной и нормальной работы, я предпочел задействовать генератор переменного тока, о котором уже говорилось ранее. Это одна из тех нескольких машин, которые я сконструировал для целей этих исследований. Она имеет 384 полярных выступа и способна давать ток с частотой около 10,000 в секунду. Эта машина была впервые проиллюстрирована и вкратце описана в тексте моего выступления перед аудиторией Американского Электротехнического Института 20 мая 1891 года, на который я уже ссылался. Более детальное описание, по которому любой инженер сможет изготовить подобную машину, можно найти в нескольких электрических журналах за тот период.
Индукционные катушки, которые работают от этой машины, достаточно малы и содержат от 5,000 до 15,000 витков во вторичной обмотке. Они помещены в покрытые цинковыми листами деревянные ящики, внутрь которых залито прокипяченное льняное масло.
Если изменить традиционное расположение обмоток, то есть разместить в этих катушках первичную обмотку поверх вторичной, то такое расположение предоставляет ряд преимуществ: можно использовать первичную обмотку значительно большего размера, что снижает опасность перегрева и увеличивает выход катушки. Я сделал первичную обмотку с каждой стороны по меньшей мере на один сантиметр короче вторичной для того, чтобы избежать пробоя на концах, который неизбежно возник бы, если только слой изоляции, нанесенный поверх вторичной обмотки, не был бы очень толстый, а это было бы, конечно, недостатком.
Когда первичная обмотка делается подвижной, что в некоторых экспериментах бывает необходимым и гораздо удобнее с точки зрения регулировки, я покрываю вторичную обмотку воском и обтачиваю ее на токарном станке так, чтобы ее диаметр стал чуть-чуть меньше внутреннего диаметра первичной обмотки. Первичную обмотку я снабжаю рукояткой, которая выступает над поверхностью масляного слоя и служит для перемещения ее вдоль вторичной обмотки в любое положение.
А сейчас, касательно общих манипуляций с катушкой, некоторые наблюдения с позиций, которым в более ранних экспериментах с такими катушками не придавалось должного значения, и которые даже теперь часто остаются незамеченными.
Обычно вторичная обмотка катушки демонстрирует столь высокую самоиндукцию, что текущий по проводу ток ничтожно мал, и может быть таковым даже когда выводы соединены проводником с малым сопротивлением. Если к выводам добавить емкость, то самоиндукция нейтрализуется, и по вторичной обмотке начинает течь более сильный ток, несмотря на то, что выводы изолированы друг от друга. Для человека, совершенно незнакомого со свойствами переменных токов, ничто не будет выглядеть более загадочным. Эта особенность была продемонстрирована в проведенном в начале эксперименте с пластинами из проволочной сетки, подключенными к выводам, и пластиной из резины. Когда пластины из проволочной сетки были близко друг к другу, и между ними проходила небольшая дуга, эта дуга препятствовала прохождению сильного тока через вторичную обмотку, потому что она сводила на нет емкость на выводах. Когда между [пластинами] помещалась резиновая пластина, емкость образовавшегося конденсатора противодействовала самоиндукции вторичной обмотки, теперь тек более сильный том, и катушка совершала больше работы, и разряд был несравненно мощнее.
Так что первое, что нужно сделать при работе с индукционной катушкой, это сочетать со вторичной обмоткой емкость, чтобы преодолеть самоиндукцию. При очень высоких частотах и потенциалах следует тщательно удалить газообразное вещество от заряженных поверхностей. Если используются Лейденские банки, их следует погрузить в масло, так как в противном случае может возникнуть значительная диссипация при большом напряжении на банках. При использовании высоких частот столь же важно соединить конденсатор с первичной обмоткой. Можно подключить конденсатор к концам первичной обмотки или к клеммам генератора переменного тока, но последнее делать не рекомендуется, поскольку это может повредить генератор. Несомненно, лучше всего лучше всего использовать конденсатор последовательно с первичной обмоткой и с генератором переменного тока, и отрегулировать его емкость таким образом, чтобы свести самоиндукцию обоих последних на нет. Конденсатор должен иметь очень маленькие шаги настройки, а для очень тонкой настройки удобно использовать маленький масляный конденсатор с подвижными пластинными.
Мне кажется, что сейчас настал наилучший момент для того, чтобы продемонстрировать вам явление, которое я наблюдал некоторое время назад, и которое у тех, кто занимается именно научными исследованиями, возможно, вызовет куда больший интерес, нежели все остальные явления, которые я имею честь представить сегодня Вашему вниманию.
Это явление с вполне правомерно можно отнести к категории явлений кистевого электрического разряда — фактически это и есть кистевой разряд, образующийся на или вблизи отдельного вывода, находящегося в высоком вакууме.
В колбах с проводящими клеммами, даже если они из алюминия, кистевой разряд очень непродолжителен, и к сожалению его нельзя сохранить и поддерживать в его наиболее чувствительном состоянии, даже в колбе не имеющей проводящих электродов. При изучении этого явления всенепременно следует использовать колбы без вводных проводов. По моему опыту, лучше всего использовать колбы, конструкции которых приведены на Рис. 12 и 13.
Колба па Рис. 12 состоит из шара лампы накаливания L, в горловину которого впаяна трубка барометра b, конец которой выдут в виде небольшой сферы S. Эта сфера должна быть как можно точнее впаяна в колбу так, чтобы ее центр совпадал с центром большого шара. Перед запаиванием в трубку барометра можно вставить тонкую трубку t, изготовленную из алюминиевого листа, но это особой роли не играет.
Маленькая полая сфера s заполняется каким-нибудь проводящим порошком, а в горловину плотно вмуровывается провод W, служащий для соединения токопроводящего порошка с генератором.
Конструкция, изображенная на Рис. 13, была выбрана для того, чтобы удалить от кистевого разряда любые проводящие тела, которые могли бы как-либо влиять на него. В этом случае колба состоит из шара лампы L, горловина которой n снабжена трубкой b с выдутой на ней маленькой сферой S, так что образуются два совершенно независимых отделения, как показано на рисунке. При работе с колбой горловина n покрывается оловянной фольгой и подключается к генератору, и индуктивно воздействует на средне разреженый и высоко проводящий газ, заключенный в горловине. Отсюда ток проходит через трубку b в небольшую сферу 5, чтобы он индуктивно воздействовал на газ, находящийся в шаре L. Лучше делать трубку t толстостенной, отверстие в ней очень маленьким, и выдувать сферу S очень топкой. И очень важно, чтобы сфера S располагалась точно в центре шара L.
На Рис 14, 15 и 16 изображены разные формы, или стадии, кистевого разряда. На Рис. 14 изображено появление кистевого разряда в колбе с проводящим контактом: но поскольку в такой колбе он очень быстро пропадает — часто через несколько минут, — я ограничусь описанием этого явления, как оно наблюдается в колбе без проводящ их электродов. Оно наблюдается при следующих условиях:
Когда шар L (Рис. 12 и 13) откачан до очень высокой степени, обычно колба не возбуждается при подсоединении провода W или оловянной фольги, покрывающей колбу (Рис. 13), к выводу индукционной катушки. Обычно для того, чтобы ее возбудить, достаточно взять шар L рукой. При этом по всему шару сначала растекается мощная фосфоресценция, но вскоре она уступает место белому туманному свету. Вскоре после этого можно заметить, что свечение распределяется в шаре неровно, а еще через некоторое время протекания тока колба принимает вид, изображенный на Рис 15. Из этой стадии явление постепенно, в течение нескольких минут, часов, дней или недель, в зависимости от того, как работает колба, переходит к виду, показанному на Рис. 16. Повышение температуры колбы или увеличение потенциала ускоряют этот переход.
Когда кистевой разряд принимает форму, изображенную на Рис. 16, его можно привести в состояние чрезвычайной чувствительности к электростатическому и магнитному воздействию. Когда колба свисает с провода вертикально вниз, и все окружающие объекты от нее удалены, то приближение наблюдателя к колбе на расстояние нескольких шагов вызывает отклонение пламени кистевого разряда в сторону, противоположную наблюдателю. И если наблюдатель будет продолжать ходить вокруг колбы, то пламя разряда всегда будет сохранять свое направление в противоположную от него сторону. Оно может начать крутиться вокруг вывода еще задолго до достижения этой стадии чувствительности. Как правило, когда оно начинает вращаться, но тоже до этого, на него магнит воздействует на него, и на определенной стадии он оказывается в поразительной степени восприимчивым к влиянию со стороны магнитного поля. Маленький постоянный магнит, полюса которого отстоят друг от друга не больше чем на два сантиметра, будет явно воздействовать на него на расстоянии двух метров, уменьшая или увеличивая скорость вращения, в зависимости от того, как держать магнит по отношению к кистевому разряду. Я думаю, я наблюдал, что в стадии, когда он имеет максимальную чувствительность к магнитному полю, он не является наиболее восприимчивым к электростатическому влиянию. Мое объяснение этому такое: при увеличении интенсивности потока электростатическое притяжение между разрядом и стеклом колбы, которое замедляет вращение, растет значительно быстрее, нежели влияние со стороны магнитного поля.
Когда колба с шаром L висит вертикально вниз, вращение всегда идет по часовой стрелке. В южном полушарии оно бы происходило в противоположном направлении, а на экваторе его не должно быть вовсе. Можно изменить направление вращения разряда на противоположное, если поместить на определенном расстоянии магнит. По-видимому, кистевой разряд вращается лучше всего, когда он расположен под прямыми углами к силовым линиям Земли. Очень похоже, что он вращается, при максимальной скорости, синхронно с переменами тока, скажем, 10,000 раз в секунду. Скорость вращения можно уменьшать или увеличивать при приближении или удалении наблюдателя, или любого другого проводящего тела, но разряд нельзя заставить вращаться в противоположном направлении путем какого-либо изменения положения колбы. Когда разряд находится в стадии своей максимальной чувствительности, и изменяется разность потенциалов или частота, чувствительность при этом быстро падает. Даже небольшое изменение любого из этих значений может вообще вызвать остановку вращения. В такой же мере на степень чувствительности влияет изменение температуры. Для достижения наибольшей чувствительности необходимо, чтобы маленькая сфера 5 располагалась в центре шара L, в противном случае воздействие электростатического поля стекла шара будет стремиться останавливать вращение. Сфера S должна быть маленького размера и равномерной толщины; любая асимметрия, конечно, уменьшает чувствительность.
Тот факт, что кистевой разряд вращается в определенном направлении в постоянном магнитном поле, видимо, означает, что в переменных токах очень высокой частоты положительные и отрицательные импульсы неодинаковы, и одни из них все время преоблада- ют над другими.
Конечно, вращение в одном направлении может быть обусловлено воздействием двух составляющих одного и того же тока в отношении друг друга, или воздействием полей, порождаемых одной из составляющих тока на другую, как это происходит в моторе с последовательным возбуждением, и при этом совсем не обязательно, чтобы одни импульсы были мощнее других. За эту точку зрения говорит тот факт, что, насколько я мог заметить, кистевой разряд вращается в любом положении. Тогда он будет вращаться в любой точке поверхности Земли. Но, с другой стороны, тогда очень трудно объяснить, почему постоянный магнит будет изменять направление вращения на противоположное, и необходимо будет предположить преобладание импульсов одного вида.
Что до причин образования кисти или потока, мне представляется, что это происходит благодаря электростатическому воздействию шара и по причине асимметрии его частей. Если бы маленькая колба s и шар L были бы идеальными концентрическими сферами из стекла одинаковой толщины и качества, то думаю, что кистевой разряд не возникал бы, поскольку пропускные свойства были бы во все стороны одинаковы. Что формирование потока происходит благодаря неравномерности, отличается от того факта, что он склонен оставаться в одном положении, и вращение происходит в основном как правило только тогда, когда его выводят положения посредством электростатического или магнитного воздействия.
Когда разряд находится в состоянии особой чувствительности и остается в одном положении, с ним можно провести весьма любопытные эксперименты. Например, экспериментатор может, выбрав для себя соответствующую позицию, поднести руку к колбе на определенное, довольно значительное, расстояние, и может одним только напряжением мышц руки заставить разряд погаснуть. Когда разряд начинает медленно вращаться, а руки расположены на нужном расстоянии от колбы, становится невозможным произвести даже самое слабое движение чтобы при этом не вызвать видимую реакцию кистевого разряда. Металлическая пластина, подключенная к другому выводу катушки, воздействует на разряд с большого расстояния, замедляя вращение нередко до одного оборота в секунду.
Я твердо убежден такой кистевой разряд, когда мы узнаем, как его нужно получать, окажет нам большую помощь в изучении природы сил, действующих в электростатическом или электромагнитном полях. Если в пространстве происходит какое-либо движение, которое поддается измерению, то такой кистевой разряд должен его обнаружить. Это, если можно так выразится, пучок света, свободный от трения и инерции.
Я думаю, он может найти себе практическое применения в телеграфии. При помощи такого разряда было бы возможно передавать сообщения, например, через Атлантический океан, с любой скоростью, поскольку его чувствительность может быть столь велика, что даже слабейшие изменения будут влиять на него. Если бы было возможным сделать поток более интенсивным и очень узким, то можно было бы легко фотографировать его отклонения.
Мне было интересно, выяснить что это — именно вращение самого потока, или же это просто напряжение гуляет по колбе. Для этой цели я установил легкую слюдяную крыльчатку так, чтобы ее лопасти располагались на пути движения кистевого разряда. Если вращается сам поток, то крыльчатка слала бы крутиться. Мне не удалось добиться сколь-нибудь отчетливого вращения крыльчатки, хотя я многократно повторял эксперимент; но поскольку крыльчатка оказывала заметное влияние на поток, и видимое вращение последнего никогда не было, в этом случае, достаточно удовлетворительным, то этот эксперимент не представляется убедительным.
Мне не удалось воспроизвести это явление с помощью катушки пробойного разряда, хотя любое другое из этих явлений легко с ее помощью получается — и на самом деле намного лучше, нежели с катушками, работающими от альтернатора.
Кистевой разряд может быть возможно получить и с помощью однонаправленных импульсов, или даже с помощью постоянного потенциала, в этом случае будет даже еще более чувствительным к магнитному воздействию.
Когда мы впервые обнаружили, что индукционная катушка может работать с переменным током высокой частоты, то это вызвало у нас большое удивление и в то же время обнаружило насколько сильно влияют значения емкости, самоиндукции и частоты на общий результат. Для этих экспериментов емкость наиболее значимый элемент, поскольку и самоиндукция, и часто- та изначально высоки. Критическая емкость очень мала, и даже очень небольшое колебание ее значения вызывает весьма значительные изменения. Экспериментатор может установить кон- такт между своим телом и клеммами вторичной обмотки катушки, либо подсоединить к обеим клеммам изолированные тела с очень малой массой, такие как колбы электрических ламп, и вы- звать тем самым значительные взлеты и падения напряжения, а также сильно воздействовать на ток, проходящий по первичной обмотке. В ранее продемонстрированном эксперименте, где кистевой разряд возникал на проводе, подсоединенномк одной из клемм, и где провод начинал вибрировать при установлении контакта между изолированным телом экспериментатора и дру- гой клеммой катушки, в этот момент происходил резкий и явный всплеск напряжения.
Я могу показать Вам иное поведение катушки, которое заключает в себе особенность, представляющую определенный интерес. Перед Вами маленькая легкая крыльчатка, изготовленная из листа алюминия, которая закреплена на игле, и установлена таким образом, чтобы могла вращаться на куске металла, болтами прикрепленногок одной из клемм катушки. При активации катушки, молекулы воздуха начинают ритмично притягиваться и отталкиваться. Поскольку сила, с которой молекулы отталкиваются, больше, чем сила, с которой молекулы притягиваются, то на поверхностях крыльчатки возникает сила отталкивания. Если бы крыльчатка был а изготовлен а прост о и з металлического листа, т о сил а отталкивания н а противоположны х сторона х крыльчатки была бы одинаковой, и никакого эффекта не возникало бы. Но если одна из поверхностей крыльчатки покрыт а экраном, или если, в общем, бомбардировк а на эту сторон у каким-либо образом ослабляется, то остается сила отталкивания на другой стороне, которая и заставляет крыльчатку вращаться.
Наибольшая эффективность экранирования достигается, если на одну и з внешних сторон крыльчатки наложит ь изолированно е токопроводящее покрытие, а если крыльчатка имеет форм у обычного воздушного винта, то на одной из ее сторон, или в непосредственно й близости от нее, следует закрепить изолированную металлическую пластину. Таким образом, можно прост о избавиться от необходимости использования статического экрана, если на одной из сторон крыльчатки закрепит ь толсту ю пластин у и з изолирующег о материала.
Чтоб ы показат ь поведени е катушки, можн о установит ь вентилято р н а клемме, и пр и пода — ч е н а катушк у ток а очен ь высоко й частоты, о н буде т легк о вращаться. Конечно, пр и постоян — ной разност и потенциало в и даж е пр и переменно м ток е очен ь низко й частоты, крыльчатк а вращатьс я н е буде т из-з а очен ь слабог о воздухообмена, и, следовательно, слабо й бомбардиров — ки. Н о в последне м случае, пр и очен ь высоко й разност и потенциало в вращени е вс е ж е може т имет ь место. Пр и использовани и цевочног о колес а действуе т ино е правило, совершенн о проти — воположно е п о значению: крыльчатк а лучш е всег о вращаетс я пр и постоянно й разност и потен — циалов, а прилагаемо е усили е те м меньше, че м выш е частот а тока. В это м случае, очен ь легк о установит ь таки е параметр ы настройки, пр и которы х разност ь потенциало в был а б ы недоста — точно й дл я вращени я вентилятора, н о пр и подсоединени и друго й клемм ы катушк и к изолиро — ванном у телу, напряжени е возрастал о б ы д о тако й величины, пр и которо й вентилято р мо г б ы вращаться. Подобны м образо м можн о остановит ь вращение, есл и подсоединит ь к клемм е тел о другог о размера, следовательно, вызват ь уменьшени е разност и потенциалов. В это м экспери — мент е вмест о крыльчатк и м ы може м задействоват ь электрически й радиометр, пр и это м буде т достигну т похожи й эффект. Однак о в это м случа е м ы обнаружим, чт о лопаст и вращаютс я ли — б о пр и сильно м разрежени и воздуха, либ о пр и обычно м давлени и воздуха. Пр и умеренн о по — вышенно м давлении, когд а возду х имее т повышенну ю электропроводность, крыльчатк а вращатьс я н е будет. Эт о любопытно е наблюдени е был о подмечен о сообщ а профессоро м Крук — сом и мной. Я приписыва ю полученны й результа т высоко й проводимост и воздуха, молекул ы которог о в отдельност и н е являютс я независимым и носителям и электрическог о заряда, а все вмест е выступаю т ка к едино е электропроводно е тело. Разумеется, в это м случае, есл и и ест ь какое-либ о отталкивани е молеку л о т лопастей, т о он о должн о быт ь очен ь мало. Однако, воз — можно, чт о данны й результа т частичн о обусловле н те м фактом, чт о больша я част ь разряд а про — ходи т п о направлению: о т провод а — чере з га з с высоко й электропроводностью, вмест о того, чтоб ы идт и о т токопроводящи х лопастей.
В предыдуще м эксперимент е с электрически м радиометро м разност ь потенциало в н е должн а был а превышат ь определенны й преде л из-з а того, чт о электростатическо е притяжени е межд у лопастям и и стекло м ламп ы могл о стат ь настольк о сильным, чт о смогл о б ы остановит ь вращение.
Наиболе е любопытна я особенност ь переменног о ток а высоко й частот ы состои т в том, чт о о н позволяе т на м выполнят ь большо е количеств о экспериментов, использу я тольк о оди н провод. Эт а особенност ь интересн а в о многи х отношениях.
Несколько лет назад я изобрел тип двигателя переменного тока, который приводился в движение посредством наведения вторичного тока в массе, или других цепях двигателя. Вторичный ток образовывался от одного переменного тока, проходящего через цепь двигателя, и вместе с первичным, или наведенным токам, создавал движущее поле силы. Такой простой, но грубый по форме двигатель получается если на железный сердечник намотать первичную обмотку, и разместить ее непосредственной близости от вторичной катушки; соединить концы последней, а свободно движущийся металлический диск разместить так, чтобы он под воздействием поля, образованного двумя обмотками. Железный сердечник используется по вполне очевидным причинам, но его роль не несущественна для работы двигателя. Для улучшения работы двигателя якорь помещен внутрь железного сердечника. Кроме того, для еще большего улучшения работы двигателя, вторичная катушка частично перекрывает первичную так, чтобы она подвергалась сильному индуктивному воздействию со стороны последней, и как можно сильнее отталкивала ее силовые линии. Еще одно усовершенствование, призванное улучшить работу двигателя, состоит в том, что между токами первичной и вторичной обмоток устанавливают соответствующую разность фаз при помощи конденсатора, катушки самоиндукции, сопротивления или эквивалентному ему количеству провода на обмотках. Однако я обнаружил, что вращение производится посредством только одной катушки и сердечника. Мое объяснение этому явлению, подтверждение которому я старался найти при исполнении данного эксперимента, состояло в том, что при намагничивании сердечника должна иметь место задержка во времени. Я помню, какова была моя радость, когда я в записках профессора Айртона, которые попали ко мне позже, обнаружил идею, поддерживающую мое предположение о задержке во времени. Является ли это в самом деле задержкой во времени, или это только запаздывание, которое происходит вследствие возникновения вихревых токов — вопрос остается открытым. Но не подлежит сомнению тот факт, что катушка, намотанная на железный сердечник, при подаче на нее переменного тока создает движущее поле силы и способна привести якорь в движение.
Этот факт, вместе с историческим экспериментом Араго, представляет собой определенный интерес в контексте того, что при работе с инерционными и фазовыми моторами происходило вращение их движущихся частей в направлении, противоположном движущему полю. Это означает, что в данном эксперименте магнит может не вращаться, или даже может вращаться в направлении, противоположном направлению вращения диска. Поэтому, в данном эксперименте электродвигатель (схематически представленный на Рис. 17) включает в себя! катушку и железный сердечник, рядом с которым располагается подвижный медный диск.
Я выбрал этот тип двигателя для демонстрации новых и интересных свойств по причинам, которые приведу позже. Когда концы катушки подсоединяют к клеммам генератора переменного тока, диск начинает вращаться. Но этот хорошо известный эксперимент не тот, который я хочу Вам показать. Я хочу продемонстрировать Вам, как этот двигатель приводится в движение при помощи одного единственного соединения между ним и генератором. То есть, одна клемма двигателя подсоединена к одной клемме генератора (в данном случае это вторичная обмотка индукционной катушки высокого напряжения), а остальные клеммы генератора и двигателя остаются свободными. Для того, чтобы вызвать вращение, обычно (но не обязательно) подсоединяется свободный конец катушки двигателя к изолированному телу определенного размера. Для этих целей тела экспериментатора более чем достаточно. Если он прикасается к свободной клемме предметом, находящимся у него в руках, то ток проходит через катушку и медный диск начинает вращаться. Если при этом в цепь катушки последовательно включить трубку с разреженным газом, то яркий свет, исходящий из трубки, укажет на прохождение сильного тока. С тем же успехом вместо тела экспериментатора можно использовать небольшой металлическую пластинку, подвешенную на нити. В этом случае пластинка действует как конденсатор, последовательно подключенный к катушке. Это нейтрализует самоиндукцию последней и позволяет проходить сильному току. В такой комбинации, чем больше самоиндукция катушки, тем меньшего размера нужна пластинка. Это означает, что для вращения двигателя требуется меньшая частота, и, иногда, меньшая разность потенциалов. Даже одна катушка, намотанная на сердечник, имеет высокую самоиндукцию. Именно по этой причине, данный тип двигателя был выбран для проведения этого эксперимента. Если на сердечник намотать закрытую вторичную катушку, то это может привести к уменьшению самоиндукции, что вызовет необходимость повышения частоты и разности потенциалов. И то и другое не желательно, так как высокая разность потенциалов создает угрозу целостности изоляции маленькой первичной катушки, а высокая частота может привести к существенному ослаблению вращающего момента.
Надо заметить, когда применяется такой двигатель, с закрытой вторичной обмоткой, то при сверхвысоких частотах привести его в движение совсем не просто, так как вторичная обмотка почти полностью обрезает силовые линии первичной, что позволяет проходить току лишь на мгновение. И чем выше частота — тем сильнее это проявляется. В этом случае, если вторичная обмотка не закрывается через конденсатор, а это существенно для получения вращения, то первичную и вторичную катушки располагают так, чтобы они более или менее перекрывали друг друга.
Но есть еще одно интересное свойство этого двигателя, а именно: для того, чтобы вызвать его вращение, нет необходимости в использовании даже единичного соединения между двигателем и генератором, кроме как через землю. Это возможно потому, что изолированная пластина способна не только излучать энергию в пространство, но и таким же образом получать ее через переменное электростатическое поле, несмотря на то, что в последнем случае доступная энергия значительно меньше. В этом примере одна из клемм двигателя подсоединяется к изолированной пластине или телу, расположенному внутри переменного электростатического поля, а другая клемма заземляется.
Однако возможно, что такие "беспроводные двигатели", если их так можно назвать, будут работать находясь на значительном расстоянии от источника энергии, если их подключать через разреженный газ. Переменный ток, особенно высокой частоты с удивительной легкостью передается даже через слабо разреженный газ. Верхние слои атмосферы разреженны. Чтобы достигнуть высоты в многие мили, потребуется преодолеть трудности чисто механического свойства. Нет сомнения, что при огромной разности потенциалов, получаемой при использовании высокой частоты и масляной изоляции, светящиеся разряды можно передавать на многие мили через разреженный воздух. При таком управлении энергией в многие сотни и тысячи лошадиных сил, двигатели или лампы могут работать, находясь на значительном расстоянии от стационарного источника тока. Но такие схемы работы рассматриваются только как возможные. Возможно у нас вообще не будет необходимости в транспортировке энергии. Пройдут многие поколения и наши механизмы будут приводиться в движение силой, получаемой в любой точке вселенной. Эта идея не нова. Человечество идет к ней давно, ведомое инстинктом, или выгодой. Эту идею выражали разными способами, и в разных местах, как в древности и в новейшей истории. Мы находим ее в очаровательном мифе об Антее, который набирался сил от земли. Мы находим ее среди теорий одного из ваших великих математиков, а также среди изречений и высказываний многих современных мыслителей. Энергия находится повсюду в пространстве. Является ли эта энергия статической или кинетической? Если она статическая, то наши надежды тщетны. Если она кинетическая — а мы совершенно определенно знаем, что это именно так — то люди когда-нибудь смогут подключать свои машины к главному маховику природы, это лишь вопрос времени. Ближе всего к этому подошел Крукс. Его радиометр будет работать и при свете дня, и во тьме ночи. Он будет работать везде, где есть тепло, а тепло есть везде. Но, к сожалению, эта красивая маленькая машина останется в памяти последующих поколений как наиболее интересное изобретение, и в тоже время будет занесена в книгу рекордов как самая неэффективная машина из когда-либо изобретенных человеком.
Предыдущий эксперимент — только один из многих не менее интересных экспериментов, которые можно провести с переменным током высокого напряжения и частоты, и с использованием только одного провода. Мы можем подсоединить изолированный провод к источнику такого тока; мы можем передать ничтожно малый ток по этому проводу, и в то же время в любой его точке получить ток такой силы, что он способен расплавить толстый медный провод. В ином варианте, мы сможем с помощью некоторых приемов, разложить раствор в любом электролитическом элементе, подсоединив только один полюс элемента к проводу или источнику энергии. Мы сможем заставить светиться лампу накаливания, трубку с разреженным газом, или колбу с фосфоресцирующим веществом, всего лишь подключившись к проводу, или если расположим их поблизости от провода.
Однако этот, неосуществимый во многих случаях план, представляется абсолютно выполнимым и даже рекомендуемым при получении света. Усовершенствованная лампа должна потреблять немного энергии, и уж если мы не может отказаться от использования проводов вообще, то мы хотя бы должны обеспечить подачу электроэнергии без использования обратного провода.
Теперь уже доказан факт, что тело может накаляться и светиться, находясь в непосредственном контакте или просто вблизи источника электрических импульсов с определенными характеристиками, и что полученного таким образом света достаточно для его практического применения. Поэтому, сейчас для достижения этой цели, стоит по меньшей мере предпринять усилия к определению наилучших условий применения и постараться разработать самые лучшие устройства.
В этом направлении уже были проведены некоторые опыты и я кратко остановлюсь на них в надежде, что они окажутся небесполезными.
Нагрев электропроводного тела, заключенного в лампе и подсоединенного к источнику часто изменяющихся электрических импульсов, зависит от такого большого количества причин, имеющих различную природу, что довольно трудно определить общеприменимое правило, следуя которому можно было бы добиться максимального нагрева. Что касается размеров сосуда, то в последнее время я обнаружил, что при обычном или даже слабо отличающемся от обычного, атмосферном давлении, когда воздух является хорошим изолятором, и следовательно тело излучает одинаковое количество энергии при определенной разности потенциалов и частоте, вне зависимости от того, является ли тело большим, или маленьким, оно нагревается до более высокой температуры, если помещено в меньший сосуд вследствие более плотного ограничения распространения тепла.
При низком давлении, когда воздух становится более или менее электропроводным, или если воздух нагрет достаточно для того, чтобы стать электропроводным, в большой лампе тело раскаляется до более высокой температуры, видимо потому, что при прочих равных условиях в большой лампе тело может излучать большее количество энергии.
При очень высокой степени разрежения воздуха, когда вещество в лампе становится "лучистым", большая лампа имеет преимущество над маленькой, но оно сравнительно невелико.
Наконец, при очень высокой степени разрежения, которая может быть достигнута только при помощи специальных средств, какого-либо существенного различия в степени нагрева тела в сосудах большего, или меньшего размеров не наблюдается.
Эти наблюдения являются результатом большого числа экспериментов., один из которых, призванный продемонстрировать эффект размера лампы при высокой степени разрежения, может быть описан и показан здесь, поскольку представляет определенный интерес. Были взяты три сферических лампы размером в 2, 3 и 4 дюйма в диаметре. В центре каждой лампы были вмонтированы нити накаливания одинаковой длины и толщины. В каждой лампе часть нить накала прикреплена к ведущей внутрь платиновой проволоке, проходящей внутри впаянной в лампу стеклянной ножки. Конечно, по возможности, все они были как можно более похожими друг на друга. На каждой стеклянной ножке с внутренней стороны лампы расположена очень гладкая трубка, сделанная из листа алюминия, которая плотно подогнана к ножке и удерживается на ней под действием пружины. Назначение алюминиевой трубки будет объяснено чуть позже. В каждой лампе над металлическими трубками выступают части нити накала равной длины. Здесь мне представляется важным заметить, что при в условиях соблюдена равная длина и толщина нитей накала. Другими словами, нагреванию подвергались тела одинакового объема. Все три лампы припаяны к стеклянной трубке, которая подключена к помпе Спренгеля. По достижении сильного вакуума, стеклянную трубку, на которой крепятся лампы, наглухо запаивают. Затем к каждой лампе последовательно подключили ток. При этом нити накала достигли примерно одинаковой яркости, хотя самая маленькая лампа, расположенная посередине между двумя большими, могла бы быть немного поярче. Этот результат ожидался, так как когда одну из ламп подсоединяли к катушке, то яркий свет возникал и в двух других, демонстрируя таким образом, что на самом деле три лампы составляли единый сосуд. При параллельном подключении всех трех ламп к катушке, то в самой большой из них нить накала излучала яркий свет, в лампе поменьше — яркость была поменьше, а в самой маленькой — нить накала только покраснела. Затем лампы были разделены и подвергнуты испытаниям по отдельности. Яркость нитей накала стала такой как и ожидалось, т. е энергия выделялась пропорционально поверхности ламп. Эта поверхность в каждом случае выступает как одно из покрытий конденсатора.
Таким образом, между самой большой и средней лампами различия оказались меньше, чем между средней и самой маленькой лампами. В этом эксперименте было сделано интересное наблюдение. Все три лампы были подвешены на прямом оголенном проводе, подключенном к клемме катушки. На конце провода размещалась самая большая лампа, на некотором расстоянии от нее — самая маленькая, а средняя лампа — на таком же расстоянии от самой маленькой. Угольные электроды в больших лампах светились так, как и ожидалось, но в самой маленько из них свечение значительно ни слабее того, что могла выдать лампа. Это наблюдение навело меня на мысль изменить расположение ламп и я заметил, что какая бы из ламп не находилась посередине, она светила менее ярко, чем в любом другом положении. Этот таинственный результат был, конечно, следствием электростатических взаимодействий между лампами. Когда они располагались на значительном расстоянии друг от друга, или располагались по углам равностороннего треугольника из медной проволоки, они светили так, как и предопределялось размерами их поверхностей.
Что касается формы сосуда, то она также имеет довольно важное значение, особенно при высокой степени разрежения газа. Из всех возможных конструкций, наиболее пригодной для использования представляется сфера, в центре которой располагается вмонтированное в нее тугоплавкое тело. Опыт проведения таких экспериментов показал, что в сосуде сферической формы тугоплавкое тело заданного объема раскаляется значительно легче, чем в сосуде любой другой формы. Кроме того, по совершенно очевидным причинам, лучше, чтобы тело, которое подлежит накалу, также имело сферическую форму. В любом случае тело должно быть расположено в центре, где сталкиваются атомы, рикошетом отлетающие от стеклянных стенок. Этот процесс лучше происходит в сферическом сосуде, но он также происходит и в сосуде цилиндрической формы с одной или двумя прямыми нитями накала, расположенных по оси цилиндра. Кроме того, накаливание возможно, когда тугоплавкое тело, или тела, размещены в фокусе, или в фокусах, сосуда параболической или сферической форм. И это несмотря на то, что в последнем случае такое кажется невероятным, поскольку атомы, несущие электрический заряд, должны в любом случае нормально отражаться от поверхности. Но если скорость атомов не чрезмерна, то в этом случае они могут двигаться, подчиняясь общему закону отражения. Независимо от используемой формы сосуда, если разрежение в нем слабое, то нить накала раскаляется равномерно по всей длине. Однако, если степень разрежения велика, а лампа имеет сферическую или грушевидную форму, то обычно образуется фокальная точка, и нить накаливания накаляется больше именно в этой точке, либо вблизи нее. Чтобы проиллюстрировать этот эффект, я возьму две похожие маленькие лампы, с тем лишь различием, что в одной из них сильных вакуум, а в другой слабый. При подключении к катушке, в лампе со слабым вакуумом нить накала светится равномерно по всей длине, в то время как в лампе с сильным вакуумом, центральная часть нити светится более интенсивно, чем по краям. Примечательно то, что это явление происходит, даже если в лампе находятся две нити накаливания, каждая из которых присоединена к одной из клемм катушки. Но что еще более интересно, если они расположены близко друг от друга, то вакуум становится сильнее. В процессе эксперимента с этими лампами я заметил, что нить накала обычно прогорает в определенном месте. Сначала приписал это дефекту в углеродном электроде. Но затем, когда это явление повторилось многократно, мне удалось установить его настоящую причину. Для того, чтобы довести тугоплавкое тело в лампе до высшей степени накала, а это важно по экономическим причинам, нужно, чтобы вся энергия, поступающая к лампе от источника, без потерь достигала тела, не расходуясь никуда, кроме как на излучение. Разумеется, мы не ставим себе целью достичь этого теоретического результата, но при проектировании осветительных приборов к этому нужно стремиться. По многим причинам тугоплавкое тело помещают в центре лампы, и обычно оно держится на стеклянной ножке, внутри которого находится ведущий внутрь провод. Как только разность потенциалов на концах этого провода изменяется, разреженный газ, окружающий ножку, подвергается индуктивному воздействию, а стеклянная ножка подвергается сильной бомбардировке атомами, вследствие чего нагревается.
Таким образом, значительная часть энергии, подаваемой к лампе — особенно, если используется ток очень высокой частоты — может теряться, не достигая цели. Для того чтобы избежать этих потерь или свести их к минимуму, я обычно экранирую разреженный газ, окружающий ножку, от индуктивного воздействия ведущей внутрь проволоки, снабжая ножку трубкой или покрытием из электропроводного материала. Лучшим из металлов, пригодных для этих целей, несомненно, является алюминий, обладающий многими замечательными свойствами. Единственным его недостатком является его легкоплавкость, и поэтому, расстояние между ним и накаливаемым телом должно быть рассчитано очень точно. Обычно, из тончайшего алюминиевого листа делается тонкая трубка, диаметром чуть меньше, чем диаметр стеклянной ножки, и надевается на ножку. Трубку легко изготовить накручивая алюминиевый лист соответствующего размера на стержень, закрепленный в токарном станке. Для этого алюминиевый лист крепко удерживают куском чистой свиной кожи или промокательной бумаги и быстро вращают стержень. Лист плотно прилегает к стержню и получается очень гладкая трубка, состоящая из одного — трех слоев. При насаживании ее на ножку, обычно давления обхвата бывает достаточно, чтобы предотвратить ее соскальзывание, но для большей безопасности нижний край листа можно завернуть внутрь. Верхний внутренний угол листа (тот, который ближе всего находится к тугоплавкому накаляемому телу) должен быть обрезан по диагонали, так как часто случается, что под воздействием высокой температуры он выворачивается наружу и контактирует, либо близко подходит к проводу или нити накаливания, поддерживающей тугоплавкое тело. Теперь большая часть энергии, подаваемой к лампе, расходуется на нагревание металлической трубки, и лампа оказывается бесполезной для этих целей. Алюминиевый лист должен выступать над уровнем стеклянной ножки в большей или меньшей степени — на один дюйм, или около того — иначе, если стекло будет слишком близко располагаться от накаливаемого тела, оно может сильно нагреться и стать в некоторой степени электропроводным, от чего оно может треснуть. Либо, вследствие приобретенной электропроводности, оно может установить хороший электрический контакт между металлической трубкой и запаянным в стекло проводом. В этом случае также большая часть энергии будет расходоваться на нагревание трубки. Возможно, что лучший выход — это сделать верхнюю часть трубки меньшего диаметра, примерно на один дюйм, или чуть больше. Для того, чтобы в дальнейшем уменьшить опасность, возникающую из-за нагрева стеклянной ножки и предотвратить образование электрического контакта между металлической трубкой и электродом, я предпочитаю обертывать ножку несколькими слоями тонкой слюды, которые должны быть, по меньшей мере, вровень с металлической трубкой. В некоторых лампах я также использовал внешнее изолирующее покрытие.
Предыдущие замечания приведены только для того, чтобы помочь экспериментатору в его первых опытах. А трудности, которые будут встречаться ему в дальнейшем, он может преодолеть своими силами.
Для того, чтобы показать эффект экрана, и преимущество его использования, я взял две лампы как можно более походящий одна на другую, одного и того же размера, со стеклянными ножками, внутри которых имеются ведущие внутрь провода, к которым в свою очередь подсоединены нити накала. Стеклянная ножка одной лампы снабжена алюминиевой трубкой, а другая — нет. Сначала обе лампы соединялись трубкой, которая была подключена к помпе Спренгеля. По достижении сильного вакуума, сначала запаивается соединительная трубка, а затем лампы. Таким образом в обеих лампах образуется вакуум одинаковой величины. Когда лампы по отдельности присоединяли к катушке, выдающей определенную разность потенциалов, угольная нить накаливания в лампе, снабженной алюминиевым экраном, достигала высокой степени накала, в то время как нить накала в другой лампе, при той же разности потенциалов, даже не покраснела, хотя на самом деле она потребила больше энергии, чем первая. Когда их вместе присоединили к клемме катушки, разница стала еще более очевидной, что показало важность экранирования. Металлическая трубка, надетая на стеклянную ножку, в которую впаян провод, выполняет две различных функции. Во-первых, она действует как электростатический экран, и таким образом снижает потери энергии, подаваемой на лампу. Во-вторых, если вдруг по каким-либо причинам она не сможет действовать электростатическим путем, она выполнит свои функции механическим путем: предотвратит бомбардировку, и, следовательно, интенсивный нагрев и возможное разрушение тонкой опоры тугоплавкого накаливаемого тела, или стеклянной ножки с впаянным в нее проводом.
Я говорю "тонкая опора", так как очевидно, что для того чтобы более полно ограничить тепло нагреваемого тела, его опора должна быть очень тонкой, чтобы она уносила наименьшее количество тепла за счет [тепловой] проводимости. Среди всех опор, которые мне довелось использовать, самой лучшей оказалась нить накаливания обычной лампы, так как по сравнению с прочими проводниками она лучше всего противостоит сильному нагреванию.
Эффективность металлической трубки как электростатического экрана зависит в основном от степени разреженности газа.
При очень высокой степени разрежения, — достичь ее можно, если очень осторожно использовать специальные методы в сочетании с помпой Спренгеля, — когда вещество внутри сферы находится в сверхлучистом состоянии, ее действие наиболее эффективно. При этом тень верхнего края трубки четко видна на лампе.
При более низкой степени разрежения воздуха, давление которого примерно равно обычному "не пробиваемому" вакууму, как правило, пока частицы вещества движутся в прямом направлении, экран хорошо справляется со своей задачей. В качестве дополнительного пояснения к предыдущему замечанию необходимо показать, что представляет собой "не поддерживающий разряд" вакуум применительно к катушке, работающей в обычном порядке — от импульсов или тока низкой частоты, в отличие от катушки, работающей от тока очень высокой частоты. В этом случае, через разреженный газ разряд может проходить с большой легкостью, а низкочастотный разряд пройти не может, даже при значительно более высокой разности потенциалов. При обычном атмосферном давлении действует обратное правило: чем выше частота тока, тем меньше возможностей у искрового разряда проскочить между клеммами, особенно если они представляют собой шишаки, либо сферы, размером с шишаки.
Наконец, при очень низкой степени разрежения, при которой газ имеет хорошую электропроводность, металлическая трубка не только не действует как электростатический экран, но даже наоборот, она в значительной степени способствует рассеиванию энергии с поверхности впаянного провода. Конечно, этого следовало ожидать. То есть, в этом случае между металлической трубкой и впаянным проводом установлен хороший электрический контакт, и большинство бомбардирующих атомов направлены на трубку. Пока электрическое соединение не очень хорошее, электропроводная трубка дает некоторые преимущества, хотя и не сильно способствует экономии энергии. Она обеспечивает защиту ножки тугоплавкого электрода и служит также для концентрации на ней большей энергии.
Независимо от того, в какой степени алюминиевая трубка выполняет функции экрана, ее полезные свойства пропадают при очень высокой степени разрежения, когда она изолирована от электродов. То есть, тогда, когда газ как таковой не является проводником: его молекулы или атомы выступают как независимые носители электрических зарядов.
Токопроводящая трубка или покрытие, помимо того, что действуют как более или менее эффективный экран в истинном значении этого слова, в силу своей электропроводности могут также выступать в качестве разновидности эквалайзера, или в качестве элемента, снижающего интенсивность бомбардировки стеклянной ножки. Я представляю себе это действие следующим образом: представьте себе процесс ритмичной бомбардировки электропроводной трубки, возникший по причине того, что недостаточно хорошо работает в качестве экрана. При этом неизбежно часть молекул, или атомов, должны воздействовать на трубку быстрее, нежели остальные. Те из них, которые первыми вступают в контакт с ней, передают ей свой избыточный заряд и трубка электризуется. Электризация немедленно распространяется по всей поверхности трубки. Но это должно снизить потери энергии, происходящие в результате бомбардировки по двум причинам: во-первых, заряд передаваемый атомами, распространяется по большой площади, и следовательно, электрическая плотность в любой точке невелика, и атомы отталкиваются с меньшей силой, нежели они это делали бы во время ударов о хороший изолятор; во-вторых, поскольку трубка наэлектризовывается атомами, первыми вступившими с ней в контакт, то движение последующих атомов к трубке затруднено из-за отталкивающего эффекта, который возникает между трубкой и одинаково с ней заряженными атомами. Возможно, что сила отталкивания достигает такой величины, что значительная часть атомов не может достичь трубки, но в любом случае она должна уменьшить энергию их воздействия. Понятно, что при очень слабом разрежении и тогда, когда газ электропроводен, никакой из описанных выше эффектов произойти не может. С другой стороны, все меньше атомов могут перемешаться с большой свободой. Другими словами, чем выше степень разрежения, чем она ближе к предельной — тем более выразительны оба этих эффекта.
Все вышесказанное позволяет объяснить явление, которое наблюдал профессор Крукс. Он заметил, что разряд, проходящий через лампу, возникает значительно легче при наличии в ней изолятора, чем если бы в ней находился проводник. По моему мнению, проводник в качестве успокоителя движения атомов действует двумя отмеченными способами. Следовательно, чтобы вызвать видимый разряд, проходящий через лампу, в случае наличия проводника, особенно с большой поверхностью, необходима большая разность потенциалов.
Для того, чтобы прояснить некоторые сделанные ранее замечания, я должен буду обращаться к рисункам 18, 19, 20, на которых изображены разные типы наиболее часто используемых ламп.
На рис. 18 показано поперечное сечение сферической лампы L со стеклянной ножкой S. В ножку запаян провод W, к которому прикреплена нить накаливания /, служащая опорой для тугоплавкого электрода т, расположенной в центре. М — лист тонкой слюды, в несколько слоев обернутый вокруг ножки S, а а — алюминиевая трубка.
На Рис. 19 изображена эта же лампа, но с некоторыми улучшениями. Металлическая трубка S закреплена при помощи небольшого количества цемента в горловине трубки. В трубку ввинчена пробка Р, сделанная из изолирующего материала, в центре которой закреплена металлическая клемма t, служащая для подсоединения к проводу w. Эта клемма должна быть хорошо изолирована от металлической трубки S. Таким образом, если использованный цемент электропроводен, — а как правило это именно так — то пространство между пробкой Р и горловиной лампы должно быть заполнено хорошим изоляционным материалом, таким как порошок слюды.
На Рис. 20 представлена лампа, изготовленная для экспериментальных целей. В этой лампе алюминиевая трубка имеет внешнее соединение, которое служит для исследования эффекта трубки, происходящего при различных условиях. В основном она предназначена для использования в серии экспериментов, описанных ниже.
Бомбардировка ножки, содержащей запаянный провод, происходит в результате индуктивного воздействия последнего на разреженный газ. Уменьшение этого воздействия дает ряд преимуществ, которого можно достичь, если использовать очень тонкий провод, покрытый толстым слоем изоляции, изготовленной из стекла, или другого материала, а также, если провод, проходящий через газ, будет как можно короче. Чтобы скомбинировать эти характеристики, я использовал большую трубку T(Рис. 21), которая вдается внутрь лампы на определенное расстояние и имеет на своей верхней части очень короткую стеклянную ножку s, в которую запаян провод W. Для защиты верхней части стеклянной ножки от нагревания, я использовал маленькую алюминиевую трубку а, а нижнюю часть, как обычно, покрыл слоем слюды. Провод W, проходящий через большую трубку лампы наружу, должен быть хорошо изолирован, например, стеклянной трубкой, а пустое пространство между стенками и проводом должно быть заполнено хорошим изолятором. Среди множества изолирующих порошков, которые мне довелось опробовать, наиболее пригодным для использования является порошок слюды. Если не предпринять эти меры предосторожности, то трубка Т, вдающаяся в лампу, непременно треснет от нагревания кистевыми электрическими разрядами, которые образуются верхней части трубки вблизи сферы с разреженным газом. Эта опасность особенно велика, если в трубке создается сильный вакуум. Поэтому разность потенциалов, необходимая для обеспечения работы лампы, очень высока.
На Рис. 22 представлено похожее расположение частей, где большая трубка T, вдается внутрь лампы, содержащей тугоплавкий электрод т. В данном случае провод, идущий извне внутрь лампы, отсутствует, а необходимая энергия подается через покрытия конденсатора С С, В этой конструкции изолирующая прокладка Р должна плотно прилегать к стеклу и быть достаточно широкой, иначе разряд может не пойти через провод W, соединяющий внутреннее покрытие конденсатора с электродом накаливания m.
Молекулярная бомбардировка стеклянной ножки в лампе является источником больших сложностей. В качестве иллюстрации, я приведу в пример явление, которое наблюдал слишком часто и без удовольствия. Для этого можно взять лампу, предпочтительно большую и некое тело с хорошей электропроводностью, такой как кусок угля. Уголь размещается на платиновой проволоке, которая впаяна в стеклянную ножку лампы. Из лампы тщательно выкачивают воздух до состояния, близкое к тому, когда начинает возникать свечение. При подключении лампы к катушке, кусок угля, если он мал, сначала может раскалиться добела, но затем его яркость сразу же уменьшится, после чего через стекло, где-нибудь в области середины ножки, может возникнуть разряд в форме ярких искр. И все это происходит несмотря на то, что между платиновой проволокой и разреженным газом имеется хороший электрический контакт через кусок угля, или металл на крышке. Первые искры исключительно ярки, и напоминают те, что вылетают с поверхности чистой ртути. Но поскольку они очень быстро нагревают стекло, то их яркость быстро уменьшается, и они исчезают совсем, когда стекло в месте разрыва раскаляется, или нагревается до такой степени, что препятствует прохождению тока. Когда я впервые наблюдал это явление, оно показалось мне очень любопытным и замечательным образом демонстрирующим, насколько сильно отличается поведение переменного тока или импульсов высокой частоты от поведения постоянного тока или тока низкой частоты. При использовании частот, получаемых механическим способом, я думаю, что повреждение стекла является в большей или меньшей степени следствием бомбардировки, которое его нагревает и тем самым ухудшает изоляционные свойства. Но я не сомневаюсь, что при использовании частот, получаемых при помощи конденсатора стекло может треснуть без предварительного нагревания. Хотя сначала это кажется исключительным явлением, на самом деле это то, чего следовало бы ожидать. Электрическая энергия, поступающая к проводу, проходящему внутри лампы, частично испускается непосредственно угольным электродом, а частично — индукцией, через стекло окружающее провод.
Поэтому данный случай аналогичен тому, в котором конденсатор, имеющий внутренне параллельное соединение при помощи проводника с низким сопротивлением, подсоединяется к источнику переменного тока. До тех пор, пока частота остается низкой, проводник отбирает на себя все что может, и конденсатор сохраняется неповрежденным. Но когда частота становится чрезмерной, роль проводника может стать совершенно незначительной. В последнем случае разность потенциалов на клемме конденсатора может стать настолько большой, что диэлектрик разрушится, даже несмотря на то, что клеммы соединены между собой проводником с низким сопротивлением.
Конечно, для того, чтобы получить накал тела, помещенного в лампу, нет необходимости использовать такой ток, при котором тело становится электропроводным, и даже совершенно неэлектропроводное тело могло бы легко нагреваться. Для этой цели, достаточно окружить электропроводный электрод диэлектриком, таким как в лампе, описанной выше на рис. 21. В ней тонкая нить накаливания лампы покрыта неэлектропроводным материалом и поддерживает наверху электрод, изготовленный из такого же самого материала. Сначала бомбардировка поддерживается индуктивным воздействием через диэлектрик, и продолжается до тех пор, пока он не нагреется до такой степени, что станет электропроводным, и тогда бомбардировка продолжается обычным способом.
На Рис. 23 представлены компоновки элементов ламп раз- личных конструкций. В данном случае диэлектрик M встроен в часть обычной легкой угольной дуги так, что он находится чуть выше последней. Угольный элемент соединен с внутренним проводом, проходящим через стеклянную ножку, которая покрыта несколькими слоями слюды. Обычно для экранирования используется алюминиевая трубка a. Она расположена таким об- разом, что выступает вверх почти на такую же высоту, что и угольный элемент, и только диэ- лектрический элемент т чуть-чуть возвышается над ней. Сначала происходит бомбардировка верхней части угля, поскольку нижняя часть защищена алюминиевой трубкой. Однако, как только диэлектрик т нагревается до такой степени, что обретает хорошую электропроводность, центром бомбардировки становится именно он.
Во время этих экспериментов я сконструировал множество таких однопроводных ламп с внутренним электродом, или без него, в которых излучающее вещество размещалось напротив или над телом, подлежащим накаливанию. На Рис. 24. показана одна из таких ламп. Она состоит из колбы L, снабженной длинной шейкой n, в верхней части лампы, которая служит для того, чтобы в некоторых усиливать действие лампы посредством подключения к внешнему электропроводному покрытию. В нижней части колбы L имеется небольшое утолщение b, которое служит для прочного крепления колбы в гнезде S, сделанного из изолирующего материала. Лампу закрепляется в гнезде при помощи цементирующего материала. Тонкая нить накаливания f лампы, закрепленная на проводе W, проходит через центр колбы L. Нить накаливания подвергается нагреву в средней части, там, где бомбардировка, происходящая с нижней внутренней поверхности сферы, наиболее интенсивна. Нижняя часть колбы, примерно до уровня возвышения гнезда делается токопроводящей путем нанесения на нее фольги, или иным образом, а внешний электрод подключается к клемме катушки.
Способ подключения элементов, схематически изображенный на Рис. 24, был признан не самым лучшим для того, чтобы вызвать накал у нити накаливая, или электрода, расположенно- го в центре сферы, однако он достаточно удобен для того, чтобы вызвать свечение объекта.
Во время проведения множества экспериментов, где тела разных типов встраивались в лампу, как, например, на Рис. 23, были сделаны интересные наблюдения.
В частности, обнаружилось, что в таких случаях, независимо от того, где начиналась бом- бардировка, как только достигалась высокая температура, обычно выявлялось одно из тел, ко- торое принимало на себя основную мощь бомбардировки, тем самым освобождая от нее другое, или другие тела. Это качество принципиально зависит от точки плавления и от легкости, с ко- торой тело "испаряется" или, говоря вообще, расщепляется. Значение последнего термина за- ключается не только в испускании атомов, но и более крупных частей тела. Результаты этого научного наблюдение соответствовали общепринятым представлениям. В лампе с сильным раз- режением газа, электричество уносится с электрода независимыми носителями: частично ато- мами или молекулам оставшегося в сосуде воздуха, и частично атомами и молекулами электрода. Если электрод сделан из тел с различными характеристиками и одно из них расщеп- ляется легче, чем остальные, то большая часть потребляемого электричества улетучивается именно через тело, которое быстрее остальных достигает высокой температуры. Более того, при увеличении температуры это тело по-прежнему будет легче расщепляться, чем остальные.
Мне представляется весьма вероятным, что похожие процессы могут иметь место в лампе даже с однородным электродом, и они являются главной причиной расщепления тел. Они име- ют некоторое отношение к неровностям поверхности, даже если поверхность электрода под- вергнута самой тщательной полировке. Разумеется, такой операции невозможно подвергнуть большинство тел из тугоплавкого материала, используемых в качестве электродов. Допустим, что какая либо точка электрода горячее, чем другие. Тогда немедленно большинство разрядов начинает проходить через эту точку, и через несколько минут этот участок тела плавится и ис- паряется.
Теперь уже стало возможным, чтобы вследствие интенсивного расщепления тело поглощало бы температуру, либо вырабатывало противодействующую силу, так, как это происходит в дуге. В любом случае, локальный отрыв как недостаток, наряду с другими ограничениями, находится в допустимых пределах погрешностей, присущих данному эксперименту. Если отрыв все же происходит, то через некоторое время весь процесс возникает в другом месте. Невооруженному глазу электрод кажется одинаково гладким и блестящим, но вокруг него имеются точки в которых температура значительно выше той, что на его поверхности. Эти точки находятся в постоянном движении и сильно ускоряют процесс износа электрода. То, что подобное происходит, по крайней мере, тогда, когда электрод находится в условиях низкой температуры, можно подтвердить следующим экспериментом. В лампе создается очень сильный вакуум, такой, что при достаточно большой разности потенциалов разряд не происходит — по крайней мере, его не видно, так как, по всей вероятности, слабый невидимый разряд возникает постоянно. Теперь медленно и осторожно увеличиваем разность потенциалов, пустив первичный ток, но не более чем на мгновение. В определенной момент времени на сфере появятся одна, две или полдюжины светящихся точек. Очевидно, что эти места подверглись более интенсивной бомбардировке, чем остальные. Это является следствием неравномерно распределенной электрической плотности, вызванной неоднородностью формы или, говоря вообще, неровной поверхностью электрода. Но светящиеся места постоянно меняют свое положение, и это хорошо заметно если на поверхности лампы их очень мало. Это указывает на то, что структура электрода быстро изменяется.
Из опытов этого типа я сделал вывод, что для того, чтобы быть более прочной, тугоплавкий электрод в лампе должен иметь форму сферы и очень хорошо отполированную поверхность. Такую маленькую сферу можно изготовить из алмаза, или из некоторых других видов кристаллов, но лучше всего в условиях чрезвычайно высоких температур, которые можно достичь с помощью некоторых оксидов — таких как, например, оксид циркония — изготовить маленькую каплю, а затем поместить ее внутрь лампы при температуре, чуть ниже ее точки плавления. Несомненно, что при проведении исследований в направлении сверхвысоких температур могут быть получены очень полезные результаты. Но как можно достичь столь высокой температуры нагрева? Как в природе происходит сильное нагревание? Под воздействием звезд, при помощи высоких скоростей и в результате столкновений. При столкновении может быть достигнута любая степень нагревания. В химическом процессе мы ограничены. Когда кислород и водород соединяются, то они, образно говоря, падают с определенной высоты. Мы не можем подойти близко к взрыву, как и не можем удержать тепло в печи, но в разреженной лампе на маленьком участке мы можем сконцентрировать любое количество энергии. Таким образом, если опустить вопросы, связанные с возможностью практического достижения этих целей, то по-моему, это должно быть средство, при помощи которого мы могли бы добиться высокой температуры. Но, на практике мы сталкиваемся с большой проблемой, которая заключается в том, что в большинстве случаев вещество разрушается быстрее, чем оно может расплавиться и принять форму капли. Это особенно типично для оксидов, таких как оксид циркония, из которого невозможно сделать твердый кусок так, чтобы он быстро не разрушался. Я многократно пытался расплавить цирконий, помещая его в чашу или в углеродную дуговую лампу так, как это показано на рис. 23. Он светился с большой интенсивностью, а поток частиц, выбрасываемых им из углеродной чаши, имел ярко-белый цвет, но вне зависимости от того, был ли он в форме твердого кусочка, или в виде пасты с углем, он разрушался раньше, чем успевал расплавлялся. Я вынужден был поместить углеродную чашу с цирконием очень низко в шейку большой лампы, поскольку нагревание лампы от вылетающих частичек оксида было настолько быстрым, что при первом испытании лампа треснула практически через мгновение после того, как включили ток. Обнаружилось, что при нагревании стекла вылетающими частицами, нагрев происходит намного быстрее, если в угольную чашу поместить быстро разрушающееся вещество. Я предполагаю, что в этих случаях, при том же самом напряжении, достигается более высокая скорость частиц, и поэтому, в единицу времени испускается большее количество вещества, следовательно, больше частиц воздействует на стекло.
Однако вышеупомянутая проблема отсутствует, если тело, помещенное в углеродную чашку, обладает большой устойчивостью к разрушению. Например, если оксид сначала расплавить в пламени кислорода, а затем поместить его в лампу, он легко плавится и превращается в каплю.
Вообще, во время процесса плавления, были отмечены великолепные световые эффекты, которым трудно дать исчерпывающее толкование и объяснение.
Чем выше частота, тем больше отклонение от постоянного тока — худшее, что может быть для нити накаливания. Но если продемонстрирована истинность этого замечания, то неверно было бы полагать, что тугоплавкий электрод, который использовался в лампах, под действием тока очень высокой частоты должна разрушаться быстрее, чем под действием низкочастотного постоянного тока. По своему опыту я могу сказать, что все происходит совсем наоборот: электрод лучше противостоит бомбардировке под действием тока очень высокой частоты. Но это происходит потому, что высокочастотный разряд проходит через разреженный газ намного легче, чем разряд постоянный или низкочастотный. Это позволяет сделать вывод, что с разрядом постоянного тока мы можем работать при более низкой разности потенциалов, либо при менее сильном воздействии. Таким образом, до тех пор, пока газ не начинает оказывать влияние, постоянный или низкочастотный ток предпочтительнее, но как только действие газа усиливается, предпочтение отдается току высокой частоты.
В ходе этих экспериментов было проведено большое количество испытаний со всеми типами угольных электродов. Электроды сделанные из обычного углерода, несомненно, оказались более долговечными, чем электроды, сделанные с применением высокого давления. Электроды, которые изготовлялись хорошо известными способами осаждения угля, зарекомендовали себя не лучшим образом — от их использования сфера быстро покрывалась черным налетом. Основываясь на результатах многочисленных опытов, я сделал вывод, что нити ламп накаливания, полученные таким способом можно с успехом использовать только при низкой разности потенциалов и низкочастотном токе. Некоторые виды угля настолько сильно противостоят воздействию тока, что для того, чтобы довести их до раскаленного состояния, необходимо использовать очень маленькие по размеру электроды. В этом случае осуществление наблюдений сопряжено с большими трудностями, вызванными мощным тепловым излучением. Тем не менее, не вызывает сомнения тот факт, что вес типы углерода плавятся под воздействием молекулярной бомбардировки, а их жидкое состояние чрезвычайно нестабильно. Из всех типов испытанных веществ были выделены два, наиболее устойчивых — алмаз и карборунд. Эти два вещества имеют примерно одинаковые свойства, но последний предпочтительнее по многим причинам. Поскольку это вещество еще мало изучено, то я позволю себе привлечь к нему Ваше внимание и остановиться на нем более подробно.
Оно было получено недавно Е.Г. Ачесоном из города Мононгахела, США. Он намеревался заменить им обычный алмазный порошок в шлифовальных кругах и т. д. и насколько мне известно, его старания увенчались успехом. Я не знаю, почему этому материалу присвоили такое название "карборунд". Не исключаю, что такой выбор обосновали некоторые детали его промышленного получения. Благодаря любезности изобретателя, некоторое время назад я получил несколько образцов этого материала, которые я намеревался испытать на предмет качества свечения и способности противостоять воздействию высокой температуры.
Карборунд можно получить в двух формах — в форме кристалла и порошка. Невооруженному глазу кристаллы кажутся темным, но очень ярким; порошок по цвету очень близок к цвету обычного алмазного порошка, только намного более красив. При рассмотрении образцов кристаллов под микроскопом, мне показалось, что они не имеют определенной формы и больше напоминают частицы молотого каменного угля высокого качества. Большая их часть была непрозрачна, но встречались также прозрачные и даже цветные. Эти кристаллы представляют собой разновидность углерода, содержащего некоторое количество примесей, они необычайно твердые и устойчивы к разрушению в течение длительного времени даже в кислородном пламени. При воздействии на них пламенем кислородной горелки, они сначала спекаются в плотную массу, возможно, вследствие расплавления содержащихся в них примесей. Эта масса очень устойчива к действию пламени, и не плавится в течение длительного времени, но в конце концов после того, как возникнет медленное горение, или пламя, образуется стеклоподобный осадок. Я предполагаю, что это расплавленный оксид алюминия. В сильно спрессованном состоянии это вещество хорошо проводит электрический ток, но не так хорошо как обычный углерод. Порошок, каким-то образом полученный из кристаллов практически не проводит электрический ток. Он является великолепным материалом для шлифовки камней.
У меня было мало времени, чтобы сделать удовлетворительный анализ свойств этого вещества, но поэкспериментировав с ним несколько недель, я могу сказать, что оно обладает многими замечательными свойствами.
Он обладает исключительно высокой устойчивостью к высоким температурам, слабо разрушается при молекулярной бомбардировке и не загрязняет стеклянную сферу как обычный углерод. Есть только одна проблема, которую я обнаружил в ходе этих экспериментов — это проблема найти связывающие материалы, которые были бы столь же устойчивыми к воздействию тепла и бомбардировки, как и сам карборунд.
Здесь у меня есть несколько ламп, которые я оснастил электродами из карборунда. Чтобы изготовить такой электрод из кристалла карборунда, я поступил следующим образом. Я взял обычную нить накаливания и окунул ее в смолу, или другое плотное вещество, например, краску, которое может легко обугливаться. Затем я пропустил нить накаливания через кристаллы, и стал держать ее вертикально над горячей пластиной. Смола размягчилась и образовала каплю на конце нити накаливания, а кристаллы приклеились к поверхности капли. Регулируя расстояние от горячей пластины до смолы, я медленно высушил ее и электрод стал твердым. Затем я еще раз погрузил электрод в смолу и держал его над горячей пластиной до тех пор, пока смола не испарилась, оставив только твердую массу, которая прочно скрепила кристаллы. Если требовалось получить большой электрод, я повторял процесс несколько раз и обычно покрывал нить накаливания смолой на некоторое расстояние ниже капли с кристаллами.
Затем электрод устанавливался в лампе. После того как в лампе создавался сильным вакуум, я пропускал через нее сначала слабый, а затем сильный разряд для того, чтобы смола обгорела, и все газы были вытеснены. И только после этого я включал лампу на полную мощность.
При использовании порошка, наилучшим способом, который я смог найти, является следующий: Я сделал густую пасту из карборунда и смолы и пропустил через нее нить накаливания. Затем натер нить накаливания кусочком замши с нанесенной на нее пастой, после чего держал ее над горячей пластиной до тех пор, пока смола не испарилась, и покрытие не стало прочным. Я повторял этот процесс много раз, для того, чтобы получить необходимую толщину покрытия. На конце нити накаливания, уже покрытой смолой с порошком я таким же образом сформировал электрод.
Нет никаких сомнений в том, что такой электрод из карборунда, полученный при высоком давлении, особенно если он сделан из порошка наилучшего качества, будет устойчив к действию молекулярной бомбардировки, как никакое другое известное вещество. Проблема только в том, что связующий материал разрушается, и карборунд с течением времени постепенно осыпается. Поскольку он меньше всего загрязняет стеклянный шар, то он может оказаться полезным для покрытия нити накаливания в обычной лампе, и я даже думаю, что вполне можно сделать тонкие нити или стержни из карборунда, которые заменили бы обычные нити накаливания в лампах. Покрытие из карборунда оказалось более долговечным, чем другие, не только потому, что карборунд устойчив к действию высоких температур, но и потому, он лучше соединяется с углеродом, нежели другие испытанные мною вещества. Например, покрытие из циркония, или любого другого оксида разрушается намного быстрее. Я изготовил электрод из алмазной пыли таким же способом, как и из карборунда, но связующая паста разрушалась намного быстрее на алмазных электродах. Однако я отнес эти недостатки на счет неровностей алмазных частичек.
Было интересно найти ответ на вопрос, обладает ли карборунд способностью к свечению. Я был готов встретиться с двумя трудностями. Во-первых, как твердое вещество, в кристаллической форме он является хорошим проводником, а известно, что проводники не способны светиться. Во-вторых, его порошок очень мелкий, и не подходит для того, чтобы ярко продемонстрировать это качество, так как мы знаем, что когда кристаллы, даже такие как алмаз или рубин, находятся в виде мелкого порошка, их способность светиться существенно уменьшается.
Отсюда возникает вопрос, может ли светиться проводник? Что лишает такой материал как, например, металл, возможности светиться, если это свойство характеризует его как проводник? Общеизвестно, что большинство светящихся тел теряют это свойство, когда их нагревают до такой температуры, что они становятся в той, или иной степени электропроводными.
Таким образом, если металл будет в большой мере, а возможно и полностью лишен этой способности, он должен получить способность светиться. Следовательно, возможно, что при очень высокой частоте, когда он ведет себя как непроводник, металл или другой проводник может проявить способность к фосфоресценции, даже если он совершенно не способен светиться под действием низкочастотного разряда. Однако, возможен и другой способ вызвать свечение проводника.
До сих пор еще имеется много неясностей в отношении того, что же в реальности представляет собой фосфоресценция, и не называют ли этим термином разные явления, возникающие вследствие одних и тех же причин. Представьте себе, что в разреженной лампе под действием молекул поверхность куска металла или другого проводника начинает светиться ярким светом, но при этом обнаруживается, что он остается сравнительно холодным. Можно ли этот яркий свет назвать фосфоресценцией? Такой результат, по крайней мере, теоретически, возможен, это не более чем вопрос разности потенциалов или скорости. Предположим, что разность потенциалов на электроде, и, следовательно, скорость выбрасываемых атомов достаточно высоки. Тогда, поверхность куска металла, бомбардируемого атомами, должна сильно накаляется, поскольку процесс выработки тепла происходит несоизмеримо быстрее, чем излучение и отток тепла от поверхности. Глазу наблюдателя может показаться, что единичное столкновение атомов сопровождается мгновенной вспышкой, но если вспышки повторяются с достаточно высокой частотой, то они производят непрерывное воздействие на сетчатку глаза. При этом наблюдателю будет казаться, что поверхность металла имеет постоянный накал и светится с постоянной интенсивностью, тогда как в реальности, такой свет является прерывистым или, по крайней мере, периодически меняет свою интенсивность. Температура куска металла будет повышаться до тех пор, пока не установится состояние равновесия, т. е. до тех пор, пока непрерывно излучаемая энергия не будет равна поглощаемой. Однако в таких условиях вполне может сложиться ситуация, когда подаваемой энергии может оказаться недостаточно для того, чтобы повысить температуру тела свыше среднего значения, особенно тогда, когда частота атомных столкновений очень низкая — но достаточная для того, чтобы человеческий глаз не различал колебания интенсивности света. Тогда тело благодаря способу, которым оно получает энергию, должно излучать сильный свет, а температура тела должна быть ниже среднего значения. Как наблюдатель назовет полученный таким способом свет? Даже если анализ света покажет нечто определенное, он, вероятно, отнесет это к явлению фосфоресценции. Возможно, что таким образом и электропроводные, и неэлектропроводные тела могут поддерживаться в состоянии определенной интенсивности свечения, но энергия, необходимая для этого, очень сильно варьируется, в зависимости от природы и свойств тел. Эти и некоторые другие вышеупомянутые замечания умозрительного характера были сделаны просто для того, чтобы обозначить любопытные особенности переменного тока или электрических импульсов. С их помощью мы можем сделать так, чтобы при определенной средней температуре тело излучало бы больше света, чем оно могло бы излучить при той же температуре под действием постоянного тока. А также, мы можем довести тело до точки плавления, и чтобы при этом оно излучало меньше света, чем оно выделяет при температуре плавлении, достигнутой обычными способами. Все это зависит от того, как образом мы подаем энергию, и какой вид колебаний мы используем. В одном случае колебания больше, в другом — меньше, в зависимости от их восприятия нашими органами зрения.
Некоторые эффекты, полученные при первых же испытаниях с карборундом, и которые я до этого не наблюдал, я квалифицировал как фосфоресценцию, но из последующих экспериментов стало ясно, что это вещество не обладает данным качеством. Кристаллы карборунда обладают свойством, заслуживающим особого внимания. Например, в лампе с одним электродом в виде маленького круглого металлического диска, при определенной степени разрежения электрод покрывается пленкой молочно-белого цвета, которая отделена темным пространством от света, заполняющего лампу. Когда металлический диск покрыт кристаллами карборунда, пленка становится более интенсивной, а цвет ее становится снежно белым. Это, как я позже установил, является простым эффектом блестящей поверхности кристаллов, поскольку хорошо отполированный алюминиевый электрод создает более или менее похожий эффект. Я провел множество экспериментов с образцами полученных мною кристаллов, именно потому, что они вызывали особый интерес. Этот интерес заключался в изучении их способностей к фосфоресценции с учетом того, что они обладают свойствами проводника.
Мне не удалось получить отчетливое свечение, но следует заметить, что решающее мнение можно будет сформировать только тогда, когда будут проведены другие эксперименты в этой области.
В некоторых экспериментах поведение порошка было таким, как если бы он содержал оксид алюминия, но при этом он не становился сколь либо отчетливого красного цвета, столь присущего последнему. Сияние его тусклого цвета возникает в значительной степени под воздействием молекулярной бомбардировки, и сейчас я абсолютно уверен, что он не обладает способностью к фосфоресценции. Поскольку результаты испытаний порошка еще не окончательны, так как, возможно, порошок карборунда не ведет себя подобно фосфоресцирующим сульфидам, которые могут находиться в состоянии очень мелкой пыли и при этом не потерять способности к свечению. Он ведет себя подобно порошку алмазов, или рубинов. Поэтому, для того, чтобы провести решающий тест, необходимо поместить его в большую лампу и отполировать его поверхность.
Если карборунд докажет свою полезность в связи с этим и подобными экспериментами, то его главная ценность будет использована при изготовлении покрытий, тонких проводников, кнопочных или других электродов, хорошо противостоящих очень сильному нагреванию.
Получение небольшого электрода, выдерживающего высокие температуры, я считаю задачей величайшей важности в деле производства света. Это позволит нам с помощью токов очень высокой частоты, получать более чем в 20 раз большее количество света, нежели то, что сейчас от обычных ламп накаливания, при том же расходе энергии. Эта оценка может показаться излишне преувеличенной, но я думаю, что она близка к реальности. Поскольку это утверждение может быть неправильно понято, я думаю, что необходимо яснее осветить проблему, с которой мы столкнулись на этом направлении работ, и способ, которым, по моему мнению, ее можно разрешить.
Любой, кто начинает изучать эту проблему, полагает, что для этого нужна лампа с электродом, имеющим очень высокую степень накаливания. И это будет его ошибкой. Сильный накал электрода является необходимым злом, а вот что действительно необходимо, так это сильный накал газа, окружающего электрод. Другими словами, проблема заключена в поиске лампы, способной довести газовую массу до наивысшей степени накала. Чем больше накаливание, тем быстрее основные колебания, тем больше экономичность получения света. Однако для того, чтобы поддерживать газовую массу в стеклянном сосуде в состоянии наивысшей степени накала в стеклянном сосуде, необходимо оградить газовую массу от соприкосновения со стеклом, то есть удерживать газ как можно ближе к центру сферы.
В одном из сегодняшних экспериментов образовался кистевой электрический разряд на конце провода. Этот кистевой разряд представлял собой пламя, и являлся источником тепла и света. Он не излучал ни сколь-нибудь ощутимого тепла, ни интенсивного свечения. Но разве оттого, что оно не обжигает мою руку, оно в меньшей степени является пламенем? Разве оно меньше является пламенем, если не причиняет боль моим глазам своим ярким светом?
Проблемой является получение в лампе такого пламени, которое было бы значительно меньшего по размеру, но несравнимо более мощным. Если бы в нашем распоряжении имелись средства для выработки электрических импульсов существенно более высокой частоты, и средства для их передачи, то от лампы можно было бы избавиться совсем, если конечно она не использовалась для защиты электрода, или для экономии энергии, ограничивая собой распространение тепла. Но поскольку в нашем распоряжении нет таких средств, то мы вынуждены помещать электрод в лампу и разрежать в ней воздух. Это сделано только для того, чтобы обеспечить работу прибора, которая невозможна при обычном давлении воздуха. В лампе мы можем усилить действие до любой степени — вплоть до того, чтобы кистевой разряд излучал яркий свет.
Интенсивность излучаемого света зависит от частоты и разности потенциалов импульсов, а также от электрической плотности на поверхности электрода. Очень важно использовать как можно меньший по размеру электрод, это необходимо для увеличения плотности. Когда вокруг маленького электрода происходят интенсивные столкновения молекул, то он раскаляется до очень высокой температуры, но вокруг него находится масса сильно раскаленного газа, или фотосфера пламени, которая в сотни раз превышает объем электрода.
Если в лампе использован электрод с алмазом, карборундом или цирконием, то фотосфера может превосходить объем электрода более чем в тысячу раз. Если особо не вдумываться, то может показаться, что при таком сильном накаливании электрод сразу испарится, но при детальном рассмотрении оказывается, что теоретически этого быть не должно, и результаты экспериментов это подтверждают. Именно этот факт определяет главную ценность такого типа ламп в дальнейшем.
Вначале, когда бомбардировка только начинается, основная работа происходит на поверхности электрода, но когда образуется сильно электропроводная фотосфера, нагрузка на электрод уменьшается. Чем больше раскалена фотосфера, тем сильнее ее электропроводность приближается к электропроводности электрода. Таким образом твердое тело и газ формируют единое электропроводное тело. Следствием этого является то, что при дальнейшем усилении накаливания, больше нагрузки приходится на газ и меньше на электрод. Образование мощной фотосферы оказывается главным фактором, обеспечивающим защиту электрода. Конечно, эта защита относительна, и не следует полагать, что при усиление накаливания уменьшается разрушение электрода. Тем не менее, теоретически, этот результат должен получаться при чрезвычайно высоких частотах, при температуре, намного превышающую точку плавления большинства из известных тугоплавких материалов. Поэтому электрод, способный противостоять очень мощной бомбардировке и другим внешним воздействиям, останется неповрежденным вне зависимости от того, как долго он подвергался такому, но более слабому воздействию. Применительно к лампе накаливания имеются совершенно иные соображения. Там газ ни с чем не связан: вся работа совершается на нити накаливания и время существования лампы ограничено только скоростью, с которой увеличивается степень накаливания. Именно экономические причины заставляют нас эксплуатировать ее при слабом накаливании. Но если лампа накаливания работает от тока очень высокой частоты, то действием газа пренебречь уже нельзя и правила экономной работы должны быть в значительной степени изменены. Для того, чтобы работа лампы с одним, или двумя электродами была близка к идеальной, необходимо задействовать импульсы очень высокой частоты. Помимо всего прочего, высокая частота предоставляет два важных преимущества, которые играют самую важную роль в экономических расчетах производства света. Во-первых, разрушение электрода уменьшается из-за того, что мы используем множество слабых воздействий, вместо нескольких сильных, которые быстро разрушают структуру электрода. Во-вторых, она способствует образованию большой фотосферы.
Для того, чтобы свести к минимуму разрушение электрода, желательно, чтобы колебания были гармоничными, так как любые рывки ускоряют процесс разрушения. Электрод проработает дольше, если накаливание создается током или импульсами, получаемыми от высокочастотного генератора переменного. Колебания такого тока происходят более плавно, нежели импульсы, получаемые от катушки пробойного разряда. В последнем случае нет сомнений, что большинство повреждений происходят из-за сильных внезапных разрядов. Одной из причин потерь энергии в такой лампе является бомбардировка сферы. Когда разность потенциалов очень высока, молекулы испускаются с большой скоростью, они ударяются о стекло и обычно вызывают сильное свечение. Получается очень красивый эффект, но по экономическим соображениям его следует избегать или сводить к минимуму. В данном случае, бомбардировка сферы, как правило, не вызывает фосфоресценцию, и потери энергии от бомбардировки снижаются. Эти потери энергии в лампе очень сильно зависят от разности потенциалов импульсов и от электрической плотности на поверхности электрода. При использовании тока очень высокой частоты, потери энергии в результате бомбардировки существенно уменьшаются. Во-первых, потому, что для получения такого же количества работы требуется меньшая разность потенциалов. Во-вторых, потому, что вокруг электрода создается высоко электропроводная фотосфера. То же самое получилось бы, если электрод был бы намного больше, что равнозначно меньшей электрической плотности.
Но уменьшая разность потенциалов, или плотность разряда, мы получаем определенную выгоду, а именно: избегаем сильных возмущений, которые настолько сильно воздействуют на стекло, что это порой превосходит пределы его эластичности. Если частота будет достаточно высока, то потери энергии вследствие недостаточной эластичности стекла будут совершенно незначительны. Потери энергии, вызванные бомбардировкой сферы, можно уменьшить, если использовать два электрода вместо одного. В этом случае каждый из электродов может быть подсоединен к одной из клемм, либо, если предпочтение отдается использованию только одного провода, то один электрод может быть подсоединен к клемме, а другой заземлен, или подсоединен к изолированному телу с определенной площадью поверхности, например, к затенителю лампы. В последнем случае, если не применить некоторые дополнительные настройки, то один из электродов может светиться более интенсивно, чем другой.
Но в целом, мне представляется предпочтительным, при задействовании тока столь высокой частоты, использовать только один электрод и один токопроводящий провод. Я убежден, что для работы осветительных приборов ближайшего будущего не потребуется больше одного подводящего провода, и в любом случае, они не будут иметь внутренних проводов, поскольку необходимую энергию можно будет с успехом подавать через стекло. В экспериментальных лампах внутренний провод в большинстве случаев используется из соображений удобства, так как при применении конденсаторного покрытия (как, например, способом, показанным на рис. 22) возникают некоторые трудности при соединении частей, но этих трудностей не должно возникать, при промышленном производстве большого количества ламп. В противном случае энергия может передаваться через стекло, а также через провод, а при таких высоких частотах потери энергии очень малы. Такие осветительные приборы будут неизбежно требовать для своей работы очень высокой разности потенциалов, что в глазах практиков может иметь спорное будущее. На самом же деле, высокая разность потенциалов не вызывает возражений — по крайней мере если обеспечена надежная безопасность таких устройств.
Есть два пути достижения безопасности электрических приборов. Один — это использовать низкую разность потенциалов, другой — создать аппаратуру с такими параметрами, чтобы ее безопасность не зависела от используемого напряжения. Из двух путей, последний мне кажется лучшим потому, что в этом случае обеспечивается абсолютная безопасность, не зависящая от каких-либо стечений обстоятельств, когда использование даже низкого напряжения могло бы представлять опасность для жизни, или для имущества. Но практические условия требуют не только определения разумных размеров аппаратуры, они также требуют применения определенного типа энергии. Например, легко создать трансформатор, который бы работал от обычного генератора переменного тока низкого напряжения, и который мог бы вырабатывать напряжение, необходимое для работы фосфоресцирующей трубки с сильным вакуумом. При этом, несмотря на столь высокое напряжение, эта трубка абсолютно безопасна, поскольку электрический удар от нее не причинит никакого вреда. Однако такой трансформатор будет довольно дорогим, и по своей сути неэффективным. Более того, электрическая энергия, полученная от него, не может быть экономично использована для освещения. Экономика требует использования энергии в виде очень быстрых колебаний. Проблема получения света подобна проблеме воспроизведения колоколом звука высоких тонов, можно сказать даже звука, находящегося на грани восприятия человеком. Даже эти слова недостаточно экспрессивны, чтобы выразить, насколько удивительна чувствительность человеческого глаза. Мы можем выдавать мощные удары через длительные интервалы времени, затрачивая на это много энергии, и не получая при этом того, что хотим. Либо, мы можем воспроизвести и держать ноту путем частых мягких ударов, что уже будет ближе к искомому уровню затратам энергии. В получении света может быть только одно правило, в рамках рассмотренных здесь осветительных приборов — использовать ток самой высокой частоты, которую только можно получить, однако, возможности для получения и передачи импульсов такого типа, по крайней мере сейчас, сильно ограниченны. Как только мы решим использовать ток очень высокой частоты, обратный провод станет ненужным, и конструкции всех устройств упростятся. Используя очевидные возможности, мы получим такой же результат, как и при применении возвратного провода. Для этого достаточно подсоединить к лампе, или расположить в непосредственной близости от нее изолированное тело с определенной площадью поверхности. Конечно, поверхность должна быть тем меньше, чем больше используемая частота и разность потенциалов. Кроме того, это необходимо для увеличения экономичности лампы или другого устройства.
Этот план работы устройств сегодня был применен в нескольких случаях. Так, например, накаливание электрода происходило в результате обхвата лампы рукой, то при этом тело экспериментатора служило для усиления интенсивности действия. Использованная лампа была похожа на ту, что представлена на Рис. 19. Возбуждение катушки проводилось до небольшой разности потенциалов, не достаточной для того, чтобы довести электрод до раскаленного состояния, когда лампа висела на проводе, и недостаточной для того, чтобы выполнить эксперимент более подходящим способом. Электрод был сделан таким большим, чтобы прошло немало времени, прежде чем он раскалился в удерживаемой лампе. Конечно, контакт с лампой был совершенно необязателен. Используя довольно большую лампу с чрезвычайно маленьким электродом легко произвести регулировки таким образом, чтобы накал в лампе образовывался при простом приближении к ней экспериментатора на расстояние в несколько футов, и ослабевал при его удалении.
В другом эксперименте, когда возбуждалось свечение, была использована похожая лампа. Здесь вновь изначально разность потенциалов была недостаточной для того, чтобы возбудить фосфоресценцию, до тех пор, пока действие не было усилено. Однако в этом случае, для того чтобы продемонстрировать другое свойство, я дотрагиваюсь до цоколя лампы металлическим предметом, который держу в руке. Электрод в лампе представлял собой угольный электрод, настолько большую, что она не могла накалиться и тем самым испортить эффект, производимый свечением.
И вновь, как в одном из ранних экспериментов, была использована лампа, такая же, как изображенная на Рис. 12. В данном случае, при касании лампы одним или двумя пальцами, на внутренней стороне стекла проецировались одна или две тени. Прикосновение пальцем вызывало такой же эффект, как и применение внешнего отрицательно заряженного электрода в обычных условиях.
Во всех этих экспериментах усиление действия достигалось увеличением емкости на конце подводящего провода, присоединенного к клемме. Как правило, прибегать к таким средствам, не обязательно, можно даже обойтись и без такой высокой частоты тока, но если они имеются, то можно легче адаптировать лампу или трубку для подобных целей.
Например, на Рис. 24 изображена экспериментальная лампа, в верхней части которой имеется шейка n. На внешнюю часть шейки наносится покрытие из фольги, которую можно подключить к телу с большой поверхностью. Лампа, изображенная на Рис. 25, также может светиться, если покрытие из фольги на шейке n подключить к клемме, а внутренний провод — к изолирующей пластине. Если лампа установлена в гнезде, поддерживающем ее в вертикальном положении так, как это изображено на рисунке в поперечном сечении, то мощность лампы можно увеличить, если в шейку п поместить небольшое количество электропроводного материала.
На Рис. 26 представлена более совершенная компоновка элементов, использованная в конструкциях некоторых из этих ламп. Такая конструкция ламп показана и описана ранее, когда делались ссылки на Рис. 19. Цинковый лист Z с трубкой Т надет на металлическое гнездо S. Лампа подвешена на клемме t. Цинковый лист Z выполняет двойную функцию: усилителя и отражателя. Отражатель отделен от клеммы t насадкой изолирующей пробки Р.
На Рис. 27 представлено похожее расположение компонентов со светящейся трубкой. Трубка Т сделана из двух коротких трубок разного диаметра с запаянными краями. На нижний край нанесено внешнее электропроводное покрытие С, к которому подсоединяется провод W. На конце провода имеется крюк, за который он подвешивается в вертикальном положении. Сам провод проходит через внутреннюю центральную часть трубки, которая заполнена плотно утрамбованным изолирующим материалом. На внешней стороне верхнего края трубки T нанесено другое электропроводное покрытие Сj, на которое надет металлический отражатель Z, Отражатель должен быть отделен от конца провода W толстым слоем изолятора.
Для того, чтобы использовать такой отражатель, или усилитель в экономичном режиме требуется, чтобы энергия, поступающая на воздушный конденсатор, была восполнимой, или, другими словами, она не должна теряться, ни в газовой среде, ни где бы-то ни было еще. Это еще далеко от реальности, но, к счастью, подобным образом все же удается несколько снизить потери энергии.
На этот предмет необходимо сделать несколько замечаний, с тем, чтобы пояснить результаты исследований, полученных в ходе экспериментов.
Представьте себе маленький соленоид, содержащий большое количество витков хорошо изолированного провода, такого как в эксперименте на рис. 17. Один из концов провода подсоединен к клемме индукционной катушки, а другой к металлической пластине, или, для простоты, к сфере, изолированной в пространстве. Когда катушка начинает работать, то потенциал сферы изменяется, что приводит к тому, что маленький соленоид ведет себя так, как если бы его свободный конец был подсоединен к другой клемме индукционной катушки. Если внутрь соленоида поместить железный стержень, то он быстро нагреется до высокой температуры, что показывает прохождение сильного тока через соленоид. Как в этом случае ведет себя изолированная сфера? Она может играть роль конденсатора, сохраняющего и возвращающего направляемую к ней энергию, либо она может быть просто стоком энергии. И только условия эксперимента определяют, чем же она является в большей степени: конденсатором, или стоком. Если потенциал заряда сферы высок, то она индуктивно воздействует на воздух, или любую другую, окружающую ее газовую среду. Разумеется, молекулы, или атомы находящиеся вблизи сферы, притягиваются сильнее, и движутся на большее расстояние, чем те, которые находятся дальше. Когда ближайшие молекулы сталкиваются со сферой, они тут же отталкиваются назад, и столкновения происходят по всей области индуктивного действия сферы. Теперь нам известно, что если при постоянном потенциале происходит небольшая потеря энергии, то ближайшие к сфере молекулы, которые обладают дополнительным зарядом, полученным ими в результате столкновения со сферой, больше не притягиваются до тех пор, пока они на потеряют весь, или хотя бы большую часть своего дополнительного заряда, что происходит только в результате большого количества столкновений. Это умозаключение можно сделать основываясь на том факте, что при постоянном потенциале в сухом воздухе происходит, пусть и небольшая, но все же потеря энергии. Когда потенциал сферы вместо постоянного становится переменным, то условия меняются кардинальным образом. В этом случае ритмичная бомбардировка происходит вне зависимости от того, контактируют ли потом молекулы со сферой, уменьшая при этом сообщаемый заряд, или нет. Более того, если заряд не уменьшается, сила столкновений только увеличивается. Однако, если частота импульсов очень мала, потери, вызванные столкновениями, будут незначительными, и это будет продолжаться до тех пор, пока величина на станет чрезмерной. Но когда используются сверхвысокая частота и более или менее высокая разность потенциалов, потери могут быть очень большими. Общие потери энергии в единицу времени пропорциональны произведению числа столкновений в секунду, или частоте, и потере энергии в каждом столкновении. Но энергия столкновения должна быть пропорциональна квадрату электрической плотности сферы, так как заряд, сообщаемый молекуле, пропорционален его плотности. Из этого я сделал вывод, что общие потери энергии должны быть пропорциональны произведению частоты и квадрату электрической плотности, но этот закон нуждается в экспериментальном подтверждении. Если рассматривать предыдущие утверждения как истинные, то получается, что быстро изменяя разность потенциалов тела, погруженного в изолирующую газовую среду, можно рассеять в пространстве любое количество энергии. Я полагаю, что большая часть этой энергии не рассеивается в виде длинных эфирных волн, распространяющихся на значительное расстояние, как это обычно представляется, а расходуется в столкновениях и взаимодействиях, например, как в случае с использованием изолированной сферы, или, как в случае тепловых колебаний — на поверхности и вблизи сферы. Для того, чтобы уменьшить интенсивность рассеивания, необходимо использовать малую электрическую плотностью; чем они меньше, тем выше частота.
Но поскольку, в соответствии с выдвинутыми утверждениями, потери уменьшаются пропорционально квадрату плотности, и так как ток очень высокой частоты предполагает значительные потери при передаче его через проводник, следует, что в целом, предпочтительнее использовать один провод, чем два. Поэтому, если двигатели, лампы или устройства любых других типов будут усовершенствованы так, что они будут способны работать преимущественно от тока сверхвысокой частоты, то по экономическим причинам будет предпочтительнее использовать только один провод, особенно на большие расстояния.
Когда энергия поглощается в конденсаторе, то он ведет себя так, как если бы его емкость возросла. Поглощение всегда существует в большей, или в меньшей степени, но обычно оно невелико и при использовании тока не очень высокой частоты не влечет за собой каких-либо последствий.
При использовании тока сверхвысокой частоты, а также необходимой в таких случаях высокой разности потенциалов, абсорбция, или, более точно применительно к данному случаю, потеря энергии, обусловленная наличием газообразной среды, является важным фактором, который следует принимать во внимание, так как энергия, абсорбируемая в воздушном конденсаторе, может представлять собой любую фракцию подаваемой энергии. Может показаться, что очень трудно отличить замеренную, или расчетную емкости воздушного конденсатора от его действительной емкости, или колебательный период, особенно, если конденсатор имеет очень маленькую поверхность или заряжается до очень высокой разности потенциалов. Так как многие важные результаты зависят от правильности оценки колебательного периода, то эта характеристика требует более тщательного изучения другими исследователями. Для того чтобы уменьшить вероятную ошибку в экспериментах такого типа, желательно использовать сферы, или пластины с большой поверхностью для того, чтобы максимально снизить электрическую плотность. В противном случае, там, где это возможно, предпочтительно использовать масляный конденсатор. В масле или другом жидком диэлектрике, по-видимому, нет таких потерь, как в газовой среде. Невозможно полностью исключить наличие газа в конденсаторах с твердым диэлектриком, такие конденсаторы должны быть погружены в масло хотя бы по экономическим соображениям, тогда к ним можно приложить максимальные нагрузки, и при этом они останутся холодными. В лейденских банках, потери, обусловленные наличием воздуха, сравнительно невелики благодаря тому, что покрытия из фольги большие, плотно прилегают друг к другу, а заряжаемые поверхности не подвержены прямому воздействию. Но когда разность потенциалов очень велика, то потери могут быть более или менее значительными в области верхнего края фольги, т. е. в основном там, где есть влияние воздуха. Если банку погрузить в прокипяченное масло, она будет способна выполнить работу в четыре раза большую, чем она может выполнить за тот же промежуток времени в обычных условиях, при этом потери энергии будут незначительны.
Не следует полагать, что потери при нагревании в воздушном конденсаторе обязательно связаны с образованием видимых стримеров или кистевых разрядов. Если небольшой электрод, размещенный в лампе без вакуума, подсоединить к одной из клемм катушки, то можно увидеть стримеры, исходящие с электрода, а воздух в лампе нагреется. Если вместо небольшого электрода взять большую сферу, и поместить ее внутрь лампы, то стримеры не появятся, а воздух в лампе все же нагреется.
Также не следует полагать, что температура воздушного конденсатора может дать даже приблизительное представление о потерях при нагревании, поскольку в таких случаях нагревание должно происходить намного быстрее. Это происходит потому, что в дополнение к обычному излучению, происходит очень активное выделение тепла независимыми носителями, и не только аппаратура, но и воздух на некотором расстоянии от нее нагревается от многочисленных столкновений.
Благодаря этому, в экспериментах с такой катушкой, повышение температуры может отчетливо наблюдаться только тогда, когда тело, подсоединенное к катушке, очень небольшое. Но в аппаратах большого размера, может быть нагрето даже тело значительного объема, как, например, тело человека. Я думаю, что квалифицированные врачи могли бы задуматься над вопросом о практическом использовании таких экспериментов, которые, если прибор правильно спроектирован, не должны представлять ни малейшей опасности.
Здесь возникает вопрос, представляющий некоторый интерес в основном для метеорологов. Каково поведение Земли? Земля — это воздушный конденсатор, но насколько совершенен этот конденсатор, или это только сток для энергии? Почти не вызывает сомнений факт, что при столь малом возбуждении, которое порождается в результате эксперимента, Земля ведет себя почти как идеальный конденсатор. Но он может быть и другим, когда вследствие резких возмущений, происходящих в небе, возникают колебания его заряда. Возможно, что в этом случае, как было заявлено ранее, только небольшая часть энергии колебаний может быть выброшена в пространство в виде долгих эфирных излучений, а большая часть энергии, как я полагаю, тратится на столкновения и иные воздействия молекул друг на друга, и выбрасывается в пространство в форме коротких тепловых и, возможно, световых волн. Так как и частота колебаний заряда, и потенциал очень велики, то энергия, преобразуемая в тепло, может быть весьма значительной.
Так как плотность должна распределяться неравномерно вследствие неровности поверхности Земли, или за счет различных состояний атмосферы в разных местах, то получающийся эффект, соответственно, должен меняться от места к месту. Поэтому и возникают значительные изменения температуры и давления атмосферы в любой точке поверхности Земли. Изменения могут быть постепенными или очень внезапными, поэтому, в соответствии с природой общего возмущения, и возникают дождь, шторм или локальные изменения погоды в любую сторону.
Из приведенных выше замечаний можно увидеть, что свою важность фактор потерь энергии в воздухе вблизи от заряженной поверхности приобретает тогда, когда велика электрическая плотность, а частота импульсов — огромна. Но, как уже говорилось, это явление подразумевает, что воздух изолирован, то есть, состоит из независимых носителей заряда, погруженных в изолирующую среду. Это утверждение можно рассматривать как причину только тогда, когда давление воздуха близко к обычному (может быть чуть больше), либо, когда оно очень низкое. Когда воздух слабо разрежен и электропроводен, также происходят потери энергии. Конечно, в этом случае, при очень большой плотности, в пространство может быть рассеяно большое количество энергии даже при постоянном напряжении, или при импульсах низкой частоты.
Когда давление газа очень низкое, то электрод нагревается сильнее, так как скорость молекул намного выше. Если газ вокруг электрода сильно сжат, то любые перемещения молекул, а. следовательно и их скорость очень малы, поэтому и нагревание незначительно. Но если в этом случае существенно возрастет частота, то электрод нагреется до высокой температуры, а также, если снизится давление газа. Фактически, необходимо только создать разрежение в лампе, так как мы не можем получить (а возможно, и передать) ток требуемой частоты.
Вернемся к электроду в лампе. Он имеет очевидные преимущества в таких лампах, где нужно максимально ограничить распространение тепла от электрода за счет снижения циркуляции воздуха в ней. Если взять очень маленькую лампу, то нагревание в ней будет ограничено лучше, чем в большой, но она может не иметь достаточной емкости для работы от катушки, а если так, то стекло может сильно нагреваться. Самым простым решением в этой ситуации является использование сферы требуемого размера, но при этом нужно поместить маленькую лампу, диаметр которой правильно рассчитан, над тугоплавким электродом, аходящимся внутри сферы. Такая конструкция приведена на Рис. 28.
В этом случае, сфера L оснащена большой горловиной n, которая позволяет маленькой лампе b перемещаться внутри большой. В противном случае конструкция должна быть такой, как, например, на Рис. 18. Маленькая лампа удобно расположена на стержне S, на котором также расположен тугоплавкий электрод m. Он отделен от алюминиевой трубки а несколькими слоями слюды М для того, чтобы предотвратить повреждение шейки во время быстрого нагревания алюминиевой трубки при включении тока. Если желаем получить свет только в результате накаливания электрода, то внутренняя лампа должна быть такой маленькой, насколько это возможно. Если желаем получить свечение, то лампа должна быть больше, иначе она будет тоже нагреваться, и тогда свечение прекратится. Обычно, в таком устройстве светится только маленькая лампа, так как бомбардировка внешней сферы практически отсутствует. В некоторых из этих ламп, конструкция которых приведена на Рис. 28, маленькие трубки были покрыты слоем светящейся краски, что производило прекрасные эффекты.
Вместо того, чтобы для избежания перегрева, делать внутреннюю лампу большой, можно сделать больше электрод m. В этом случае бомбардировка ослабнет по причине уменьшения электрической плотности.
Множество ламп было изготовлено так, как показано на рис. 29. Здесь маленькая лампа b, внутри которой помещен огнеупорный электрод m, содержит очень сильный вакуум. Она помещена внутрь сферы L с умеренно разреженным газом, и запаяна наглухо. Основное достоинство этой конструкции в том, что она позволяет добиться очень сильного вакуума, и в то же время использовать большую лампу. В результате серии экспериментов с лампами, изображенными на Рис. 29, было установлено, что мы поступили правильно, сделав стержень s в области перемычки e очень толстым, а внутренний провод w тонким, так как иногда случается, что стержень в области перемычки нагревается и лампа лопается. Часто внешнюю сферу L откачивают лишь до такого состояния, чтобы мог проходить разряд, и пространство между лампами кажется темно-красным, что производит весьма любопытный эффект. В некоторых случаях, когда разрежение в большой сфере L очень низкое, а воздух хорошо проводит электричество, для того чтобы довести электрод m до состояния накала, необходимо нанести, желательно на верхнюю часть шейки сферы, покрытие из фольги, которое подсоединяется к изолированному телу, к другой клемме катушки или заземляется, поскольку хорошо проводящий ток воздух отчасти ослабляет эффект, вероятно, вследствие индуктивного воздействия со стороны провода w в месте, где он входит в лампу — в области перемычки е. Другая проблема, которая, однако, всегда присутствует, когда огнеупорный электрод располагается в очень маленькой лампе, и в устройстве изображенном на Рис. 29 — вакуум в лампе b ухудшается за сравнительно короткое время.
Главная идея двух последних описанных конструкций состоит в ограничении области нагрева рамками центральной части сферы, за счет не допущения циркуляции воздуха вокруг нее. Это достоинство конструкции обеспечивается, но благодаря нагреву внутренней лампы и медленному испарению стекла, трудно поддерживать вакуум, даже в конструкции, изображенной на рис. 28, в которой обе лампы сообщаются.
Но есть значительно более лучший способ — почти идеальный способ — это использование тока значительно более высокой частоты. Чем выше частота, тем медленнее обмен воздуха, и я думаю, что вполне можно получить частоту, при которой не было бы никакого обмена молекулами воздуха вокруг клеммы. Затем мы произвели бы пламя, которое происходит не в результате сжигания вещества. Это было бы необычное пламя, потому, что оно жесткое. При таких высоких частотах в игру вступает инерция частиц. Так как кистевой разряд, или пламя приобретает неподвижность благодаря инерции частиц, то их обмен следует предотвращать. Это неизбежно произойдет при увеличении числа импульсов, в результате чего потенциальная энергия частиц снизится до такой степени, что останутся только атомные колебания, а движение и передачи энергии в рамках измеримого пространства прекратится. Таким образом, обычная газовая горелка, подсоединенная к источнику быстро изменяющегося напряжения, до определенного предела увеличивает свою эффективность. Это происходит по двум причинам, из-за дополнительно полученных колебаний и из-за замедления процесса распространения частиц.
Восполнение энергии несет в себе определенные трудности, но оно необходимо для поддержания "горения". Продолжая увеличивать частоту импульсов, с учетом того, что они могут передаваться и воздействовать на пламя, в результате получим "гашение" последнего, подразумевая под этим термином только прекращение химического процесса.
Тем не менее я полагаю, что в случае использования электрода, погруженного в жидкую изолирующую среду и окруженного независимыми носителями электрических зарядов, которые могут обладать индуктивным воздействием, в результате существенного увеличения частоты импульсов, вероятно, произойдет притяжение всего окружающего газа к электроду. Для подтверждения этого достаточно всего лишь принять на как истинное то, что независимые тела имеют различную форму. Таким образом они могут поворачиваться к электроду стороной, которая имеет наибольшую электрическую плотность. При нахождении тел в этом положении ближе к электроду, жидкостное сопротивление должно быть ниже, нежели тогда, когда они находятся на большем удалении от него.
Существует общераспространенное мнение, и я к нему присоединяюсь, что не может быть и речи о том, чтобы выработать ток такой частоты — если рассматривать некоторые из вышеизложенных положений как истинные — при которой можно получить результаты, обозначенные мною как возможные. Но я пришел к убеждению, что достижение этих результатов возможно при более низких частотах, нежели те, которые рассчитывались сначала. При установлении пламени, возникают легкие колебания, вызванные столкновениями атомов, или молекул. Но каково соотношение между частотой столкновений и вызванными колебаниями? Несомненно, что оно должно быть несравнимо меньше, чем частота ударов колокола и звуковых колебаний, либо частота разрядов и колебаний конденсатора. Мы можем побудить молекулы газа к столкновению, используя электрические импульсы переменного тока высокой частоты, и тем самым мы можем имитировать процесс, происходящий в пламени. Из экспериментов с частотами, которые мы можем получить, я сделал вывод, что мы можем получить данный результат при помощи импульсов, передаваемых через проводник.
В связи с этим, мне кажется, будет очень интересно продемонстрировать жесткость колебаний газовой колонки. Несмотря на то, что с использованием тока столь низкой частоты, как скажем 10 000 колебаний в секунду, который я легко мог получить от специально сконструированного генератора, выполнение этой задачи на первый взгляд кажется обескураживающим, я все же провел серию экспериментов. Пробные эксперименты с воздухом при обычном давлении не привели ни к какому результату, но результаты экспериментов с умеренно разреженным воздухом, я рассматриваю как безошибочное экспериментальное подтверждение искомого свойства. Поскольку результат такого рода может привести исследователей к важным умозаключениям, я опишу один из проведенных экспериментов.
Хорошо известно, что через трубку, содержащую слабо разреженный газ, разряд может проходить в виде тонкой светящейся нити. Когда разряд возникает от тока низкой частоты, получаемого от катушки, работающей в обычном режиме, эта нить инертна. Если к ней приблизить магнит, ближайшая к нему часть притянется или оттолкнется, в зависимости от направления силовых линий магнита. Я предположил, что если такую нить получить от тока очень высокой частоты, то она должна быть более или менее прочной, и поскольку нить будет видимой, то ее легче будет изучать. В связи с этим, я подготовил трубку около 1 дюйма в диаметре, и 1 метра в длину, с внешним покрытием на каждом конце. Воздух в трубке был разрежен до такой степени, при которой даже при слабом действии возникает нить разряда. Я должен заметить, что общие аспекты трубки и степень разрежения совершенно отличны от тех, которые применяются при обычном низкочастотном токе. Поскольку предпочтительнее работать с одной клеммой, то трубка была подвешена к одному из концов провода, подсоединенного к клемме, покрытие из фольги подсоединено к проводу, а к нижнему слою покрытия подсоединена маленькая изолирующая пластинка. Когда нить образовывалась, она тянулась от верхнего конца трубки, до нижнего. Если она обладала упругостью, то эта упругость напоминала если не прочность эластичного шнура, натянутого между двумя опорами, то уж во всяком случае упругость шнура, подвешенного вертикально вниз при помощи небольшого груза на конце.
Когда к верхнему концу светящейся нити подносили палец или магнит, она могла менять свое положение в этом месте вследствие электростатического или магнитного воздействия. А когда объект возмущения очень быстро удалялся, получался результат аналогичный тому, когда вертикально подвешенный шнур быстро смещают в сторону и затем отпускают в точке, находящейся вблизи вертикали. При этом, когда в светящейся нити устанавливались колебания, образовывались два четко выделяющихся утолщения и нечеткое третье. Единожды установленные, колебания продолжались почти восемь минут, постепенно угасая. Скорость колебаний нередко меняется в ощутимых пределах, и было видно, что электростатическое притяжение стекла влияет на вибрирующую нить. Очевидно, что электростатическое действие не являлось причиной возникновения колебаний обычно неподвижной нити, которую всегда можно заставить вибрировать, если над верхней частью трубки быстро провести пальцем. Под действием магнита нить может разделяться на две вибрирующие части. Если поднести руку к нижнему покрытию трубки или к изолирующей пластине, то колебания ускоряются. Ускорение колебаний также происходит при увеличении напряжения, или частоты. Таким образом, либо увеличение частоты, либо прохождение более сильного разряда той же частоты, вызывают действие, соответствующее усилению натяжения шнура. Я не получил никаких экспериментальных доказательств истинности данной теории при использовании разрядов конденсатора. Светящаяся полоса, возникающая в лампе под действием повторяющихся разрядов лейденской банки, должна обладать прочностью, и если ее деформировать и резко отпустить, то она должна колебаться. Однако, количество вибрирующего вещества, возможно, настолько мало, несмотря на сверхвысокую скорость, инерция не может заметно проявить себя. Кроме того, вести наблюдение в таких случаях оказывается чрезвычайно трудным делом из-за присутствия основных колебаний.
Демонстрация того факта, который все еще нуждается в лучшем экспериментальном подтверждении, что колеблющееся газовое пламя обладает жесткостью, может очень сильно повлиять на научные взгляды ученых-теоретиков. Если учесть, что такие свойства могут быть замечены при низких частотах и незначительной разности потенциалов, то как же тогда должна вести себя газовая среда под воздействием сверхвысокого электростатического напряжения, которое может действовать в межзвездном пространстве, и которое может меняться с огромной скоростью? Существование такой электростатической, ритмически вибрирующей силы, — или вибрирующего электростатического поля, — может указать на возможный способ образования твердых тел из ульра-газообразной праматерии, и как поперечные и любые другие виды колебаний могут передаваться через газообразную среду, заполняющее все пространство. Далее, эфир и в самом деле может быть, лишенным твердости и состоянии покоя, он просто необходим как связующее звено, облегчающее взаимодействие. Что определяет твердость тела? Это должны быть скорость и масса движущейся материи. В газовой среде скорость может быть значительной, но плотность достаточно мала. В жидкости скорость также мала, хотя плотность может быть существенной. Но в обоих случаях инерционное сопротивление практически равно нулю. Но поместите газовую или жидкостную струю в интенсивное, быстро меняющееся электростатическое поле, придайте частицам колебания сверхвысокой скорости, и тогда инерционное сопротивление даст о себе знать. Тело сможет двигаться с большей или меньшей свободой через вибрирующую массу, но в целом оно будет твердым.
Есть предмет, который я должен упомянуть в связи с этим экспериментом. Это сильный вакуум. Это предмет, изучение которого не только интересно, но и полезно, так как это может привести к результатам большой практической важности. Заполнение промышленных электрических устройств, таких как лампы накаливания, работающие от обычных распределительных систем, более сильным вакуумом, не даст никаких преимуществ. В этом случае работа выполняется на нити накаливания и состояние газа не имеет большого значения, поэтому улучшение будет, но незначительное. Но когда мы начинаем использовать очень высокие частоты и потенциалы, роль газа становится очень важной, и степень разрежения существенно влияет на результат. До тех пор, пока использовались обычные, пусть даже очень большие, катушки, возможности изучения данного предмета были ограничены. Они не простирались далее точки, с которой начиналось самое интересное, останавливаясь по достижении "не-пробиваемого" вакуума. Но сегодня мы можем получить от маленькой катушки пробойнго разряда катушки такую высокую разность потенциалов, которую не смогла бы дать даже самая большая обычная катушка, и что более важно, мы можем сделать так, чтобы разность потенциалов изменялась с большой скоростью. Теперь оба этих фактора позволяют нам передавать светящийся разряд через любой доступный вакуум, и область наших исследований существенно расширяется. В настоящее время из всех возможных направлений разработок практических осветительных приборов, работа в направлении сильного вакуума представляется наиболее многообещающей. Но для получения очень сильного вакуума устройства необходимо сильно усовершенствовать. Но мы не сможем это сделать до тех пор, пока мы не откажемся от механической и не улучшим электрическую вакуумную помпу. Молекулы и атомы могут выбрасываться лампой под действием сверхвысокой разности потенциалов. Это будет лежать в основе принципа работы вакуумной помпы в будущем. Сегодня мы можем получить наилучшие результаты использую механические приспособления. В этом отношении я не могу не сказать несколько слов о методе и приборе для получения высокой степени разрежения, который в ходе моих исследований зарекомендовал себя весьма неплохо. Вполне возможно, что и другие экспериментаторы использовали схожие устройства. Поскольку вполне возможно, что в их описаниях найдется немало интересного для других ученых, позволю себе несколько замечаний в отношении данного предмета, дабы представить исследование в более законченном виде.
На Рис. 30 изображен прибор, где S — это помпа Спреигеля, которая была специально сконструирована для этой работы. Запорный кран, который обычно применяется, был удален, и вместо него в горловину резервуара R вмонтирована пустотелая пробка S. В пробке сделано маленькое отверстие b, через которое опускается ртуть. Размер входного отверстия о определяется в соответствии с сечением трубки t, которая припаяна к резервуару, вместо того, чтобы быть подсоединенной к нему обычным способом. В конструкции этого прибора устранены некоторые недостатки, позволяющие избежать сложностей, которые часто возникали при использовании запорного крана на резервуаре и соединения последнего с низводящей трубкой.
Помпа через U-образную трубку t подсоединена к очень большому резервуару Rj. При сборке особое внимание следует уделить шлифовке поверхностей пробок р и р j. Обе пробки и ртутные чашки над ними сделаны очень д л и н н ы м и. После того, как U-образную трубку смонтируют и установят на своем месте, ее нагревают, для того, чтобы смягчить и снять напряжение, которое может возникнуть в результате недостатков монтажа. U-образная трубку оснащена запорным краном и двумя отводами: g и gj. Один из отводов, подключаемый к маленькой лампе b, обычно заполняется каустической содой, а другой, подключаемый к приемному резервуару, содержит разреженный воздух.
Резервуар Rj посредством резиновой трубки подключается к немного большему по размеру резервуару R2. Каждый из двух резервуаров снабжен запорными кранами С/ и С2, соответственно. Резервуар R2 можно поднимать и опускать при помощи колеса и штатива. Диапазон его движений определен так, что если он заполнен ртутью и запорный кран С2 закрыт, то когда он поднят, в нем образуется Торричеллева пустота. Он может быть поднят так высоко, что ртуть в резервуаре Rj останавливается немного выше запорного крана Сj, и когда этот запорный кран закрыт, а резервуар R2 опущен так, что в резервуаре R1 образуется Торричеллиева пустота, то ртуть может быть опускаться настолько, что полностью заполняет полость последнего. Ртуть заполняет резервуар R2 до уровня расположенного немного выше запорного крана С 2.
Емкость помпы и соединений были сделаны настолько маленькими, насколько это было возможно относительно объема резервуара Rj, так как степень разрежения зависит от соотношения этих параметров.
Я объединил обычные средства, указанные в предыдущих экспериментах для получения очень сильного вакуума, с этим аппаратом. В большинстве экспериментов было удобно использовать едкое кали. Я осмелюсь высказать некоторые замечания в отношении его использования. Экономится много времени, и работа помпы улучшается, если в момент установки помпы, или непосредственно перед этим, расплавить и довести едкий кали до кипения. Если этот процесс не проделать, то клеи, которые обычно используются, очень медленно могут испускать небольшая влажность, при наличии которой помпа может работать в течение многих часов не создавая сильный вакуум. Едкое кали нагревается либо спиртовой горелкой, либо пропусканием через него разряда, либо пропуская ток по проходящему через него проводу. Преимущество последнего варианта в том, что нагревание можно повторять значительно быстрее.
Обычно процесс разрежения протекает следующим образом. В начале работы запорные краны С1 и С2 открыты, а все другие соединения закрыты. Резервуар R2 поднимается до тех пор, пока ртуть не заполнит резервуар R1, и часть U-образной трубки. Когда помпа начинает работать, ртуть должна быстро подниматься в трубке, и резервуар R2 опускается, а экспериментатор поддерживает уровень ртути на том же уровне. Резервуар R2 уравновешивается длинной пружиной, которая облегчает действие, а силы трения частей обычно в целом достаточно для того, чтобы удерживать его практически в любом положении. Когда помпа Спренгеля заканчивает свою работу, резервуар R2 опускается еще ниже, ртуть опускается в резервуар R j и заполняет резервуар R2 над которым закрывается запорный кран С2. Воздух, налипший на стенки резервуара R1 и абсорбированный ртутью, удаляется, и ртуть освобождается от всего воздуха в резервуаре R2, который он набрал за время долгой работы, перемещаясь вверх и вниз. Во время этого процесса некоторое количество воздуха, которое должно было собираться ниже запорного крана С2, удаляется из резервуара R2 в результате опускания его вниз и открывания крана, который позже перед подъемом резервуара закрывается. Когда весь воздух из ртути удален и он больше не собирается в резервуаре R2 при его опускании, прибегают к действию каустического поташа. Теперь резервуар R2 вновь поднимается до тех пор, пока ртуть в резервуаре Rj не поднимется выше запорного крана С]. Каустический поташ расплавлен и находится в состоянии кипения. При этом влага частично удаляется помпой, а частично реабсорбируется. Этот процесс нагревания и охлаждения повторяется много раз, и каждый для абсорбирования и удаления влаги требуется все больше подъемов и опусканий резервуара R2. Таким образом, вся влага удаляется из ртути и оба резервуара приводят в состояние, пригодное для использования. Затем, резервуар R2 вновь поднимают в самое верхнее положение, а помпу оставляют в рабом режиме на длительный период времени. После получения максимально возможного вакуума при помощи помпы, лампу с поташем обычно заворачивают в хлопок, смоченный эфиром для того, чтобы сохранить низкую температуру поташа. Затем резервуар R2 опускают, а на опустошенный резервуар R j надевают приемный резервуар r, и быстро запаивают.
Когда приносят новую лампу, ртуть всегда должна быть выше запорного крана С], который закрыт для того, чтобы всегда сохранять ртуть и оба резервуара в наилучшем состоянии и ртуть никогда не выливается из резервуара Rj, за исключением случаев, когда помпа достигает наивысшей степени разрежения. Это правило необходимо соблюдать, если Вы желаете успешно пользоваться этим аппаратом.
Используя эти приспособления, я мог совершать процесс очень быстро, и когда прибор был в идеальном состоянии, то было возможно достичь стадии фосфоресценции в маленькой лампе менее чем за 15 минут. Это время определенно является очень быстрым для маленькой лабораторной установки, требующей всего около 100 фунтов ртути.
В обычной маленькой лампе соотношение емкости помпы, приемного резервуара и соединений к резервуару R составляет где-то 1 к 20. Степень достигаемого разрежения получается очень высокой, хотя я и не могу дать точное определение насколько оно велико.
Что больше всего производит впечатление на исследователя при проведении этих опытов, так это поведение газов, которые подвергаются воздействию очень быстро изменяющемуся электростатическому напряжению. Но исследователя не должно покидать сомнение: в наблюдаемых эффектах принимают участие только молекулы и атомы газа, которые нам хорошо известны по результатам химического анализа, или же в них принимает участие еще и другая газообразная среда, включающая в себя атомы и молекулы жидкости, заполняющей пространство. Такая среда, несомненно, должна существовать, и я убежден что, например, даже при отсутствии воздуха и непосредственно прилегающее к нему пространство, должны нагреваться из-за быстро меняющейся разности потенциалов тела. Но такое нагревание не может происходить, если все свободные атомы удалены и остались только атомы однородных, несжимающихся и упругих жидкостей, например, таких как эфир, которые не допускают никаких взаимодействий и столкновений. В этом случае, могут происходить только фрикционные потери и только в той степени, в которой это позволяет само тело.
Поразительно то, что с увеличением частоты импульсов, разряд проходит через газ все легче и легче. В этом плане его поведение прямо противоположно тому, что происходит в металлическом проводнике. В последнем случае полное сопротивление — импеданс — наступает при увеличении частоты. Но газ должен проявлять себя как несколько последовательно включенных конденсаторов: легкость, с которой проходит разряд, возможно, зависит от скорости изменения разности потенциалов. Если это так, тогда в вакуумной трубке даже очень большой длины и вне зависимости от силы тока, не могла бы возникнуть сколь-нибудь существенная самоиндукция. Таким образом, мы с Вами сейчас можем воочию убедиться, что через проводник в газовой среде могут проходить импульсы такой частоты, какую мы только; сможем получить. Если бы мы смогли увеличить частоту до необходимой величины, то смогли бы создать систему распределения электрической энергии, которой заинтересовались бы и газовые компании: металлические трубы, заполненные газом — где металл выступает как изолятор, а газ — как проводник, снабжающий энергией фосфоресцентные лампы и, возможно, устройства, которые еще не изобретены. Нет сомнений в том, что вполне возможно, взять полый медный стержень, создать в нем разрежение газа, и при помощи импульсов достаточно высокой частоты, проходящих по цепям вокруг него, довести газ внутри стержня до высокой степени накаливания. Но поскольку мы еще мало знаем о природе этих сил, то возникают сомнения: а будет ли с такими импульсами медный стержень вести себя как статичный экран? С такими парадоксами и причинами, обуславливающими явную невозможность осуществления тех, или иных проектов, мы сталкиваемся на каждом шагу этого направления работы, а в этом в основном и заключается обаяние исследовательской работы.
А сейчас, я беру короткую и широкую трубку, внутри которой имеется газ с высокой! степенью разреженности, и которая имеет прочное бронзовое покрытие, едва позволяющее свету проходить через него. Металлическая застежка, с крюком для подвешивания трубки, закреплена вокруг средней части последней. Зажим находится в контакте с бронзовым покрытием. Теперь я хочу, чтобы газ внутри трубки стал излучать свет, когда я подвешу трубку на провод, подсоединенный к катушке. Любому, кто захочет провести этот эксперимент в первый раз, не имея никакого предварительного опыта, следует позаботиться о том, чтобы в этот момент никого из посторонних в комнате не было. В противном случае, он может стать объектом насмешек со стороны своих помощников. Однако, несмотря на наличие металлического покрытия, лампа засветилась, и свет отчетливо проступает сквозь нее. Длинная трубка, покрытая алюминиевой бронзой, излучает яркий свет, когда я удерживаю ее в одной руке, а другой рукой касаюсь клеммы катушки. Можно было бы возразить, что покрытия обладают недостаточной степенью электропроводности, а поскольку они обладают высоким сопротивлением, то должны экранировать газ. Они, несомненно, служат хорошим экраном в состоянии покоя, но когда на покрытие воздействует разряд, то экранирующая способность существенно ослабевает. Однако внутри трубки, несмотря на наличие экрана, именно из-за наличия газа, происходит большая потеря.
Если бы мы взяли большую полую металлическую сферу и заполнили ее самым совершенным, несжимаемым жидким диэлектриком, даже несмотря на быстрое изменение потенциалов, внутри сферы у нас не было бы потерь энергии, и, следовательно, сферу можно было бы рассматривать как полностью экранированную. Если бы мы заполнили сферу маслом, то потери энергии были бы значительно меньше, нежели тогда, когда вместо жидкости используется газ, поскольку в последнем случае, возникает сила, вызывающая перемещения, то есть взаимодействия и столкновения частиц внутри сферы.
Давление газа внутри сферы не имеет большого значения. Этот фактор приобретает значение при нагревании проводника, когда электрическая плотность становится огромной, а частота очень высокой. Таким образом, при нагревании проводников при помощи светящихся разрядов, воздух становится элементом исключительной важности. Этот факт можно рассматривать как совершенно точный, почти так, как если бы он был подтвержден экспериментально. Я могу проиллюстрировать действие воздуха в следующем эксперименте: я беру короткую трубку, заполненную вакуумом средней степени, и платиновую проволоку, протянутую через середину трубки от одного конца к другому. Затем пропускаю через проволоку постоянный или низкочастотный ток, и она равномерно нагревается по всей длине. Нагревание здесь произошло вследствие проводимости или фрикционных потерь, и газ вокруг проволоки, как мы можем убедиться воочию, не играет никакой роли. А теперь я пропускаю через проволоку резкие разряды, или ток высокой частоты. Проволока опять нагревается, но сильнее на концах и меньше в средней части, а если частота импульсов, или скорость изменения потенциалов достаточно высоки, то проволока может оборваться в середине, а может и не оборваться, поскольку практически все нагревание происходит благодаря разреженному газу. Здесь газ может выступать только как проводник с нулевым сопротивлением, по которому течет ток от провода, так как сопротивление последнего взросло до огромного значения, вследствие нагрева концов провода, произошедшего из-за сопротивления проходящему по ним разряду. Но совершенно нет необходимости в том, чтобы газ в трубке был электропроводным. Он может быть очень низкого давления, и тогда концы проволоки будут нагреваться. При этом, как было установлено экспериментально, эти концы могут и не иметь электрического контакта через газовую среду. Что теперь происходит с частотами и разностью потенциалов в разреженной трубке, подверженной воздействию светящихся разрядов при обычном давлении? Мы должны помнить один из фактов, полученных в результате данных исследований, а именно: по отношению к импульсам очень высокой частоты газ, находящийся под обычным давлением, ведет себя почти так же, как и газ, находящийся под умеренно низким давлением. Я думаю, что при частых разрядах, проволока или электропроводные объекты часто улетучиваются только потому, что вокруг них присутствует воздух. А вот если бы проводник был погружен в изолирующую жидкость, то остался бы цел, поскольку в этом случае энергии пришлось бы найти себе иной выход. Из поведения газа при скачкообразных импульсах высокого напряжения я сделал вывод, что не может быть никакого другого верного способа направить светящийся разряд, кроме как позволить ему пройти через некий объем газа, если подобное можно осуществить на практике.
Есть еще две особенности, связанные с этим экспериментом, на которых, я думаю, необходимо остановиться подробнее — это "лучистое состояние" и "не зажигающий вакуум".
Любой, кто изучал работы Крукса, должен прийти к выводу, что "лучистое состояние" является свойством газа, находящего в состоянии сверхвысокого разрежения. Но следует помнить, что явления, наблюдаемые в сосуде с разреженным газом, ограничены свойствами и возможностями используемого аппарата. Я думаю, что в лампе движение молекулы или атома происходит по прямой линии не потому, что он не встречает на своем пути преград, а потому, что скорость, приданная ему, достаточно высока для того, чтобы его движение происходило по прямой линии. Свободный для движения путь — это одно, а скорость, то есть энергия, связанная с движущимся телом, — это другое, и я думаю, что при обычных условиях она относится к разности потенциалов, или к скорости. При большой разности потенциалов и при сравнительно низкой степени разрежения газа, катушка пробойного разряда вызывает свечение и проецирует тени. В светящемся разряде, при обычном давлении, частицы движутся по прямым линиям тогда, когда усредненный свободный путь по протяженности очень мал, и часто изображение проволоки, или других металлических предметов, производятся частицами, направленными по прямым линиям.
Я подготовил лампу, чтобы экспериментально показать правильность этих утверждений. В шаре L (рис. 31) я поместил над нитью накаливания f кусочек извести l. Нить накаливания соединена с проволокой, которая идет внутрь лампы, конструкция которой приведена на Рис. 19 и описана выше. Лампа подвешена на проволоке, подсоединенной к клемме катушки. Когда катушка приводится в действие, то выступающую часть нити накаливания с кусочком извести подвергают бомбардировке. Степень разрежения в лампе такова, что напряжение катушки может вызвать свечение стекла, но при ослаблении вакуума оно исчезает. Известь содержит влагу, а при нагревании влага выделяется, поэтому свечение продолжается всего лишь несколько мгновений. Когда известь достаточно сильно нагревается, значительное количество выделившейся влаги существенно ухудшает качество вакуума в лампе. При бомбардировке одна часть куска извести нагревается больше, чем остальные, в конце концов, практически все разряды проходят через эту, интенсивно нагреваемую часть, и белый поток частиц извести (Рис. 31) вырывается вперед из этой точки. Этот поток состоит из "лучистого" вещества, хотя степень разрежения низкая. Но частицы движутся по прямым линиям, так как скорость, приданная частицам велика. Высокая скорость частиц обусловлена тремя причинами: высокой электрической плотностью, высокой температурой в малой области воздействия и тем фактом, что частицы извести легко отделяются и испускаются, гораздо легче, чем частицы углерода. При работе с частотами, которые мы способны получить, частицы целиком испускаются и выбрасываются на значительное расстояние, но при более высоких частотах этого не происходит. В этом случае только напряжение или колебания могут распространяться через лампу. Если бы атомы двигались со скоростью света, то мы никогда бы не смогли получить такую частоту. Я полагаю, что это невозможно, так как для этого требуется огромная разность потенциалов. С той разностью потенциалов, которую мы способны получить даже при помощи катушки пробойного разряда, скорость атомов должна быть совершенно незначительной.
Что касается "не зажигающего вакуума", то было замечено, что он может возникать только при низкочастотных импульсах. Это обусловлено невозможностью испускания достаточного количества энергии такими импульсами при сильном вакууме, так как некоторые атомы, находящиеся вокруг клеммы взаимодействуют с теми, которые отталкиваются и удерживаются на расстоянии сравнительно долгий период времени. При этом выполняется недостаточно работы для того, чтобы вызвать эффект, воспринимаемый глазом. Если разность потенциалов между клеммами увеличивается, то диэлектрик разрушается. Но при импульсах очень высокой частоты разрушения диэлектрика может и не быть, так как некоторое количество выполняется непрерывным возбуждением атомов в разреженном сосуде, при условии, что частота достаточно велика. Даже при частоте, получаемой от генератора переменного тока, использованного в данном эксперименте, можно легко достичь состояния, при котором разряд не проходит между двумя электродами в узкой трубке, где каждый из электродов подсоединен к одной из клемм катушки. Однако достичь состояния, при котором вокруг электродов светящийся разряд не мог бы возникать, совсем не просто.
При этом в отношении тока высокой частоты возникает совершенно естественная мысль: а почему бы не использовать его как мощное средство электродинамического воздействия для производства световых эффектов в запаянном стеклянном сосуде. Наличие внутреннего провода является одним из недостатков существующих ламп накаливания. И если никаких других усовершенствований не будет привнесено в конструкцию ламп, то уж по крайней мере этот недостаток можно устранить. Следуя этой мысли, я продолжил эксперименты в различных направлениях, некоторые из которых изложил в моей предыдущей работе. А сейчас я бы хотел остановиться на двух других направлениях проводимых экспериментов.
На Рис. 32 представлены конструкции ламп, изготовленных в большом количестве. На Рис. 32 широкая трубка Т припаяна к маленькой W-образной трубке U из фосфоресцирующего стекла. В трубку Т помещена катушка С из алюминиевой проволоки, на концах которой имеются небольшие алюминиевые сферы t и tj, входящие внутрь трубки U. Трубка Т вставлена в гнездо, содержащее первичную катушку, через которую обычно проходит разряд из лейденских банок. Под воздействием тока высокого напряжения, вызванного в катушке С, разреженный газ в маленькой трубке U излучает мощный свет. Когда для индуцирования тока в катушке С используется разряд лейденской банки, то необходимо плотно набить трубку Т изолирующим порошком, так как часто возникает разряд между витками катушки, особенно тогда, когда первичная катушка толстая, а воздушный зазор, через который происходит разряд банок — большой. Если принять эти меры, то никаких подобных осложнений в дальнейшем не возникнет.
На Рис. 33 представлена другая конструкция лампы. В этом случае трубка Т припаяна к шару L. Трубка содержит катушку С, концы которой проходят через две маленьких стеклянные трубки t и tj, которые припаяны к трубке Т. Два тугоплавких электрода m и m 1 размещены на нитях накаливания лампы, которые подсоединены к концам проводов, проходящих через стеклянные трубки t и t j.
Обычно в лампе, сделанной по этой, схеме шар L сообщается с трубкой Т. Для этого концы маленьких трубок t u t1 слегка нагреваются в пламени горелки, а затем просто прикладываются к проволоке, но так, чтобы не повредить соединение. Сначала подготавливается трубка Т с маленькими трубками, проводами внутри них и тугоплавкими электродами m и m 1, а затем припаивается к шару L, над которым устанавливается и подключается катушка С. Затем трубка Т заполняется изолирующим порошком, который утрамбовывается как можно плотнее, и закрывается. В трубке оставляется только маленькое отверстие, через которое досыпаются остатки порошка, и в конце концов трубка запаивается совсем. Обычно в конструкциях ламп, изображенных на Рис. 33, алюминиевая трубка а крепится на верхней части S каждой из трубок t и t j. Это нужно для того, чтобы не допустить нагревания верхней части трубки. Электроды m и m1 можно доводить до любой степени накала, при помощи разрядов лейденской банки, проходящих через катушку С. В таких лампах с двумя электродами возникает очень красивый эффект, связанный с образованием теней от каждого из электродов.
Целью другого направления экспериментов, являлось индуцирование тока, или светящегося разряда в вакуумной трубке при помощи электродинамической индукции. Этот предмет настолько широко исследован и описан в трудах профессора Дж. Дж. Томсона, что я если мог бы что-либо добавить, то очень немногое, даже если бы это было отдельной темой данной лекции. Но поскольку эксперименты в этом направлении дали определенные результаты и сформировали у меня определенные взгляды, мне представляется необходимым сказать об этом несколько слов.
Не вызывает сомнения факт, и результаты многочисленных опытов это подтверждают, что по мере увеличения длины трубки (т. е в каждой последующей единице ее длины), постепенно уменьшается электродвижущая сила, необходимая для прохождения разряда. Поэтому, в разреженной трубке достаточной длины, можно получить светящийся разряд даже при низкой частоте, если замкнуть трубку на себя. Такую трубку можно разместить вокруг комнаты или на потолке, в результате получится простое устройство, способное дать значительное освещение. Но это устройство было бы сложным в производстве и совершенно нерегулируемым. Сделать трубку маленькой длины — тоже не самый лучший выход, поскольку при обычных частотах возникали бы большие потери энергии на покрытиях. Помимо этого, при использовании покрытий, лучше подавать ток непосредственно на трубку, подключая покрытия к трансформатору. Но, даже если устранить все подобное недостатки, то, как я уже отмечал ранее, на низких частотах преобразование света как таковое все же будет неэффективным. При использовании сверхвысоких частот длина вторичной обмотки или, другими словами, размер сосуда, может быть уменьшен до желаемой величины, а эффективность преобразования света возрастет, разумеется, при условии, что будут созданы средства для получения таких высоких частот. Таким образом, принимая во внимание как теоретически, так и практические данные, мы сможем использовать ток высокой частоты, а это означает, что мы получим мощную электродвижущую силу при слабом токе в первичной обмотке. Когда Томсон работал с зарядом конденсатора, а это единственное на сегодняшний день известное средство для получения тока высокой частоты, то он смог получить электродвижущую силу, мощностью в несколько тысяч вольт на каждый виток первичной обмотки. Однако Он не смог усилить эффект электродинамической индуктивности увеличением числа витков первичной обмотки и сделал вывод, что лучше всего работать с одним витком, хотя он и должен был иногда отступать от этого правила — он должен был справляться с тем индуктивным эффектом, который мог получить от одного витка. Но еще до начала экспериментов с токами высокой частоты, необходимыми для получения в маленькой лампе электродвижущей силы в несколько тысяч вольт, он создал несколько очень важных электростатических эффектов. С увеличением частоты увеличивается значение этих эффектов по отношению к электродинамическим.
Сегодня, в этой области, главным предметом наших желаний является увеличение частоты, что неизбежно ухудшит электродинамические эффекты. С другой стороны, сегодня можно легко усиливать электростатическое действие путем увеличения витков на вторичной обмотке, или сочетанием самоиндукции и емкости с увеличением напряжения.
Также следует помнить, что при уменьшении тока до минимальной величины и увеличении напряжения, электрические импульсы высокой частоты могут легче проходить через проводник.
Эти и другие доводы побудили меня обратить больше внимания на электростатические явления, и я задался целью получить ток как можно более высокого напряжения с как можно более быстрыми колебаниями. Затем я обнаружил, что могу вызвать возбуждения в вакуумной трубке, находящейся на значительном расстоянии от проводника, подключенного к катушке определенной конструкции. Я также обнаружил, что могу, преобразовав колебательный ток конденсатора в высокое напряжение, установить переменные электростатические поля, действие которых распространяется по всему объему комнаты, заставляя трубку светиться вне зависимости от ее положения в пространстве. Я понял, что сделал шаг вперед и продолжил исследования в этом направлении, но хочу сказать, что я, как и все те, кто влюблен в науку и прогресс, желаем только одного — добиться такого результата своей работы, который мог бы найти себе применение во всех областях человеческой деятельности.
Я думая, что это верное направление работы, поскольку исходя из результатов наблюде- ний за явлениями, которые появляются при работе с токами высокой частоты, я не вижу, за ис- ключением электростатических сил, что же действует между двумя цепями, по которым проходят, к примеру, импульсы в несколько сотен миллионов колебаний в секунду. Даже с та- кими незначительными частотами практически вся энергия должна представлять собой напря- жение, и пришел к твердому убеждению, что вне зависимости от того к какому виду движения относится свет, он порождается огромным электростатическим напряжением, колеблющимся с необычайно высокой скоростью.
Среди всех этих явлений, наблюдаемых при использовании тока или электрических импульсов высокой частоты, наиболее увлекательными для аудитории являются те, в которые образуются в электростатическом поле, действующем на значительном расстоянии, и лучшее, что может сделать неопытный лектор — это начать и закончить демонстрацией этих необыкновенных эффектов. Я беру в руки трубку, двигаю ею, и она светится, куда бы я ее не поместил; во всем пространстве действуют невидимые силы. Но я могу сделать другую трубку, и она может не светиться, так как в ней находится очень сильный вакуум. Я возбуждаю ее при помощи катушки пробойного разряда, и теперь она светится в электростатическом поле. Я могу спрятать ее на несколько недель, или месяцев, и после этого она все еще сохранит способность к возбуждению. Какое изменение я вызвал в трубке, вызвав в ней возбуждение? Если атомам придается движение, то трудно понять, как оно может так долго сохраняться и не гаснуть из- за фрикционных потерь. Если в диэлектрике возникает натяжение, такое как при простом получении света, то легко увидеть, как он может неопределенно долго сохраняться, по очень трудно понять, почему это может вызывать возбуждение, когда мы имеем дело с быстро меняющимися потенциалами.
С тех пор, когда я впервые показал это явление, мне удалось получить еще несколько интересных эффекты. Например, мне удалось добиться высшей степени накала электрода, нити накаливания или проволоки, находящихся в трубке. Чтобы достичь этого результата, необходимо было минимизировать потери энергии, поступающей из поля, большая часть которой направляется на маленькое тело для приведения его в состояние накала. В начале эта задача показалась трудной, но весь мой предыдущий опыт работы помог мне легко достичь желаемого результата. На Рис. 34 и Рис. 35 изображены две такие трубки, изготовленные специально для данного случая. На Рис. 34 короткая трубка Tj, припаянная к более длинной трубке Т, снабжена ножкой S с запаянной в нее платиновой проволокой. К этой проволоке прикреплена очень тонкая нить накаливания f, а вывод наружу сделан из тонкой медной проволоки W. Трубка снаружи и изнутри имеет покрытия С и С j соответственно. Внутреннее пространство трубки до уровня каждого покрытия заполнено электропроводным порошком, а пространство над ними — неэлектропроводным. Эти покрытия используются только для того, чтобы можно было провести два эксперимента с трубкой, а именно: получить желаемый эффект при помощи либо прямого подключения тела экспериментатора или другого тела к проводу W, либо посредством индуктивного воздействия через стекло. Ножка S снабжена алюминиевой трубкой а, назначение которой было указано ранее, и только маленькая часть нити накаливания выходит из этой трубки. Если трубку Т] поместить куда угодно в электростатическое поле, то нить накаляется.
Более интересная часть устройства показана на Рис. 35. Конструкция та же, что и раньше, только вместо нити лампы используется маленькая платиновая проволочка 1 р, запаяная в ножку S и согнутая выше нее в кольцо, подсоединена к медному проводу W, который соединяется с внутренней обкладкой С. Маленькая ножка S j имеет иголку, на острие которой установлена очень легкая крыльчатка из слюды V, которая легко может вращаться. Чтобы крыльчатка не слетела, тонкая стеклянная ножка g изогнута соответствующим образом и прикреплена к алюминиевой трубке.
Когда стеклянную трубку держат в электростатическом поле, платиновая проволочка накаляется, и слюдяная крыльчатка очень быстро крутится.
В лампе можно возбудить очень интенсивную флуоресценцию, просто соединив ее с находящейся в поле пластиной, площадь которой не требуется намного большей чем у обычного абажура. Фосфоресценция, возбуждаемая этими токами, несравнимо интенсивнее, чем от обычного аппарата. Маленькая фосфоресцентная лампа, если ее подключить к соединенному с катушкой проводу, испускает достаточно света, чтобы можно было прочесть обычный шрифт на расстоянии в пять-шесть шагов. Было интересно посмотреть, как будут вести себя при этих токах некоторые из фосфоресцентных ламп Профессора Крукса, и он любезно одолжил мие несколько по этому поводу. Получаемые эффекты впечатляют, особенно с сульфидом кальция и сульфидом цинка. С катушкой пробойного разряда они сильно светились, если их просто держать в руке, соединив тело с контактом катушки.
К каким бы результатам ни привели такого рода исследования, в настоящее время основной их интерес лежит в направлении открываемых ими возможностей для создания эффективного осветительного прибора. Ни в какой другой области электрической индустрии так не нужен прогресс, как в получении света. Каждый мыслящий человек, если он вдумается в то, насколько варварские методы используются [сейчас], насколько плачевны потери в лучших наших системах производства света, должен спросить себя: Каким же должен быть свет в будущем? Будет ли он [получаться] от раскаленного твердого тела, как в нынешней лампе, или от раскаленного газа, или от фосфоресцентного тела, или от чего-нибудь наподобие горелки, но несравнимо более эффективной?
Шанс разработать газовую горелку крайне мал; и не потому, вероятно, что человеческий гений многие века корпел над этой проблемой без какого-либо радикального прогресса, — хотя этот аргумент также не лишен силы, — но потому, что в горелке более высокие вибрации никогда нельзя достичь, не пройдя через все более низкие. Потому что как получить пламя, кроме как через падение поднятых грузов? Подобный процесс не может идти без возобновления, а возобновление повторяется, проходя от низких вибраций к высоким. По- видимому, есть только один путь улучшить горелку, а именно, пытаясь достичь более высоких степеней накаливания. Более высокое накаливание эквивалентно более быстрой вибрации. Это означает больше света от того же [количества] вещества, а это в свою очередь означает более высокую экономию. В этом направлении уже сделаны некоторые усовершенствования, но дальнейшему развитию препятствуют множество ограничений. Таким образом, если не принимать в расчет пламя, то остаются три, ранее обозначенных пути, и все они ведут через электричество.
Представьте себе, что в ближайшем будущем свет будет получаться в результате накала твердого тела электричеством. Разве не лучше будет использовать маленький электрод, нежели непрочную нить накала? Несомненно, что исходя из множества соображений, использование электрода должно быть признано более экономичным, разумеется, при условии, что будут успешно преодолены сложности, связанные с работой таких ламп. Но для того, чтобы зажечь такую лампу, нам необходимо более высокое напряжение, а для экономичного использования таких ламп нам необходима более высокая частота тока.
Эти доводы даже в большей степени относятся к производству света при помощи накала газа, или фосфоресценции. Во всех случаях нам требуется более высокая частота и более высокое напряжение. Я пришел к этим умозаключениям давно.
Использование тока высокой частоты имеет множество преимуществ, например: высокая экономия энергии при производстве света, возможность работать с использованием только одного провода, возможность избавиться от необходимости использовать внутренний провод и т. д.
Но вопрос в том, как далеко мы можем идти по пути увеличения частоты? Обычные проводники при сильном повышении частоты теряют способность к передаче электрических импульсов. Предположим, что у нас есть самые совершенные средства производства импульсов. Тогда возникает вопрос: "А как мы будем передавать импульсы, когда возникнет необходимость?" При передаче таких импульсов через проводник, мы должны помнить, что нам придется иметь дело с давлением и с потоком, в обычном понимании этих терминов. Если увеличить давление до огромной величины, и соответственно снизить поток, тогда такие импульсы, несомненно, можно будет передавать по проводам, даже если их частота будет [исчисляться многими сотнями колебаний в секунду. Разумеется, совершенно невозможно будет передавать такие импульсы через провод, погруженный в газовую среду, даже если этот провод покрыт толстым слоем самой лучшей изоляции, поскольку большая часть энергии будет теряться вследствие молекулярных бомбардировок и последующего нагревания. Конец провода, подключенный к источнику энергии, будет нагреваться, а от источника до дальнего конца провода дойдет лишь малая толика энергии. Таким образом получается, что для того, чтобы использовать такие электрические импульсы, в первую очередь нужно найти способ снизить до минимального уровня рассеивание энергии.
Первое, что приходит на ум — это использовать самый тонкий, из возможных, провод, покрытый самым толстым, из возможных, слоем изоляции. Вторая мысль — это использовать электростатические экраны. Изоляция провода может нести на себе электропроводное покрытие, подключенное к земле. Но это не годится, поскольку тогда вся энергия будет уходить через электропроводное покрытие в землю, и до дальнего конца провода ничего не дойдет. Если уж устанавливать заземление, то тогда оно проходить через совершенно независимый провод, или через конденсатор очень малой емкости. Однако это не устраняет иные сложности.
Если длина импульсов будет намного меньше длины провода, тогда соответствующие короткие волны будут устанавливаться в электропроводном покрытии, а это почти то же самое, как если бы покрытие было подключено непосредственно к земле. Следовательно, необходимо нарезать покрытие на секции, длина которых намного меньше длины волны. При таком подключении хороший экран не установить, но плохой же в десять тысяч раз лучше, чем никакой. Я думаю, что было бы предпочтительней нарезать электропроводное покрытие на маленькие секции, даже если длина волны намного превосходит длину покрытия.
Если провод снабдить хорошим электростатическим экраном, это будет равносильно тому, как если бы от него на огромное расстояние удалили бы все предметы. Таким образом, можно снизить емкость до величины емкости собственно провода, которая очень мала. Тогда стало бы возможным передавать по проводу колебания тока очень высокой частоты на огромные расстояния без какого-либо существенного воздействия на сами колебания.
Разумеется, создать безупречный экран не представляется возможным, но я надеюсь, что экран, подобный тому, что я описал для телефонии, вполне можно применить в данном случае для экранирования трансатлантического кабеля. Если следовать моим предложениям, то провод с гуттаперчевым изолирующим покрытием следует оснастить третьим электропроводным покрытием, разделенным на секции. Поверх электропроводного покрытия следует нанести еще один слой гуттаперчевой и эфирной изоляции, а поверх нее уже защитный слой. Но такой кабель не будет создан, потому, что вскоре человеческие знания — передаваемые без проводов — будут отдаваться в земле, как сердечный пульс в живом организме. Любопытно то, что при нынешнем состоянии научных знаний и опыта, никто не попытался использовать электростатическое, или магнитное поле Земли для передачи знаний, или чего-нибудь еще.
Плавная цель, которую я преследовал при демонстрации этих опытов, состояла в том, чтобы показать Вам новые явления и особенности, а также предложить некоторые идеи, которые, как я надеюсь, будут служить отправными точками для новых исследований. Ваши аплодисменты, которыми вы меня так часто и щедро награждали, говорят о том, что мое выступление было успешным.
В заключение позвольте мне поблагодарить Вас за любезность и внимание, и уверить Вас в том, что я никогда не забуду, что мне выпала великая честь выступать перед столь уважаемой аудиторией, о том с каким удовольствием я представлял результаты своего труда перед выдающимися людьми, среди которых находятся те, в чьих работах много лет назад я нашел вдохновение и непреходящее удовольствие.
О СВЕТЕ И ДРУГИХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЯВЛЕНИЯХ*
ВВЕДЕНИЕ — НЕКОТОРЫЕ МЫСЛИ О ГЛАЗАХ
Когда мы смотрим на мир вокруг нас, на Природу, мы восхищаемся ее красотой и величием. Каждая вещь, которую мы воспринимаем, даже если она бесконечно мала, олицетворяет собой отдельный мир. Любая вещь, как и вселенная — это материя и энергия, подвластные закону, это мир, созерцание которого наполняет нас ощущением чуда, и неизбежно побуждает к непрестанным размышлениям и исследованиям. Однако среди этого огромного мира, среди вещей, которые наши чувства открывают перед нами, самым великолепным, самым привлекательным для нашего воображения, несомненно, является высокоразвитый организм — мыслящее существо. Если есть что-нибудь, в полной мере способное заставить нас восхищаться искусством Природы, то именно это непостижимое создание, бесчисленными действиями отвечающее внешним влияниям. Человек всегда хотел понять, как он устроен, всегда стремился глубже проникнуть в тайны природной мастерской — это было вожделенной целью многих мыслителей. И вот после многих веков напряженных исследований человек пришел к достаточно ясному пониманию того, как функционируют его Органы и чувства. А среди всей гармонии частей, формирующих материальную, или осязаемую составляющую нашего бытия, среди всех органов и чувств, самым удивительным является глаз. Это самый ценный, самый необходимый орган среди всех наших органов восприятия. Глаз — это огромные ворота, через которые знания поступают в наш мозг. Как ни один другой орган, он состоит в наиболее тесной связи с тем, что мы называем интеллектом. Глубина этих отношений настолько велика, что мы часто даже говорим, что в глазах отражается душа.
Теория функционирования глаза предлагает нам, и мы будем воспринимать это как факт, что при каждом внешнем воздействии, то есть при каждом проецировании изображения на сетчатку глаза, окончания глазных нервов, предназначенных для передачи этого воздействия мозгу, приходят в состояние особого рода возбуждения, или в состояние вибрации. Данное утверждение не кажется невероятным потому, что даже тогда, когда мы создаем некий образ в своем воображении, то срабатывает определенный рефлекс, пусть даже очень слабый, который воздействует на строго определенные окончания глазных нервов и, следовательно, на сетчатку глаза. Будут ли когда-нибудь в нашем распоряжении оптические, или иные средства, при помощи которых мы могли бы анализировать условия возникновения раздражения сетчатки глаза, возникающие под воздействием мысли или рефлекторного движения — вот вопрос, на который хотелось бы получить ответ? Если бы это стало возможным, тогда мы смогли бы читать мысли человека так же точно, как буквы в открытой книге, что позволило бы решить множество проблем, относящихся к области прикладной медицины, и на что искренне надеются если не многие, то большинство ученых. Гельмгольц показал, что глазное дно само по себе излучает свет, и смог увидеть в условиях полной темноты движение собственной руки в свете своих глаз. Это один из наиболее выдающихся экспериментов, отмеченных в истории науки. Возможно, что немногие смогли бы повторить его с удовлетворительным результатом, поскольку, вероятно, свечение глаза связано с необычной деятельностью мозга, и наличием большой силы воображения. Это, если можно так выразиться — свечение самого мозга.
Другой факт, имеющий непосредственное отношение к данной теме, который вероятно, уже отмечался многими с тех пор, как приобрел популярное выражение, но который я не могу воссоздать в памяти в хронологическом порядке и представить как результат наблюдений — это то, что в момент, когда неожиданная идея, или образ возникают в мозгу, то в глазах появляется определенное и иногда болезненное ощущение блеска, которое можно наблюдать в условиях сумерек.
Слова, что душа отражается в глазах, имеет глубокий смысл, и мы чувствуем, что в нем выражена великая истина. Это имеет глубокий смысл даже для людей, которые подобно поэтам и художникам руководствуются исключительно своим врожденным инстинктом, или любовью к Природе, находят наслаждение в бесцельных размышлениях и в простом созерцании природных явлений. Однако еще больше это значит для тех, кто в духе позитивного научного исследования старается познать первопричины явлений. В основном это естествоиспытатели, физики, для которых глаз является предметом наибольшего восхищения.
Я позволю себе привести два факта, имеющих непосредственное отношение к глазу, дабы напомнить физикам, которые считают, или утверждают, что глаз — это всего лишь несовершенный оптический инструмент, забывая при этом, что почти все свои представления о совершенном, или о том, что им кажется таковым, они получили благодаря именно этому инструменту. Первое: насколько современное состояние научных знаний позволяет судить, глаз — это единственный орган, который подвергается непосредственному воздействию едва уловимой среды, которая, как нас учит наука, должна заполнять все пространство. Второе: глаз — это наиболее чувствительный из всех наших органов, он несоизмеримо более чувствителен к внешнему воздействию, нежели другие.
Орган слуха воспринимает воздействие тел, имеющих массу; орган обоняния — воздейст- вие переносимых частичек материи; органы вкуса и осязания — непосредственный контакт, или как минимум вмешательство веществ, имеющих массу. Все это в равной мере относится даже к тем живым организмам, у которых эти органы развиты до высшей степени совершенства. Но удивительно то, что только орган зрения способен возбуждаться от того, что другие органы не способны распознать. Помимо того, что этот орган играет значительную роль во всех проявле- ниях природных явлений, он передает энергию, поддерживает любое движение и, что сложнее всего, жизнь, и при этом обладает такими свойствами, что даже многоопытный ум ученого не может помочь сформулировать различие между ним и тем, что называется материей. Даже ес- ли принять во внимание только это, и тот факт, что глаз, благодаря своей удивительной мощи, раздвигает узкие границы нашего восприятия далеко за пределы нашего маленького мира, и позволяет объять мириады других миров, солнц и звезд в бесконечных просторах вселенной, то этого достаточно для осознания, что это орган высшего порядка, однако, как он работает — для нас пока еще остается загадкой. Насколько нам известно, Природа никогда не производила что-либо более удивительное. Анализируя и сравнивая то, что он делает, мы можем составить только слабое представление о его необыкновенных возможностях. Когда волны воздействуют на человеческое тело, они вызывают тепло или холод, приятное ощущение или боль, или, воз- можно, другие ощущения, о которых мы еще не знаем. Ощущения бывают разной силы, а по- скольку уровней интенсивности ощущений существует великое множество, то и количество различных ощущений уходит своим числом в бесконечность. Мы не можем дифференцировать наше чувство осязания, или чувство силы по величине, или по интенсивности, за исключением тех случаев, когда они очень велики. Сейчас мы уже можем представить себе, как живой орга- низм, такой как человеческий, в процессе эволюции, или, говоря более философским языком, в процессе адаптации к природе, вынужденный использовать, к примеру, только чувства осяза ния или силы, смог бы развить эти чувства до такой степени чувствительности или совершен- ства, что был бы способен даже на некотором расстоянии определять мельчайшие изменения в температуре тела — сотую, тысячную и даже миллионную часть градуса. Но даже это совер- шенно невероятное качество, не входит ни в какое сравнение с возможностями глаза, способно- го различать и мгновенно передавать мозгу бесчисленные отличительные свойства тела, будь то форма, цвет, или любое другое.
Эта способность глаза зиждется на двух вещах: прямолинейность распространения возбудителя, благодаря которому и происходит возбуждение, а также чувствительность. Сказать, что глаз чувствительный, значит не сказать ничего. По сравнению с ним все остальные органы чудовищно грубы. Разумеется, орган обоняния, который ведет собаку по следу оленя, орган осязания, или силы, который управляет насекомым в его блужданиях по свету, орган слуха, который реагирует на самые незначительные колебания воздуха — все они чувствительные органы, но что они могут по сравнению с человеческим глазом? Не вызывает сомнения факт, что, глаз реагирует на самое слабое эхо, или реверберацию среды, а также несомненно то, что он несет нам вести из внешних, бесконечно далеких миров на языке, который мы до сих пор не можем понять. Но почему? Потому, что мы живем в среде, наполненной воздухом и другими газами, парами и веществами с плотными массами, твердыми частичками, летающими вокруг нас. Их роль исключительно велика: они тратят по пустякам энергию вибрации еще до того, как она может достигнуть глаза, являются переносчиками разрушительных бактерий, попадают в наши легкие и другие органы, засоряют каналы и незаметно, но неуклонно делают все, чтобы сократить нам жизнь. Если бы мы смогли убрать с линии обзора телескопа вещества, обладающие массой, то это открыло бы перед нами немыслимые чудеса. Я думаю, что даже невооруженный глаз в чистой среде смог бы различать небольшие объекты на расстоянии, измеряемом сотнями, а возможно и тысячами миль.
Однако есть кое-что, еще более впечатляющее, нежели эти удивительные свойства глаза, рассмотренного исключительно как оптический инструмент и с точки зрения физика; то, что впечатляет нас больше, чем его удивительная способность реагировать на вибрацию среды без участия плотных веществ, и больше, чем его невероятная чувствительность и способность к распознаванию объектов — это его значимость для поддержания жизни. Вне зависимости от того, как относится человек к природе, или к жизни, он будет изумлен, когда впервые осознает, насколько важна роль глаза для физической и умственной деятельности человеческого организма. А разве может быть иначе, если человек поймет, что глаз — это средство, благодаря которому род человеческий получил те знания, которыми обладает сейчас, что именно он контролирует все наши движения и, более того, наши действия.
Нет иного пути получения знаний, кроме как при помощи глаза. Чт о составляет основу всех древних и современных философских систем, фактически всей философии человечества? Я су- ществую, я мыслю; я мыслю, значит я существую. Но как я могу думать и как я могу знать, что я существую, если у меня нет глаз? Дл я знания необходимо понимание, для понимания — идеи, концепции, для концепций — образы или изображения, для изображений — чувство зрения, и следовательно — орган зрения. "А как же слепые люди?", — Вы спросите. Да, слепые лю- ди могут отображать в великолепных поэмах формы и сцены из реальной жизни, из мира, ко- торый они не видят физически. Слепы е люди могут пользоватьс я инструментами с безошибочной точностью, могут моделировать самые быстроходные суда, могут делать откры- тия и изобретать, считать и конструировать, могут делать еще более удивительные вещи, но все слепые люди, которые могли делать такое, до того как стать слепыми, были зрячими. Природа может добиться того, или иного результата различными путями. Подобно волне в физическом мире, в безбрежном океане среды, распространенной повсюду, так и в мире живых организмов, то есть в жизни, возникший импульс начинает свое поступательное движение вперед. Иногда он летит со скоростью света, а иногда движется так медленно, что кажется как будто он замер на многие столетия, проходя через процессы такой сложности, которые недоступны пониманию человеческого разума. Однак о во всех формах и на всех стадиях его энергия непременно при- сутствует как неотъемлемая часть всех процессов. Единственный луч света обрушивается на че- ловеческий глаз как тиран во времена далекого прошлого, который мог изменить всю жизнь человека, изменить судьбу целых наций, изменить ландшафт на планете — настолько замыс- ловаты и сложны процессы, происходящие в Природе. Мы не можем объяснить столь ошелом- ляющую гипотезу величия Природ ы кроме как законом сохранения энергии, которому подчиняется все и во всем бесконечном пространстве. Согласно этому закону, силы находятся в по- стоянном равновесии, и, следовательно, энергия единственной мысли может вызвать движение Вселенной.
Совершенно необязательно, чтобы каждый индивидуум во всех, или во многих поколениях, физически обладал бы инструментом зрения для того, чтобы он мог формировать образы и думать, то есть формировать идеи и концепции. Но время от времени в процессе эволюции у него непременно должен появляться глаз. Иначе, как нам представляется, невозможно было бы появление других мыслей, как и других концепций, таких как: дух, интеллект, разум]— называйте их как хотите. Вполне возможно, что в каких-то других мирах есть живые существа, у которых функции глаза выполнят другой орган с такими же или более совершенными свойствами, но эти существа не могут быть людьми.
Что сейчас побуждает всех нас к совершение каких-либо сознательных действий, или движений? Если я осознаю свое действие, то у меня должна быть идея, или концепция, то есть образ, и как следствие — глаз. Если я не вполне осознаю свое действие, то это происходит потому, что образы неясны, или неопределенны — затуманены вследствие наложения многих образов. Но когда я совершаю то, или иное действие, импульс, побуждающий меня к этому, поступает изнутри меня, или извне? Величайшие физики не считали ниже своего достоинства постараться дать ответ на этот и на подобные вопросы, и время от времени не отказывали себе в удовольствии пускаться в отвлеченные и пространные рассуждения. Возможно, что г-н Гельмгольц больше других ученых размышлял о жизни. Лорд Кельвин выразил уверенность, что жизненный процесс имеет электрическую природу, а любой живой организм обладает некой силой, которая и определяет его движения. По моему твердому убеждению, насколько я могу быть убежден в истинности любого физического явления, побуждающий импульс должен поступать извне. Представьте себе простейший из известных нам организмов, состоящий всего лишь из нескольких клеток, а возможно имеются в Природе еще более простые организмы. Если бы такой организм был способен на осмысленные действия, то он мог бы совершать бесчисленное множество совершенно определенных и точных действий. Но в данном случае механизм, состоящий из небольшого количества компонентов, не может совершать бесчисленное множество определенных действий. Следовательно импульсы, которые управляют его движениями, должны поступать из окружающей среды. Таким же образом атом, следующий элемент структуры Вселенной, постоянно мечется в пространстве под воздействием внешних сил, как лодка в бушующем море. Если бы он остановил свое движение, то он бы умер. Тело, находящееся в состоянии покоя, если такое вообще существует — мертвое вещество тело. Смерть тела! Никогда еще не произносилась фраза, имеющая более глубокий философский смысл. Именно таким образом сформулировал это профессор Дюар в описании своих экспериментов, где он проводил операции с жидким кислородом как с водой, а воздух при обычном давлении посредством замораживания конденсировал и даже приводил в твердое состояние. Эксперименты, которые, как он сам выразился, были призваны продемонстрировать последний трепет жизни перед смертью. В рамках бесконечной вселенной не бывает смерти тела — все вынуждено двигаться, вибрировать, а значит жить.
Я позволил себе предшествующие высказывания, рискуя ступить на почву метафизики потому, что хотел представить предмет данной лекции в форме, которая сделала бы ее небезынтересной для всех, смею надеяться, что и для аудитории, перед которой я имею честь выступать. А сейчас, возвращаясь к предмету лекции: к этому божественному органу зрения, к незаменимому инструменту размышления и интеллектуального наслаждения, который служит еще и для того, чтобы открывать перед нами чудеса этого мира. Именно ему мы обязаны знаниями, которыми обладаем. Он побуждает нас к физической и умственной деятельности и одновременно контролирует ее. Но что на него воздействует? Свет! А что такое свет?
Мы с вами были свидетелями больших успехов во всех областях научной деятельности, достигнутых за последние годы. Эти достижения оказались настолько выдающимися, что мы не можем удержаться от вопроса: а правда ли все это, или это сон? Много веков назад люди жили, думали, исследовали, изобретали и верили, что стремительно взмывают ввысь, тогда как они всего лишь продолжали ползти со скоростью улитки. Так и мы можем заблуждаться. Но воспринимая эти достижения как потенциальные научные факты мы должны радоваться достигнутому колоссальному прогрессу, и, судя по возможностям, открывающимся перед современной наукой, еще больше тому, что будет.
Мы с вами были свидетелями достижения, которое, несомненно, доставит большое удовольствие всем любителям прогресса. Это не открытие, не изобретение и не достижение в какой-либо определенной области. Это огромный шаг вперед во всех областях научной деятельности одновременно, как теоретических, так и экспериментальных. Я имею в виду обобщение природных сил и явлений, которое уже наметило контуры определенной идеи, вырисовывающейся на научном горизонте. Это именно та идея, которая с незапамятных времен занимает самые прогрессивные умы, и к которой я намерен привлечь Ваше внимание. Ее я собираюсь продемонстрировать в самом общем виде в своих экспериментах, как первый шаг на пути к ответу на вопрос: "Что такое свет?" и представить его в современном значении этого слова.
Подробно останавливаться на феномене света не входит в планы моей лекции. Моей целью является обратить Ваше внимание на определенные классы световых эффектов, на некоторые явления, обнаруженные при изучении этих эффектов. Однако, чтобы быть последовательным в своих замечаниях, необходимо отметить, что в соответствии с концепцией, к настоящему времени оцененной большинством ученых как положительный результат теоретических и экспериментальных исследований, различные формы проявления энергии, которые в целом попадают под определение "электрическая энергия", или, более точно "электромагнитная энергия", представляют собой проявления энергии, имеющие ту же природу, что и инфракрасное излучение, а также свет. Следовательно, световые, тепловые и другие явления, можно назвать электрическими. Таким образом, наука об электричестве становится базовой для остальных наук, а исследования в этой области имеют важность для всех. День, когда мы точно узнаем, что такое есть "электричество" будет историческим, а значение его, возможно, будет превосходить все другие события, отмеченные в истории человечества. Это время наступит тогда, когда комфорт, жизнедеятельность, а может быть, даже само существование человеческой цивилизации будут зависеть от этого поразительного фактора. Для поддержания жизнедеятельности и комфорта нам необходимы тепло, свет и механическая энергия. Как мы сейчас все это получаем? Мы получаем их из топлива, и путем потребления различного сырья. Что будут делать люди, когда исчезнут леса, когда истощаться угольные запасы? Исходя из современных научных знаний, человечеству останется только один выход — передавать энергию на большие расстояния. Люди пойдут к водопадам, к приливным и отливным волнам, которые содержат в себе мизерную часть безмерной природной энергии. Там они будут укрощать энергию и передавать ее в населенные пункты для обогрева домов, освещения, и для того, чтобы заставлять работать своих послушных рабов — машины. Но как они будут передавать эту энергию, если не посредством электричества? Посудите сами, будут ли комфорт, и даже само существование человека зависеть от электричества, или нет? Я вполне отдаю себе отчет в том, что этот взгляд не является точкой зрения практического инженера, но он также не является точкой зрения фантазера, поскольку несомненно, что передача энергии, которая на сегодняшний день является не более чем побудительным мотивом к смелым действиям, в один из дней превратится в жесткую необходимость.
Данная лекция имеет еще более важное значение для студентов, изучающих свет как явление, поскольку предоставляет возможность всесторонне ознакомиться с определенными современными точками зрения, отличающимися от тех, которые он почерпнет из множества книг, посвященных данной теме. Поэтому, я постараюсь приложить все усилия, чтобы в серии экспериментов донести эти взгляды до умов жаждущих знаний студентов, пусть даже для небольшого их числа.
Для этих целей было бы достаточно продемонстрировать простой и хорошо известный эксперимент. Я мог бы взять известное устройство, Лейденскую банку, зарядить ее при помощи электростатической машины трения, а затем разрядить. Далее, объясняя ее состояние при зарядке, условия передачи энергии при разрядке, заостряя внимание на силы, которые принимают участие в процессах, и на различные явления, которые они создают, а также подчеркивая взаимоотношения сил и явлений, я вполне мог бы добиться наглядного представления этой современной концепции.
Но это должна быть экспериментальная демонстрация, которая помимо содержательных включала бы в себя и занимательные моменты, благодаря которым, как, например, в вышеупомянутом случае, лектор добивается поставленной цели. Поэтому я вынужден прибегнуть к иному способу представления, несомненно, более эффектному, но при этом, пожалуй, более информативному. Вместо электростатической машины трения и лейденской банки я воспользуюсь в своих экспериментах индукционной катушкой с определенными характеристиками, которую я подробно описал в лекции перед Лондонским Институтом Инженеров Электротехников в 1892 году. Эта индукционная катушка способна вырабатывать разность потенциалов огромной величины, которые изменяются с исключительно быстрой частотой. При помощи этого аппарата я намереваюсь показать три совершенно определенных класса эффектов, или явлений, и мне хотелось бы, чтобы каждый эксперимент помимо демонстрации уже известных явлений, в то же время научил бы нас чему-нибудь новому, или преподнес бы какие-нибудь новые аспекты этой интереснейшей науки. Но до этого мне представляется правильным и полезным остановиться на описании устройства аппарата и на методе получения токов с высокой разностью потенциалов и высокой частоты, которые применяются в данных экспериментах.
ОБ УСТРОЙСТВАХ И МЕТОДАХ КОНВЕРСИИ
Ток высокой частоты получается довольно своеобразным образом. Использованный метод я продемонстрировал двумя годами раньше на экспериментальной лекции перед слушателями Американского Института Инженеров-Электротехников. В лабораторных условиях использовались несколько методов для получения такого тока из постоянного, либо из переменного тока низкой частоты. На Рис. 1. представлена данная схема, которую я опишу позже более детально. В целом, план состоял в том, чтобы зарядить конденсаторы от источника прямого или переменного тока (предпочтительно высоковольтного), разрядить их посредством пробивного разряда и пронаблюдать за хорошо известными условиями, необходимыми для поддержания колебаний тока.
С точки зрения общего интереса, проявляемого к высокочастотному току и эффектам, производимых им, мне кажется целесообразным подробно остановиться на этих методах преобразования тока. Дл я того чтобы представить Вам четкую идею этого действия, предположим, что задействован подходящий генератор постоянного тока. Эт о означает, что генератор может выдавать ток с таким высоким напряжением, чтобы обеспечивать пробой небольшой прослойки воздуха. Если же этого не происходит, то прибегают к вспомогательным Средствам, некоторые из которых будут представлены позднее. Когда заря д конденсаторов Достигает определенной величины, происходит пробой воздушно й прослойки, или изолирующего пространства. Зате м возникает скачок тока и расходуется большая часть накопленной электрической энергии. Вслед за этим конденсаторы быстро заряжаются, и этот Процесс повторяется в более или менее быстрой последовательности. Чтоб ы произошел такой скачок тока, должны соблюдаться некоторые условия. Понятно, что если скорость, с которой конденсаторы разряжаются, равна той, с которой они заряжаются, то конденсатор работать не будет. Если скорость, с которой конденсатор разряжается, меньше чем та, с которой он заряжается, то мощность конденсатора будет несущественна. Но если, наоборот, скорость разрядки конденсатора будет больше скорости его зарядки, будет получаться скачок тока. Очевидно, что если скорость, с которой энергия растрачивается при разряде конденсатора, намного превосходит ту, с которой она восполняется конденсатором, то скачки тока будут сравнительно небольшими, и будут происходить через значительные промежутки времени. Так происходит всегда, когда конденсатор значительной мощности заряжается от сравнительно небольшой машины. Если скорость подачи и скорость расходования тока не сильно отличаются друг от друга, а скачки тока будут быстро следовать один за другим, то эти скорости будут все более и более уравниваться до пределов, характерных для каждого определенного случая и!зависящего от числа произошедших скачков тока. Таким образом, мы может получить от генератора постоянного тока такую быструю последовательность разрядов, какую пожелаем. Конечно, чем выше напряжение генератора, тем меньшей емкости конденсаторы можно использовать. Поэтому, предпочтительно использовать генератор с очень большим напряжением. Кроме того, такой генератор позволяет большую частоту колебаний.
При соблюдении вышеописанных условий, скачки тока могут иметь одно направление, но в большинстве случаев возникает колебание, которое накладывается на основные колебания тока. Когда созданы такие условия, при которых не возникает осцилляции, то импульсы тока получаются однонаправленными, что обеспечивает преобразование данного тока высокого напряжения в постоянный ток низкого напряжения. Я думаю, это может найти себе применение, на практике.
Этот метод преобразования тока чрезвычайно интересен, и я был поражен его красотой, когда он впервые получился. В определенных отношениях метод идеален. Дл я него не требуется никаких механических устройств, он позволяет получать ток любой частоты из обычного тока, постоянного или переменного. Частота основных разрядов зависит от относительной скорости подачи тока и его расходования, и может легко варьироваться в широком диапазоне простой регулировкой этих параметров. Частота наложенных колебаний регулируется изменением емкости конденсаторов, величиной самоиндукции и сопротивлением цепи. И вновь напряжение тока можно поднимать до величин, которые могут выдержать изоляционные материалы, комбинируя величины емкости и самоиндукции, либо индукцией во вторичной обмотке, которая должна состоять всего из нескольких витков проволоки.
Поскольку часто возникают условия, при которых прерывания, или колебания не могут устанавливаться самостоятельно, особенно при использовании источника постоянного тока, это дает возможность подключить к схеме прерыватель, оснащенный электрической дугой, и использовать его, как я показывал уже несколько лет назад, в качестве вентилятора, магнита, или иного устройства.
Магнит существенно облегчает преобразование постоянного тока и делает это очень эффективно. Как я уже отмечал ранее, в ситуации, когда в качестве источника электрической энергии используется генератор переменного тока, желательно, чтобы частота тока была низкой, а сила тока, образующего дугу, высокой. При этом магнит будет работать более эффективно.
Внешний вид такого разрядника с магнитом, который был признан удобным, и после нескольких испытаний был принят для преобразования постоянного тока, изображен на Рис. 2. На этом рисунке, N и S являются полюсами очень прочного магнита, который возбуждается катушкой С. Для удобства регулировки им придали заостренную форму, а винтами s S j могут быть закреплены в любом положении. Разрядные стержни d dj, утонченные на концах для того, чтобы обеспечивать более точное сближение полюсов магнита, вставляются в латунные опоры b bj закрепляются в выбранном положении винтами S2S2. Пружины rr1 и втулки С С 1 могут скользить по стержням. Они служат для установки стержней на определенном расстоянии посредством винтов S3 S3, а также для регулировки положения полюсов относительно друг друга. Для того, чтобы создать электрическую дугу, одну из больших резиновых ручек h h j быстро толкают рукой, в результате чего концы стержней контактируют друг с другом, но затем немедленно возвращаются в исходное положение пружинами rr1. Такой механизм часто просто необходим, а именно в случаях, когда ЭД С недостаточно велика для передачи разряда через зазор, а также когда желательно избегать короткого замыкания генератора в результате соприкосновения металлических контактов стержней. Скорость прерываний тока с помощью магнита зависит от интенсивности магнитного поля и от разности потенциалов на концах дуги. Прерывания обычно производятся с такой частотой, чтобы получился музыкальный звук. Несколько лет назад было замечено, что когда мощная индукционная катушка разряжается между полюсами сильного магнита, процесс сопровождается громким звуком, похожим на звук от выстрела небольшого пистолета. Оставалось неясным, почему сила искр увеличивалась при появлении магнитного поля. Теперь понятно, что ток разрядки, протекающий в течение некоторого времени, многократно прерывается магнитом, тем самым вызывая звук. Феномен особенно заметен, когда поле тока большого магнита или динамо-машины сталкивается с сильным магнитным полем.
Когда ток, протекающий через изолирующий зазор достаточно велик, он позволяет скользить по концам разрядных стержней кусочкам очень прочного углерода и дает возможность играть электрической дуге между этими кусочками углерода. Это сохраняет металлические стержни, а кроме того позволяет воздушной прослойке оставаться нагретой, так как углерод плохо проводит тепло. В результате для поддержания последовательности разрядов требуется меньшая ЭД С в пространстве дуги.
Другой тип разрядного устройства, который может быть применен в некоторых случаях, показан на Рис. 3. В данном случае стержни ddj проходят через отверстия деревянной коробки В, которая изнутри густо покрыта слюдой, что обозначено жирной линией. Отверстия снабжены слюдяными трубками т m1 определенной толщины, которые не должны находиться в контакте со стержнями d dj. Коробка снабжена крышкой С немного большего размера, боковые стенки которой наклонены к внешним сторонам ящика. Место, где возникают искры, нагревается маленькой лампой l, находящейся в ящике.
Пластина "р", расположенная выше лампы позволяет тяге воздуха проходить только через воздуховод в. Воздух, поступающий через отверстия 0 01, или через нижнюю стенку коробки следует путем, показанным стрелками. Когда разрядник приведен в действие, дверца коробки закрыта так, что свет дуги не виден снаружи. Желательно, насколько это возможно, сделать свет невидимым снаружи, так как он создает помехи в некоторых экспериментах. Этот тип разрядника прост и очень эффективен при умелом с ним обращении. Воздух нагревается до определенной температуры, его изолирующие свойства ухудшаются и он становится слабым диэлектриком. Вследствие этого, электрическая дуга может возникать на значительно большем расстоянии. Конечно, дуга должна быть достаточно изолирована, чтобы разряд, проходящий через изолирующее пространство, был именно пробивной разряд. Образующаяся в таких условиях дуга может оказаться очень чувствительной и слабого тока воздуха через воздуховод лампы С может оказаться достаточно для получения быстрых прерываний. Корректирование результатов достигается путем изменения температуры и скорости протекающего воздуха. Достичь обеспечения тяги теплого воздуха можно и другими способами, без использования лампы. Очень простым способом, часто применяемым на практике, является заключение дуги в длинную вертикальную трубку с пластинками сверху и снизу для регулирования температуры и скорости воздушного потока. Необходимо также предпринять некоторые меры для приглушения звука.
Разрежение также сильно влияет на ослабление диэлектрических свойств воздуха. Разрядники подобного типа я использовал в сочетании с магнитом. Для этих целей бралась большая трубка с тяжелыми электродами из углерода или металла, между которыми происходил разряд. Трубка помещалась в сильное магнитное поле. Когда разрежение, возникающее в трубке достигало определенной точки, то разряд происходил легко, но давление воздуха при этом должно было быть больше обычных 75 мм. рт. ст. В другом типе разрядника, обладающего всеми вышеупомянутыми свойствами, разряд получается при прохождении между двумя регулируемыми магнитными полюсами. При этом температура пространства между ними сохраняется повышенной.
Здесь следует заметить, что когда используется такое или любое другое прерывающее устройство и ток проходит через первичную обмотку пробивной разрядной катушки, то как правило, не целесообразно получать число прерываний тока в секунду больше чем естественная частота колебаний динамо-машины, поставляющей ток, и который обычно невелик.
Следует также заметить, что несмотря на то, что устройства, упоминаемые в связи с пробивным разрядом, удобны для использования при определенных условиях, тем не менее, иногда они могут вызывать определенные сложные, поскольку вызывают перебои колебаний, а также другие нарушения, которые следует устранять.
К сожалению в этом красивом методе преобразования тока есть недостаток, который к счастью, не является жизненно важным, и который постепенно устраняется. На мой взгляд, лучшей формой привлечения внимания к этому недостатку и описания плодотворного способа борьбы с ним, будет сравнение электрического процесса с его механическим аналогом. Описать этот процесс можно следующим образом. Представим себе резервуар с широко раскрывающимся дном, которое закрыто благодаря давящей пружине. Но оно внезапно и резко раскрывается, как только жидкость в резервуаре достигает определенной высоты. Дадим жидкости попасть с определенной скоростью в резервуар через подающую трубу. Когда жидкость достигнет критической высоты, пружина поддается и дно резервуара открываемся. Жидкость немедленно проваливается в широкое отверстие, а пружина вновь закрывает дно. Резервуар вновь заполняется и через определенный интервал времени процесс повторяется. Понятно, что если через трубу жидкость поступает быстрее, чем способно вытечь через дно, оно будет закрыто, и резервуар будет оставаться переполненным. Если скорости подачи и вытекания равны, дно будет оставаться частично открытым. Никаких колебаний столба жидкости при этом не произойдет, хотя это и возможно, если предпринять некоторые меры. Но если входная труба подает жидкость недостаточно быстро, будут наблюдаться колебания. В этом случае всякий раз, когда крышка открывается или закрывается, пружина и столб жидкости, при достаточной гибкости пружины и инертности движущихся частей, будут вызывать независимые колебания. В этой аналогии жидкость можно уподобить электричеству или электрической энергии, резервуар — конденсатору, пружину — диэлектрику, а трубу — проводу, через который электричество поступает в конденсатор. Чтобы сделать эту аналогию совершенно полной, следует предположить, что дно при каждом его открывании, очень сильно ударяется об неэластичную преграду. Этот удар сопровождается потерей некоторого количества энергии, а кроме того происходит некоторое рассеивание энергии из-за фрикционных потерь. По предыдущей аналогии предполагается, что жидкость находится под постоянным давлением. Если предположить, что наличие жидкости в резервуаре ритмически изменяется, можно провести аналогию с переменным током. Процессы не могут считаться совершенно идентичными, но в принципе действие одинаково.
Для того чтобы сделать вибрацию экономичной, желательно, насколько это возможно, снизить ударные и фрикционные потери. Что касается последних, которым в электрической аналогии соответствуют потери из-за сопротивления цепей, то избежать их полностью невозможно, но их можно свести к минимуму соответствующим выбором размеров цепей и применением тонких проводников в форме крученых жил. Но потери энергии, вызываемые первым пробоем диэлектрика и которые в приведенном выше примере соответствуют сильному удару дна об неэластичную преграду, необходимо избегать. В момент пробоя воздушный зазор имеет очень высокое сопротивление, которое можно снизить до очень маленькой величины следующим образом: по мере увеличения силы тока, увеличивать температуру воздуха. Потери энергии должны значительно уменьшиться, если поддерживать температуру воздушного зазора очень высокой, но в таком случае не будет происходить пробивного разряда. Умеренно нагревая, пространство лампой или иным способом, мы существенно увеличим экономичность, связанную с образованием дуги. Использование магнита, или другого прерывающего устройства не снизит потерь энергии в дуге. Подобно тому, как струя воздуха только облегчает выход энергии. Воздух или газ вообще, в этом отношении ведет себя странно. Когда два тела заряжаются до очень высоких значений разности потенциалов, затем происходит пробивной разряд через воздушный зазор, то в этот момент по воздуху может распространяться любое количество энергии. Очевидно, далее эта энергия гасится материальными частицами; в результате столкновений и взаимного влияния молекул друг на друга. Обмен молекулами в пространстве происходит с невообразимой скоростью.
Когда происходит мощный разряд между электродами, они могут оставаться совершенно холодными, а потери энергии в воздухе могут достигать любых размеров. Вполне реально при большой разности потенциалов рассеять в пространство некоторую мощность через разрядную дугу так, что температура электродов не повысится. Практически все фрикционные потери энергии происходят в воздухе. Если не допускать обмен молекул в воздушной среде, например, поместить газ в герметически закрытый сосуд, то можно быстро довести газ внутри сосуда до высокой температуры даже при очень маленьком разряде. Трудно оценить, насколько много энергии теряется в звуковых волнах, как слышимых, так и неслышимых, при возникновении сильного разряда. Когда ток, проходящий через пространство между электродами велик, они могут быстро нагреться, но это не позволяет надлежащим образом измерить потери энергии в дуге, поскольку потери энергии, проходящей через зазор, могут быть сравнительно малы. Несомненно, что воздух или газ вообще, по крайней мере, при обычном давлении не являются лучшей средой, в которой может происходить пробойный разряд. Атмосферный воздух и другие газы, находясь под высоким давлением, больше подходят в качестве среды для зазора. Я провел длительные эксперименты в этом направлении. К сожалению, они тяжело осуществимы из-за трудностей и больших затрат, связанных с получением сжатого воздуха. Но даже если средой, в которой происходит разряд, являются жидкость или твердое тело, некоторые потери имеют место, хотя они и меньше чем в воздухе. На самом деле, неизвестно тело, которое бы не разрушались в дуге. Среди ученых остается открытым вопрос, может ли вообще дуговой разряд происходить в воздухе без отрыва частиц электродов. Я полагаю, что когда ток очень мал, а дуга велика, то относительно большое количество тепла расходуется при разрушении электродов, которые отчасти из-за этого могут оставаться совершенно холодными.
Идеальная среда для разрядного промежутка должна только трескается, а идеальный материал для электродов не должен разрушаться. При маленьком токе, протекающем через разрядный промежуток, наилучшим материалом для электродов является алюминий, но он не годится для большой силы тока. Пробивной разряд в воздухе, или более или менее обычных условиях не представляет собой нечто напоминающее растрескивание. Правильнее было бы сравнить его с прохождение бесчисленного количества пуль через массу, обладающую большой фрикционной устойчивость этому воздействию, что сопровождается значительной потерей энергии. Среда, которая должна только трескаться при электростатическом напряжении, а это возможно в случае абсолютного вакуума, такая как чистый эфир, должна вызывать очень небольшие потери в разрядном пространстве, настолько маленькие, что ими можно пренебречь. Поэтому, по крайней мере, теоретически, растрескивание может произойти в результате очень малого смещения. В продолговатой вакуумной лампе, снабженной двумя алюминиевыми клеммами, действуя с большой осторожностью, я преуспел в получении такого вакуума, что вторичный разряд пробивной разрядной катушки проходил через лампу в виде тонких потоков искр. Любопытно, что разряд полностью игнорировал клеммы и начинался на двух алюминиевых пластинках, которые служили электродами. Такой, почти полный вакуум может поддерживаться в течение очень короткого промежутка времени. Возвращаясь к идеальной среде, представьте для наглядности кусочек стекла или похожего материала, зажатого в тиски и сжимаемого все больше и больше. В определенный момент времени усиливающееся давление заставит стекло треснуть. Потери энергии при разбиении стекла практически ничтожны, хотя сила приложена большая. Теперь представьте, что стекло обладает свойством восстанавливаться после уменьшения давления. Так ведет себя диэлектрик в разрядном пространстве. Но ввиду того, что должны происходить некоторые потери в разрядном пространстве, среда, которая должна быть постоянной, должна пропускать разряд с большой скоростью. В предыдущем примере стекло хорошо закрыто, это означает, что диэлектрик в разрядном пространстве обладает хорошей изолирующей способностью. Когда стекло трескается, то это сигнализирует о том, что среда в разрядном пространстве стала хорошим проводником. Диэлектрик должен очень существенно менять свое сопротивление в зависимости от изменений электродвижущей силы в разрядном пространстве.
Это состояние было достигнуто, но очень несовершенным способом: нагреванием воздуха до определенной критической температуры, которая зависит от ЭДС, проходящей через разрядное пространство. Но дело в том, что воздух не обеспечивает пробивной разряд, при резких изменениях этого условия. В частности, резкому всплеску тока всегда предшествует слабый ток, который сначала повышается постепенно, а затем относительно быстро. Вот почему период изменения значительно выше, при пробое, например, через стекло, нежели через воздух, или иной материал со схожими диэлектрическими свойствами. Поэтому, в качестве среды для прохождения разряда, предпочтительнее выбирать твердое тело или даже жидкость. Трудносебе представить твердое тело, которое обладает способностью восстанавливаться после растрескивания. Но жидкость, особенно под высоким давлением, фактически обладает свойствами, присущими твердому телу, но при этом не трескается. Следовательно, жидкий изолятор может быть более подходящим диэлектриком, чем воздух. Следуя этой идее, было проведены испытания большого количество различных типов разрядных устройств, в которых использованы такие изоляторы, иногда даже при большем давлении. Мне представляется важным более подробно остановиться на одном из устройств, использованных в эксперименте. Одно из таких разрядных устройств изображено на Рис. 4а и 4Ь. Полый металлический шкив Р (Рис. 4а) закреплен на валу а, который вращается со значительной скоростью. Внутри шкива, но не соприкасаясь с ним, расположен тонкий диск h (который для большей наглядности показан толстым). Диск закреплен в прочной резиновой форме, в которую вставлены два металлических сегмента S S, с металлическими удлинителями е е, в ввинчены проводящие клеммы tt, покрытые толстыми трубками из прочной резины tt. Резиновый диск h с его металлическими сегментами S S обработан на токарном станке и вся его: поверхность отполирована так, чтобы исключить любое возможное фрикционное сопротивление при движении в жидкости. В полости шкива находится изолирующая жидкость, которая разлита тонким слоем так, что достигает открытой стороны фланца "f", который плотно ввинчен во внешнюю поверхность шкива. Контакты tt, подключены к противоположным контактам батареи конденсатора так, чтобы разряд проходил через жидкость. Когда шкив вращается, жидкость растекается против обода шкива и ее давление значительно усиливается. Таким простым способом разрядное пространство заполняется средой, поведение которой практически подобно твердому веществу, и которая обладает качеством немедленно заполнять возникающие трещины. Кроме того, она циркулирует через разрядное пространство с большой скоростью. Очень сильные эффекты были получены с использованием разрядных устройств этого типа с жидкостными прерывателями самых разных форм. Как и ожидалось, обнаружилось, что при определенной длине провода получалась искра, длина которой превосходила длину искры в случае, когда в качестве прерывающего устройства использовался воздух. Обычно в типе описанного выше разрядного устройства скорость и соответственно, | давление жидкости ограничены по причине трения жидкости. Но практически получаемая I скорость более чем достаточна для получения числа прерываний, подходящих для обычно используемых цепей.
В таких случаях металлический шкив Р снабжался выступами, направленными внутрь, и по скорости вращения шкива можно было подсчитать получившееся число прерываний. Кроме того, продолжались эксперименты с жидкостями различной изолирующей способности, с целью снизить потери мощности в дуге. Когда изолирующая жидкость умеренно нагревалась, уменьшались и потери мощности в дуге.
В экспериментах с различными разрядными устройствами этого типа была отмечена важная деталь. Например, было обнаружено, что поскольку созданные условия благоприятны для образования искр большой длины, получающийся таким образом ток не лучшим образом подходит для получения световых эффектов. Опыт показал, что для таких целей больше подходит гармоническое повышение и понижение потенциала. Будь то твердое тело, которое раскалено или фосфоресцирует, будь то энергия, передаваемая катушкой конденсатора через стекло, совершенно ясно, что гармоническое повышение и понижение потенциала действует менее разрушительно, а вакуум удерживается более длительное время. Это легко объясняется тем, что идущий в вакууме процесс имеет электролитическую природу.
На схеме, изображенной на Рис. 1, на которую я уже ссылался, проиллюстрированы Наиболее часто встречающиеся на практике случаи. Имеется ток, постоянный или переменный, получаемый от источника электроснабжения. Для экспериментатора в изолированной лаборатории подходит использование описанной выше машины G, которая может вырабатывать оба вида тока. Кроме того, предпочтение отдается этой машине потому, что экспериментатор использует большое количество электрических схем, а также потому, что она может оказаться полезной и удобной в случаях, когда требуется менять направление тока в разных фазах эксперимента. На схеме D представляет собой цепь прямого, а А — цепь переменного тока. В каждой из них показаны три ответвления цепи, каждое из которых снабжено двойным переключателем линии S S S S S S. Сначала рассмотрим преобразование постоянного тока; 1а представляет собой простейший случай. Если ЭД С генератора достаточна для пробоя небольшого воздушного пространства, по крайней мере, когда последний нагревается или иным способом понижается его изоляция, то в этом случае не составляет особого труда поддерживать вибрацию с хорошей экономичностью, правильно регулируя емкость, самоиндукцию и сопротивление цепи L, содержащей устройства ll m. В этом случае магнит N S можно с успехом объединить с воздушным пространством. Разрядное устройство d d с магнитом может быть расположено любым из способов, указанных на схеме жирной, или пунктирной линиями. Цепь 1а с соединениями и устройствами предполагает наличие показателей, пригодных для получения и поддерживания колебаний. Обычно ЭД С в цепи или в ответвлении 1а составляет 100 вольт или около того. Этого недостаточно, чтобы произошел пробой через разрядное пространство. Для исправления этого недостатка можно использовать много различных способов, повышая ЭД С через разрядное пространство. Возможно, что простейшим из них является последовательное включение большой катушки самоиндукции к цепи L. При возникновении дуги, например, через разрядное устройство, изображенное на Рис. 2, магнит тут же выдует ее. Теперь дополнительный ток разряда с большой ЭД С пробьет пространство и вновь создается путь с низким сопротивлением для прохождения тока от динамо-машины. Это вызовет внезапный всплеск тока, идущего от динамо-машины воздействие тока, идущего из динамо-машины и ослабление возмущение излишнего тока. Этот процесс повторяется очень быстро. Таким образом, мне удалось поддерживать колебания через разрядное пространство на уровне 50 вольт и даже меньше. Но такое преобразование не рекомендуется по причине слишком сильного тока, проходящего через зазор, и возникающего в результате этого нагревания электродов. Кроме того, полученная таким образом частота очень низка из-за высокого уровня самоиндукции, возникающей в цепи. Очень желательно чтобы ЭДС была как можно больше, во-первых для тог, чтобы увеличить экономичность преобразования, а во- вторых, чтобы получить высокую частоту. Конечно, разность потенциалов в этих электрических осцилляциях приравнивается к силе натяжения в механических колебаниях пружины. Чтобы получить очень быструю вибрацию в цепи с некоторой инерцией, необходима большая сила натяжения или разность потенциалов. Между прочим, когда ЭД С очень велика, возникает необходимость в использовании конденсатора, который обычно используется в цепях, но емкость его должна быть небольшой. Это даст дополнительные преимущества.
Для того, чтобы увеличить ЭД С до значений во много раз превышающих те, которые получают при обычном распределении тока, используют вращающийся трансформатор g так, как показано на I la, либо включают другую машину с высокой разностью потенциалов для того, чтобы мотор работал от генератора G. Последний способ предпочтителен, так как эти изменения легко внести и применить. Подключения высоковольтных проводов похожи на подключения в ответвлении 1а, за исключением того, что конденсатор С, который должен быть регулируемым, подключен к цепи высокого напряжения. Также в эксперименте обычно используют катушку с регулируемой самоиндукцией, которую последовательно включают в цепь. Когда напряжение тока очень велико, обычно применяют магнит в соединении с разрядным устройством, сравнительно малой мощности. Варьируя размерами цепи легко установить параметры, при которых поддерживаются колебания. Использование постоянной ЭД С в высокочастотных преобразованиях имеет некоторые преимущества по сравнению с использованием переменной ЭДС: более простая регулировка и контроль значений ЭДС. Но, к сожалению, величина ЭД С ограничивается величиной получаемого напряжения. Обмотка также может быть легко повреждена от воздействия искр, которые возникает между частями якоря, или коммутатора при очень большой осцилляции. Кроме того, такие трансформаторы дороги в изготовлении. Как показывает опыт, лучше придерживаться схемы, изображенной на рис. III а. В этом устройстве использован вращающийся трансформатор g для преобразования постоянного тока низкого напряжения в переменный низкочастотный ток, преимущественно тоже с низким напряжением. Напряжение тока затем повышается в стационарном трансформаторе Т. Вторичная обмотка S трансформатора подключена к регулируемому конденсатору С, который разряжается через зазор, или разрядник d d, и может располагаться одним из указанных на схеме способов. Также как и в предыдущих случаях, ток высокой частоты получают со вторичной обмотки S пробивной разрядной катушки. Это, несомненно, самый дешевый и наиболее удобный способ преобразования постоянного тока.
Три ответвления цепи А представляют собой часто встречающиеся в практике способы преобразования переменного тока. На Рис. 1b, конденсатор С, как правило большой емкости; включен в цепь L содержащую устройства / /, тт. Предполагается, что устройства т m обладают высокой самоиндукцией, для того чтобы передавать частоту тока более или менее схожую с частотой тока динамо-машины. В данном случае разрядное устройство d d должно иметь число прерываний в секунду равное удвоенной частоте динамо-машины. Если же этого нет, то, по крайней мере, число прерываний должно быть кратно или равно частоте динамо машины. На Рис. 1b можно увидеть, что преобразование в ток высокого напряжения можно добиться, когда разрядное устройство d d исключено из цепи. Но эффекты, получаемые током, резко повышающимся до высоких значений, как в пробойном разряде, существенно отличаются от тех, которые получаются токами, поступающими от динамо-машины, повышающимися и понижающимися гармонически. Например, в данном случае число прерываний могло быть равно удвоенной частоте динамо-машины, или, другими словами, могло иметь такое же число основных колебаний, как если бы они были получены без разрядного пространства. Возможно также, что при этом не возникали бы более быстрые накладные колебания. А поскольку напряжение в разных точках цепи различно, то вряд ли мы найдем два случая, где импеданс и другие явления, которые зависят от частоты изменения, походили бы друг на друга. Таким образом, при работе с токами пробойного разряда, главным элементом, который следует принимать во внимание, является не частота, а скорость изменения в единицу времени. При: низкой частоте в определенных условиях могут быть получены такие же эффекты, как и при высокой частоте, если при этом обеспечена достаточно высокая скорость изменения. Так, если низкочастотный ток возрастает до разности потенциалов, скажем, 75 000 вольт, и ток высокого напряжения проходит через несколько нитей накала, обладающих высоким сопротивлением последовательно соединенных ламп, то важность разреженного газа, окружающего нити накала становится очевидной. Ниже об этом будет рассказано подробней.
Как мы увидим позже, если ток низкой частоты в несколько тысяч ампер проходит через металлический брусок, то наблюдается поразительный феномен импеданса, такой же как и с током высокой частоты. Однако очевидно, что с током низкой частоты невозможно получить такую же скорость изменения в единицу времени, как и с током высокой частоты, следовательно, эффекты производимые последним более заметны. Мне кажется целесообразным сделать несколько предварительных замечаний в отношение недавно описанных эффектов. Совершенно случайно обнаружилось, что большинство этих эффектов происходят также с токами высокой частоты. Частота сама по себе ничего не означает, исключая случаи когда рассматривается не возбужденная гармоническая осцилляция.
В ответвлении цепи ШЬ расположение компонентов схоже с тем, что показано на ответвлении Ib. Различие состоит в том, что ток, разряжающийся через зазор d d, используется для индуцирования тока во вторичной обмотке S трансформатора Т. В этом случае вторичная обмотка должна быть снабжена регулируемым конденсатором для ее настройки с первичной обмоткой.
Ответвление цепи IIb представляет собой схему преобразования переменного тока высокой частоты, который используется наиболее часто, и который оказался наиболее удобным в применении. В этой схеме делается акцент на то, что было уже рассмотрено ранее, и описывать их здесь нет необходимости.
Некоторые из этих результатов получены с использованием высокочастотного генератора переменного тока. Описание этой машины я приводил в своем выступлении перед аудиторией Американского Института Инженеров-электриков, а также в периодической печати того периода, в частности в журнале Electrical Engineer от 18 марта 1891 года.
Теперь я перейду к экспериментам.
О ЯВЛЕНИЯХ, ПРОИЗВОДИМЫХ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ СИЛОЙ
Первый класс эффектов, которые я собираюсь показывать Вам — это эффекты, производимые электростатической силой. Это сила, которая управляет движением атомов, обуславливает их столкновения и порождает энергию тепла и света. Эта сила также служит причиной агрегации атомов бесконечным количеством способов, в соответствии с фантастическими проектами Природы, и образует все те изумительные структуры, которые мы видим вокруг себя. Если наши нынешние представления верны, то это наиболее важная для нас сила в Природе. Как термин, электростатика может подразумевать устойчивое электрическое состояние, но нужно заметить, что в наших экспериментах эта сила не постоянна, она изменяется с частотой, которую можно рассматривать как умеренную — миллион раз в секунду, или около того. Это позволяет мне воспроизвести множество эффектов, которые с силой постоянной величины произвести невозможно.
Когда два токопроводящих тела изолированы и заряжены, мы говорим, что между ними действует электростатическая сила. Эта сила проявляет себя в притяжении, отталкивании и напряжении, возникающих в телах, пространстве, или внешней среде. Напряжение в воздухе, или в другой среде, разделяющей два токопроводящих тела, может быть настолько велико, что может произойти прорыв, и тогда мы видим искры, пучки света, или, как их иначе называют, стримеры. Эти стримеры образуются в большом количестве, когда сила, протекающая через воздух, быстро изменяется. Я наглядно покажу действие этой электростатической силы в новейшем эксперименте, в котором я использую индукционную катушку, о которой я уже говорил ранее. Катушка размещается в контейнере, заполненном маслом, и устанавливается под столом. Два конца провода вторичной обмотки проходят через две толстых столбика из прочной резины, которые выдаются на некоторую высоту над уровнем стола. Концы или клеммы вторично обмотки необходимо хорошо заизолировать с помощью прочной резины, поскольку даже сухое дерево является плохим изолятором для тока с огромной разностью потенциалов. На одной из клемм катушки я разместил большую сферу, сделанную из листа латуни, которую подсоединил к большой изолированной латунной пластине. Это позволило мне выполнять эксперимент при условиях, которые, как вы увидите, наиболее подходят для этого эксперимента. Затем я привел катушку в действие и приблизил свободную клемму к металлическому предмету, находящемуся в моей руке, так, чтобы не получить ожогов. Когда я приблизил металлический предмет на расстояние в восемь или десять дюймов, стремительный поток искр вырвался с конца провода вторичной обмотки, который проходил через резиновую трубку.
Искрение прекращалось, когда металл в моей руке соприкасался с проводом. Теперь моя рука находилась под действием сильного электрического тока с колебаниями около одного мил- лиона раз в секунду. Все вокруг меня заполнилось электростатической силой, молекулы возду- ха и частицы пыли подверглись этому воздействию и сильно бились о мое тело. Возбуждение частиц было таким сильным, что когда выключили свет, можно было увидеть потоки слабого света, появившиеся на некоторых частях моего тела. Когда такой стример вспыхивает на какой либо части тела, он вызывает ощущение, подоб- ное уколу иглы. Когда разность потенциалов достаточно велика, а частота колебаний, наобо- рот, мала, то кожа может получить серьезные;. повреждения от воздействия огромного напря- жения. Кровь с большой силой будет хлестать наружу в виде тонкой струи или брызг, настоль- ко малых, что они будут невидимы, точно также как масло, находящееся на положительной клемме машины Гольца. Разрыв кожи, хотя это может показаться невозможным сначала, вполне возможен, так как ткани, расположенные под поверхностью кожи, являются несравнимо лучшими проводниками, чем сама кожа. По крайней мере, это кажется правдоподобным, исходя из некоторых наблюдений.
Я могу сделать эти потоки света видимыми для всех, если прикоснусь металлическим предметом к одной из клемм и приближу мою свободную руку к латунной сфере, которая подсоединена ко второй клемме катушки. Когда рука приближается, воздух между ней и сферой возбуждается сильнее, и вы видите потоки света, исходящие с кончиков моих пальцев и с руки в целом (рис. 5). Если бы я еще ближе поднес руку, то к ней слетали бы сильные искры со сферы, и это могло бы быть опасным. Стримеры не доставляют никакого неудобства, за исключением того, что кончики пальцев чувствуют сильное тепло. Эти стримеры не следует сравнивать с теми, которые вырабатываются электрофорным генератором, так как во многих отношениях их поведение различно. Я подсоединил латунную сферу и пластину к одной из клемм для того, чтобы предотвратить образование видимых стримеров на клемме, а также для того, чтобы предотвратить распространение искр на значительное расстояние. Кроме того, такой контакт благоприятно сказывается на работе катушки.
Потоки света, испускание которых с моих рук вы наблюдаете, обусловлено разностью потенциалов величиной около 200 000 вольт, изменяющейся довольно нерегулярно, иногда до миллиона раз в секунду. Для того чтобы окружить пеленой света все мое тело потребуются колебания такой же амплитуды, но скорость их должна быть в четыре раза больше. Для этого требуется напряжение более 3 000 000 вольт. Но это пламя не должно меня обжигать, совсем наоборот, вероятность повреждения уменьшается. Даже сотой части такой энергии, направленной по-другому, достаточно, чтобы убить человека.
Величина энергии, которая таким образом может проходить через тело человека, зависит от частоты и потенциала тока. Делая оба этих показателя очень большими, можно пропускать через тело человека огромное количество энергии без малейшего для него дискомфорта, за исключением, возможно, руки, по которой движется ток. Причиной того, что тело не испытывает боль и ему не причиняется вред, является то, что повсюду, где ток протекает через тело, его поток направлен под прямым углом к поверхности тела. Поэтому тело экспериментатора является огромным рассекателем потока и его плотность очень мала, за исключением руки, где плотность может быть значительной. Но если только небольшая часть энергии будет направлена так, что ток будет проходить через тело так, как при низкой частоте, полученный удар может быть смертельным.
Я думаю, что постоянный или низкочастотный переменный ток в принципе опасен из-за того, что его распределение через тело непостоянно. Он должен разделяться на мельчайшие ручейки с большой плотностью, из-за чего повреждаются жизненно важные органы. Не сомневаюсь, что такой процесс происходит, хотя никаких подтверждений не было обнаружено при проведении эксперимента. Постоянный ток причиняет повреждения, но еще более болезненным является переменный ток с очень низкой частотой. Основанием выразить это мнение, которое родилось в результате длительного эксперимента и наблюдений постоянного и переменного токов, явился явный интерес к этому предмету, выражающийся в ошибочных идеях, ежедневно выдвигаемых в журналах по этому вопросу.
Я могу проиллюстрировать эффект электростатической силы при помощи другого замечательного эксперимента, но перед этим я должен привлечь ваше внимание к одному или двум фактам. Ранее я сказал, что когда среда между двумя электростатически заряженными телами напряжена до определенного предела, то это вызывает действие, или, говоря популярным языком, противоположные электрические заряды объединяются и нейтрализуют друг друга. Это разрушение среды всегда происходит, когда сила, действующая между телами, постоянна или варьируется с умеренной скоростью. Если же изменения скорости существенно больше, то такое деструктивное действие не происходит вне зависимости от того, насколько велика эта сила. Вся энергия расходуется на излучение, конвекцию, механическое или химическое действие. Таким образом, длина искры, или наибольшее расстояние, на котором может возникнуть искра между электростатически заряженными телами является тем меньше, чем больше изменения скорости заряда. Но это правило может быть истинно только для обычных случаев, когда сравниваемые скорости варьируются в широком диапазоне.
Я экспериментально покажу вам различие в эффектах, получаемых при быстром изменении силы, при постоянной силе, или при умеренном изменении силы. У меня есть две большие латунные пластины р р, согнутые в кольца (Рис. 6а и Рис. 6b), которые закреплены в передвижных изолирующих держателях, стоящих на столе. Пластины присоединены к концам вторичной обмотки катушки, похожей на ту, что использовалась ранее. Я разместил пластины на расстоянии в десять или двенадцать дюймов друг от друга и включил катушку. Я увидел, что пространство между пластинами размером около двух кубических футов заполнилось ровным светом, Рис. 6а. Этот свет обусловлен стримерами, которые вы могли видеть в первом эксперименте, но теперь он был более интенсивным. Я уже акцентировал внимание на важности стримеров в коммерческих приборах, но они очень важны и в чисто научных исследованиях. Часто их плохо видно, но они всегда есть, они поглощают энергию и изменяют действие приборов. Когда стримеры интенсивны, как сейчас, они в больших количествах производят озон и, кроме того, как отметил профессор Крукс, азотистую кислоту. Это химическая реакция такая быстрая, что когда работает катушка, такая как в нашем случае, то в скором времени атмосфера в маленькой комнате становится невыносимой из-за вредного воздействия на глаза и горло. Но при умеренном воздействии стримеры замечательно освежают атмосферу подобно грозе, и опыты, бесспорно, оказывают благоприятное действие.
В этом эксперименте сила, действующая между пластинами, изменяется по интенсивности и с очень большой скоростью. Теперь я сделаю скорость изменения в единицу времени значительно меньше. Этого эффекта я достигаю, пропуская разряд через первичную обмотку индукционной катушки с меньшей частотой, а также уменьшая скорость колебаний во вторичной обмотке. Первый результат достигается путем уменьшения ЭД С в воздушном пространстве первичной цепи, а второй, путем сближения двух латунных пластин на расстояния около трех или четырех дюймов. Когда катушка работает, вы уже не видите стримеры или свет между пластинами, хотя среда между ними находится под огромным напряжением.
Я продолжу увеличивать напряжение, повышая ЭД С в первичной цепи, и вы увидите, как расходуется воздух и помещение освещается фейерверком блестящих, сухих, шумных искр, Рис. 6Ь. Эти искры могли быть получены также и при постоянной (не изменяющейся) силе; это явление хорошо знакомо уже многие годы, хотя и получалось при помощи совершенно другого прибора. При описании этих двух явлений с такими разительными отличиями, я намеренно говорил о "силе", действующей между пластинами. В соответствии с общепринятой точкой зрения было бы правильным сказать, что это была "переменная ЭДС", действующая между пластинами. Этот термин совершенно правилен и применим во всех случаях, когда очевидна, по крайней мере, возможность зависимости между электрическими состояниями пластин или электрическое действие возникает из-за их близости друг к другу. Но если пластины удалены на бесконечное или предельное расстояние друг от друга, то нет ни возможности, ни какой-либо необходимости в такой зависимости. Я предпочитаю использовать термин "электростатическая сила" и говорить, что такая сила действует вокруг каждой пластины, или вообще любого электрически изолированного тела. Неудобно использовать это выражение как термин для устойчивого электрического состояния, но правильная терминология со временем разрешит эту трудность.
Я теперь возвращаюсь к эксперименту, о котором я уже упомянул и которым я хочу иллюстрировать поразительный эффект, производимый быстро изменяющейся электростатической силой. Я присоединяю к концу провода, (Рис. 7), который соединен с одной из клемм вторичной обмотки индукционной катушки, вакуумную лампу b. Эта лампа содержит тонкую углеродную нить накала, которая соединена с платиновой проволокой W, запаянной в стекле. Проволока выходит наружу из лампы и соединяется с проводом. Вакуум в лампе может быть получен при помощи обычной аппаратуры, и достигать любых значений. За мгновение до этого вы стали очевидцами распада воздуха между заряженными латунными пластинами. Вы знаете, что стеклянная пластина или любой другой изолирующий материал будут пробиваться похожим образом. А если взять металлическое покрытие и прикрепить его на внешней стороне лампы, или поблизости от нее, а затем соединить этого покрытия с клеммой катушки, то вы будьте готовы увидеть, как поддается стекло, когда напряжение достигло определенного уровня. Даже когда покрытие не соединяется с другой клеммой, но контактирует с изолирующей пластиной, тем не менее, вы будете ожидать разламывания стекла.
Однако вы с удивлением обнаружите, что под действием изменяющихся электростатических сил стекло не выдерживает, если все другие тела удалены из лампы. Фактически, мы полагаем, что все окружающие тела, которые мы воспринимаем, могут быть удалены на бесконечное расстояние, и это никак не повлияет на результат.
Когда катушка начинает работать, стекло неизменно дает трещину в области перемычки, или в другом узком месте, и вакуум быстро исчезает. Такое повреждение не должно происходить при действии постоянной силы, даже если она во много раз больше. Трещина является следствием возбуждения молекул газа в лампе и вне ее. Это возбуждение, которое обычно наиболее сильно в узком, остром месте канала вблизи перемычки, вызывает нагрев и разрыв стекла. Однако, этот разрыв не будет происходить даже при изменении силы, если среда, заполняющая лампу и наружная среда совершенно однородны. Повреждение происходит значительно быстрее, если верх лампы выведен в тонкое волокно. В лампах, применяемых с этими катушками, такие узкие каналы должны быть удалены.
Когда проводящее тело погружено в воздух или похожую изолирующую среду, содержащую или состоящую из маленьких свободно двигающихся частиц, способных наэлектризовываться, и когда электризация тела происходит с очень большой скоростью (с Такой, что справедливо утверждение, что электростатическая сила действует вокруг тела с изменяющейся интенсивностью), то маленькие частицы притягиваются и отталкиваются, и их сильное воздействие на тело может вызвать механическое движение последнего. Явления этого типа заслуживают внимания, так как они не наблюдались при использовании ранее применяемой аппаратуры. Если очень легкую токопроводящую сферу подвесить на очень тонком проводе и зарядить до постоянной, но большой величины разности потенциалов, то она останется неподвижной. Даже если разность потенциалов будет сильно изменяться, но при этом распределение маленьких частиц материи, молекул или атомов будет равномерным, то сфера не будет двигаться. Но если одна сторона проводящей сферы будет покрыта толстым изолирующим слоем, то воздействие частиц на сферу приведет к ее движению, как правило, неравномерному. Рис. 8а. Подобным способом, как я показал в предыдущем случае, вращается вентилятор из листа металла Рис. 8b, частично покрытый изолирующим материалом и помещенный на клемму катушки так, что он может поворачиваться.
Все эти явления, которые вы наблюдали, и другие, которые вы увидите позже, обусловле- ны наличием среды, подобной воздуху и не встречаются в плотной среде. Действие воздуха мо- жет быть лучше проиллюстрировано следующим экспериментом. Я беру стеклянную трубку t, Рис. 9, около одного дюйма в диаметре, в нижнем конце которой имеется платиновый провод w, к которому прикреплена тонкая нить накала f. Я соединяю провод с клеммой катушки и включаю ее. Теперь платиновый провод заряжается положительно и отрица- тельно в быстрой последовательности. Провод и воздух в трубке быстро на- греваются под действием частиц, кото- рое может быть настолько сильным, что нить накаливания раскаляется добела. Но если я налью масло в трубку так, чтобы покрыть им провод, действие прекратится, и нагревания не будет за- метно. Причина в том, что масло это практически непрерывная среда. Види- мый разряд в такой плотной среде происходит с частотой, несравнимо меньшей, чем в воздухе, следовательно, работа в такой среде будет незначительной. Но масло должно вести себя иначе при больших частотах, и тогда может быть выполнена значительно большая работа.
Впервые был замечен так называемый электрический феномен, выражающийся в притяжении и отталкивании между соизмеримыми телами, а также другие проявления действия этой силы. Но хотя они были известны нам многие столетия точная природа задействованного здесь механизма все еще остается неизвестной, и даже не получила удовлетворительного объяснения. Какой тип этого механизма? Мы не скрываем удивления при наблюдении двух магнитов, притягивающихся и отталкивающихся с силой в сотни фунтов при кажущейся пустоте между ними. В наших коммерческих динамо-машинах магниты способны удерживать в воздухе тонны веса. Но что значат даже эти силы, действующие между магнитами по сравнении) огромным притяжением и отталкиванием, производимым электростатической силой, величине интенсивности которой, очевидно, нет предела. В разряде молнии тела часто заряжаются до такой высокой разности потенциалов, что они отбрасываются с невообразимой силой, рвутся на части или распадаются на фрагменты. Но даже эти эффекты не сравнятся с притяжением и отталкиванием, существующими между заряженными атомами и молекулами, и которые достаточны для того, чтобы их скорость достигала многих километров в секунду, так что при сильном столкновении тела раскаляются добела и испаряются. Особенно интересно для мыслителя, который интересуется природой этой силы, будет заметить, что несмотря на то, что действие между отдельными молекулами ли атомами происходит в любых состояниях, притяжение и отталкивание соизмеримых по величине тел предполагает наличие изолирующей среды. Так, если воздух, разреженный или нагретый, обнаруживает большую или меньшую проводимость, то действие между двумя заряженными телами практически прекращается, в то время как взаимодействие между отдельными атомами продолжает происходить.
Эксперимент может послужить иллюстрацией и средством показать другие интересные детали. Некоторое время назад я показал, что нить накаливания или провод, установленные в лампе и подключенные к одной из клемм вторичной катушки высокого напряжения вращаются, при этом верхняя часть нити накала описывает круг. Это колебание было очень энергичным, когда воздух в лампочке находился при обычном давлении, и стало менее энергичным, когда воздух в лампочке стал сильно сжат. Оно прекращалось полностью, когда воздух разрежался до такой степени, что приобретал относительно неплохую проводимость. Я установил, что при сильном вакууме в лампе колебаний не происходит. Но я предположил, что колебания, которые я приписал электростатическому действию между стенками лампы и нитью накала, будут иметь место и при сильном разрежении воздуха. Для того, чтобы проверить это в более благоприятных условиях, была сконструирована лампа, похожая на ту, что изображена
Рис 10. Она состоит из шара b, на шейке которого закреплена платиновая проволока W, к которой присоединена нить накала f. В нижней части шара трубка / окружает нить накала. Разрежение воздуха производилось обычно используемыми для этого приборами.
Эта лампа оправдала мое ожидание в том, что нить накала должна вибрировать и раскаляться при включении тока. Она также показала другую интересную особенность, имеющую отношение к предыдущим замечаниям. А именно: когда нить накала оставалась раскаленной некоторое время, узкая трубка и пространство внутри нее нагревались до высокой температуры. При этом газ в трубке становился токопроводящим, а электростатическое притяжение между стеклом и нитью накала становилось очень слабым, или исчезало совсем, и нить накала успокаивалась. Когда нить накала успокаивалась, она накалялась еще более сильно. Вероятно, это происходит из-за того, что она занимает положение в центре трубки, где молекулярная бомбардировка была более интенсивна, а также отчасти из-за того, что отдельные столкновения были более сильными, и никакая часть задействованной энергии не преобразовывалась в механическое движение. Поскольку, в соответствии с общепринятой точкой зрения, в этом эксперименте накаливание должно приписываться воздействию частиц, молекул, или атомов в нагретом пространстве, следовательно, как объяснение данному действию, эти частицы должны вести себя как независимые носители электрического заряда, погруженные в изолирующую среду. При этом нет силы притяжения между стеклом трубки и нитью накала, так как пространство в трубке, в целом, обладает электропроводностью.
В этой связи достаточно интересно наблюдать, как притяжение между двумя заряженными телами может прекратиться по причине ослабления изолирующего действия среды, в которую они погружены, и как между телами может возникнуть отталкивание. Это можно правдоподобно объяснить. Когда тела находятся на некотором расстоянии друг от друга в плохо проводящей среде, такой как слабо нагретый или разреженный воздух, и они вдруг заряжаются, то к ним передаются противоположные электрические заряды. Эти заряды более или менее уравниваются благодаря утечке через воздух. Но если тела заряжены одинаково, то у них меньше возможностей для такой утечки, следовательно, отталкивание, наблюдаемое в этом случае, будет сильнее, чем притяжение. Однако, как показал профессор Крукс, силы отталкивания в газообразной среде усиливаются молекулярной бомбардировкой.
О ТОКЕ ИЛИ ЯВЛЕНИЯХ ДИНАМИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
; Насколько мне известно, такие эффекты возникают главным образом в результате изменений электростатической силы в изолированной среде, например, в воздухе. Когда такая сила воздействует на токопроводящее тело достаточно больших размеров, она вызывает внутри этого тела или на его поверхности движение электричества и создает электрический ток, который в свою очередь создает другой вид явлений. Некоторые из них я сейчас постараюсь Вам продемонстрировать. Для представления второго класса электрических эффектов, я позволю себе выбрать те их них, которые можно воспроизвести без обратной цепи, и надеюсь вызвать у Вас еще больший интерес тем, что представлю эти явления в более или менее новом аспекте.
В течение долгого времени, очевидно, в связи с отсутствием достаточного опыта работы с переменным током, бытовало мнение, что электрический ток представляет собой нечто циркулирующее в рамках токопроводящего тела. Поэтому, когда впервые стало ясно, что электрический ток может идти по токопроводящему пути даже если последний прерывается, то этот факт вызвал изумление. Более того, еще большее изумление вызвало то, что иногда легче обеспечить прохождение тока при таких условиях, нежели через замкнутый путь. Но эта старая идея постепенно угасла даже среди практиков, и вскоре была полностью забыта.
Если подсоединить изолированную металлическую пластину Р, см. Рис. 11, к одной из клемм Т индукционной катушки при помощи провода, то, несмотря на то, что эта пластина очень хорошо заизолирована, при подключении катушки к цепи, по проводам течет ток. Сначала мне хотелось представить Вам доказательства того, что при этом именно ток течет проводам. Для того, чтобы продемонстрировать это, вполне достаточно поместить между клеммои катушки и изолированной пластиной платиновую, или мельхиоровую проволоку W, которая под действием тока раскалится добела. Для такого опыта необходимы довольно большая пластина и электрические импульсы очень высокого напряжения и частоты. Другой способ состоит в следующем: возьмем катушку С, Рис. 11, содержащую большое количество витков тонкого изолированного провода и включим ее в цепь, по которой ток идет к пластине. Когда я подсоединил один конец катушки к проводу, ведущему к другой изолированной пластине Рj, а другой конец к клемме Tj индукционной катушки, то, при активации всей цепи, через катушку пошел ток, а его присутствие можно было продемонстрировать самыми разными способами. Например, я вставляю в катушку железный стержень i. Поскольку ток обладает очень высокой частотой и некоторой силой, а при столь высоких частотах гистерезис и потери тока очень велики, то вскоре железный стержень нагреется до высокой температуры. Можно взять стержень определенного размера, изготовленного из слоистого металла, или цельный — существенного значения не имеет, а обычная металлическая проволока, толщиной 1/16 или 1/8 дюйма, вполне подходит для этих целей.
Во время работы индукционной катушки, ток проходит по дополнительной катушке, и через несколько секунд железная проволока i нагревается до температуры, достаточной, чтобы растопить сургуч, который нанесен на полоску бумаги, и которым последняя крепится к проводу. При этом бумага падает вниз. При помощи аппарата, который находится здесь, можно провести и другие, более интересные опыты такого рода. Для этого задействуется вторичная обмотка S, см. Рис. 12, которая изготовлена из толстой проволоки, намотанной на катушку, похожую на ту, которая использовалась в предыдущем эксперименте. В предыдущем эксперименте сила тока, протекающего через катушку С была очень низкой, тем не менее, благодаря наличию большого количества витков стало возможным возникновение сильного теплового эффекта на проволоке.
Если бы я пропустил этот ток через проводник с целью продемонстрировать эффект нагревания последнего, то, возможно, силы тока такой величины оказалось бы недостаточно для достижения желаемого результата. Но с катушкой, имеющей вторичную обмотку, я могу преобразовывать слабый ток, но с высоким напряжением, который
проходит через первичную обмотку Р, в ток с большей силой, но меньшим напряжением, который уже может вызвать ожидаемый эффект. В маленькую стеклянную трубку я поместил платиновую проволоку W, свернутую в змеевик. Такая форма проволоки обусловлена исключительно соображениями защиты ее от внешнего механического воздействия. На каждом конце трубки имеется впаянная клемма из толстой проволоки, с которыми соединены концы платиновой проволоки W. Я подключил клеммы вторичной катушки к клеммам трубки и, как и ранее, поместил первичную обмотку р между изолированной пластиной Pj и клеммой T1 индукционной катушки. При замыкании цепи, как только индукционная катушка начинает действовать, платиновая проволока "w" мгновенно раскаляется, и может оплавиться, даже если она очень толстая.
Вместо платиновой проволоки в данном случае я использовал обычную 50-вольтовую лампу в 16 свечей. Как только я включил в работу индукционную катушку — нить накала лампы раскалилась. При этом нет необходимости использовать изолированную пластину, лампа (I, Рис. 13) раскаляется даже если пластина Pj отключена. Для того, чтобы снизить электростатическую индукцию, или для иных целей, можно также подключить вторичную катушку к первичной так, как это показано пунктирной линией на Рис. 13.
А сейчас я хотел бы заострить Ваше внимание на некоторых данных наблюдения за лампой. Первое, я отключил одну из клемм лампы от вторичной обмотки S. Как только в цепи появился индукционный ток, вспыхнул яркий свет. Этот свет образовался благодаря электростатической индукции. При охвате лампы рукой — свечение усиливается. Это объясняется тем, что емкость тела экспериментатора добавляется к емкости вторичной цепи. По своему эффекту вторичная обмотка эквивалентна металлическому покрытию, которое могло бы быть расположено рядом с первичной обмоткой. Если вторичную обмотку, или ее эквивалент — покрытие, расположить симметрично по отношению к первичной, то при обычных условиях электростатическая индукция будет равна нулю. Эт о происходит потому, что при использовании первичной обратной цепи, обе половины нейтрализуют друг друга. На самом деле, вторичная обмотка располагается симметрично по отношению к первичной, однако, когда только один конец первичной обмотки подсоединен к индукционной катушке, то действие двух ее половин становится не равнозначным. В результате, возникает электростатическая индукция и вспыхивает свет в лампе. Можн о почти полностью компенсировать действие двух половин первичной обмотки, если подсоединить ее другой, свободный конец к изолированной пластине, как в предыдущем эксперименте.
Когда мы подключаем пластину, свечение прекращается. Если использовать пластину меньших размеров, то свечение не будет исчезать полностью, а нагрев воздух в лампе будет способствовать свечению нити накала, когда вторичная обмотка замкнута.
Для того, чтобы продемонстрировать другую особенность, я подключил катушки опреде- ленным образом. Сначала я подключил обе клеммы лампы ко вторичной обмотке, затем один конец первичной обмотки — к клемме Tj индукцион- ной катушки, а другой конец — к изо- лированной пластине Рj, как и ранее. При подаче тока лампа загорелась яр — ким светом. На Рис. 14b изображении эта схема, где С — катушка из тонкой проволоки, a s — вторичная обмотка из толстой проволоки, намотанная по- верх катушки. Если отключить изоли- рованную пластину Pj, что изолирует один конец "а" первичной обмотки, то нить накала лампы станет темной, то есть яркость света уменьшится (Рис. 14а). Снова подсоединив плас- тину Р1 и увеличив частоту тока, я добился того, что нить накала стала темной, почти красной (Рис. 15b). Я еще раз отсоединил пластину. Напра — шивается естественный вывод, что при отключении пластины, ток, проходя- щий через первичную обмотку, ослабевает, что в свою очередь снижает электродвижущую силу во вторичной обмотке S, в результате чего снижается ркость лампы. В таком случае, такой же результат можно было бы легко получить слегка под- регулировав катушки, а также изменив частоту и напряжение тока. Но, возможно, куда боль- ший интерес представляет тот факт, что при отключении пластины, яркость свечения лампы увеличивалась (Рис. 15а). В этом случае вся энергия, которую получает первичная обмотка, по- падает в нее как заряд электрической батареи в океанский кабель, но большая часть этой энер- гии возвращается через вторичную обмотку и вызывает свечение лампы. Ток, проходящий через первичную обмотку, имеет наивысшую силу в точке b, где происходит контакт с индук- ционной катушкой, и теряет свою силу на пути к точке а. В данной ситуации динамический ин- дуктивный эффект на вторичной катушке S больше, чем ранее, когда пластина была подключена к первичной обмотке. Эти результаты могли образоваться по нескольким причинам. Например: при подключенной пластине Pj, реакция со стороны катушки С могла быть такой, что потенци- ал на клемме T1 индукционной катушки уменьшился, и таким образом ослабил силу тока, теку щего через первичную обмотку катушки С. Либо, отключение пластины могло привести к уменьшению емкостного эффекта в отношение первичной обмотки катушки до такой степени, что уменьшилась сила тока, протекающего через нее, несмотря на то, что потенциал на клемме Тj индукционной катушки мог оставаться той же величины, а то и более. Либо, данный резуль- тат мог образоваться вследствие изменения фазы токов в первичной и вторичной обмотках, и последующей реакции. Но главным определяющим фактором является соотношение самоин- дукции, емкости катушки С, пластины Р/, а также частоты тока. Однако повышенная яркость нити накала на Рис. 15а частично обуславливается нагревом разреженного газа в лампе, вызванном электростатической индукцией, которая, как было отмечено ранее, больше при отсое- диненной пластине.
Есть еще и другая особенность, на, которую я хотел бы обратить Ваше внимание. Когда изолированная пластина отключена и вторичная обмотка катушки открыта, то при приближении ко вторичной обмотке небольшого предмета видно, как из нее вылетают небольшие искорки, демонстрируя темсамым, что электростатическая индукция в данный момент очень мала. Но если вторичная обмотка замкнута, или подключена к лампе, нить накала которой ярко светится, то при приближении ко вторичной обмотке небольшого предмета возникают довольно мощные искры. В этом случае электростатическая индукция намного больше, поскольку замкнутая вторичная обмотка обуславливает наличие большого тока в первичной обмотке, особенно в той ееполовине, которая соединена с индукционной катушкой. Если в этот момент обхватить лампу рукой, то емкость вторичной обмотки по отношению к первичной увеличится на величину емкости тела человека, и яркость свечения нити накала увеличится. Возникновение белого накала в данном случае обусловлено двумя факторами: прохождением тока через нить накала и молекулярной бомбардировкой разреженного газа в лампе. Наблюдения за предыдущими опытами принесли довольно интересные результаты. Если я могу обеспечить прохождение электрического тока по проводу подключив только один его конец к источнику электрической энергии, значит, я могу этим током индуцировать другой ток, намагнитить железный стержень, и, короче говоря, проделать все операции, которые я мог бы осуществить при использовании обратной цепи, даже заставить вращаться электродвигатель при помощи только одного провода. Ранее я уже описывал конструкцию простого электрического двигателя, который состоит из одной катушки возбуждения, железного стержня и диска. На Рис. 16 изображен несколько видоизмененный способ работы подобных электродвигателей переменного тока. Эти двигатели приводятся в движение переменным током индуцированным в трансформаторе, у которого один выход подключен к клемме двигателя, а другой к различным цепям, вырабатывающим ток, различающийся по фазе, и приводящий в движение двигатели определенного класса. Имея перед собой данную иллюстрацию, думается, что достаточно нескольких слов для описания этой схемы. На Рис. 16 II изображена первичная катушка Р, соединенная одним своим выходом с контуром L, идущим от клеммы Т/ трансформатора высокого напряжения. Ток, проходящий по первичной обмотке Р возбуждает индукционный ток во вторичной обмотке S, изготовленной из толстой проволоки, в цепи которой имеется катушка С. Далее ток, возникающий во вторичной обмотке, передает электромагнитную энергию железному стержню i, который желательно, но не обязательно, состоит из нескольких частей, и заставляет вращаться диск d. Такой двигатель, на Рис. 16 II он схематически изображен под литерой М2, называется Магнитно-инерционным двигателем". Но такое определение может быть вынесено теми, кто Полагает, что вращение двигателя вызвано вихревыми потоками, возникающими в момент, когда стержень i вдвигается в индукционное поле обмотки. Для того, чтобы такой двигатель, какой изображен на рисунке, мог эффективно работать, частота тока не должна быть слишком Высокой, не более четырех или пяти тысяч колебаний в секунду, хотя вращение будет происходить и при десяти тысячах колебаний в секунду, и даже более.
На Рис. 16 I электродвигатель с двумя цепями возбуждения схематически изображен под литерой М1. Цепь А соединена с контуром L, и последовательно с первичной обмоткой Р, свободный выход которой может быть подключен к пластине Рj. Такое соединение отмечено на схеме пунктирными линиями. Другая цепь двигателя В соединена со вторичной обмоткой s, которая состоит в индуктивной связи с первичной обмоткой Р. Переменный ток, через клемму Т1 трансформатора, проходит через открытый контур L, а также через цепь А, и первичную обмотку Р. При прохождении через первичную обмотку ток индуцирует вторичный ток в цепи S, который отличается от тока в первичной обмотке по фазе на 90 градусов, или около того, и может привести в движение якорь, который индуктивно связан с цепями А и В.
На Рис. 16 III изображен подобный электродвигатель, с двумя цепями возбуждения: A j и В1. Первичная обмотка Р, одним своим выходом подключенная к контуру L, имеет вторичную обмотку S, желательно чтобы она была намотана так, чтобы обеспечивать достаточно высокую электродвижущую силу, и к которой подключены две цепи возбуждения двигателя: одна непо- средственно к выходам вторичной обмотки, а другая к конденсатору С, при помощи которого и достигается разница в фазах у тока, проходящего через цепи А1 и В1.
На Рис. 16 IV изображена другая схема подключения. Две первичные обмотки P1 и Р2 подключены к контуру L: одна через конденсатор малой емкости С, а другая напрямую. Первичные обмотки имеют вторичные Sj и S2, которые подключены последовательно к цепям возбуждения А2 и В2, а также к двигателю М3. Конденсатор С, как и в предыдущих случаях, служит для обеспечения разницы в фазах у токов, проходящих через цепи двигателя. Так как подобные фазовые двигатели известны достаточно широко, то на иллюстрации они изображены схематически. Поскольку не было отмечено каких-либо трудностей в работе электродвигателей, функционирующих таким, или подобным образом, и, несмотря на то, что на сегодняшний день такие эксперименты представляют только научный интерес, возможно, что в самом недалеком будущем мы увидим их в практическом применении.
Полагаю, что были бы уместны некоторые замечания в отношении всех устройств, функционирующих при помощи только одного провода. Совершенно очевидно, что в устройствах, работающих от тока высокой частоты — по меньшей мере тогда, когда присутствует электродвижущая сила большой мощности — использование заземления куда более предпочтительнее обратного провода.
Использование заземление при слабом токе, или при токе низкой частоты не рекомендуется потому, что эти факторы вызывают химические реакции разрушающего действия на самом заземлении, а также негативно влияют на работу электрических цепей. Однако при токе высокой частоты, эти негативные проявления практически отсутствуют. Даже если рассматривать заземление как ненужный элемент в ситуации, когда имеется электродвижущая сила большой мощности, в скором времени будут созданы условия, при которых передача электрического тока чрез открытое соединение окажется более экономичной, нежели через закрытое. Человеку, мало знакомому с результатами подобных экспериментов может показаться, что промышленное применение такого способа передачи электрической энергии, то есть с использованием только одного провода — дело далекого будущего, однако, оно не покажется таковым для тех, кто потратил некоторое время на изучение природы этих явлений. В самом деле, я не вижу причин, которые могли бы помешать осуществлению такого плана. Также было бы неверным полагать, что для претворения в жизнь такого плана, обязательно требуется очень высокая частота. Напряжения в 30 000 вольт вполне достаточно для того, чтобы передавать электрический ток низкой частоты по одному проводу. Результаты экспериментов, проведенных мной, позволяют делать такие заключения.
Как показали лабораторные опыты, можно легко управлять током очень высокой частоты способом, представленным на Рис. 17. Там показаны две обмотки: P Pj, каждая из которых одним своим выходом соединена с контуром L, а другим с конденсаторными пластинами С и С, соответственно. Рядом с ними расположены другие конденсаторные пластины Сj и С/. Первая из них соединена с контуром L, а вторая с большой изолированной пластиной P2 Поверх первичных обмоток намотаны вторичные S и Sj, изготовленные из толстой проволоки, и которые подсоединены к устройствам d и l соответственно. При изменении расстояния между конденсаторными пластинами С и С j, а также С и С/, изменяется сила тока, проходящего по вторичным обмоткам S и S. При этом наблюдается необычная особенность — очень высокая чувствительность: даже очень небольшое изменение расстояния между пластинами вызывает весьма значительное изменение силы тока. А в условиях резонанса, чувствительность и вовсе огромна, то есть в условиях, когда частота тока равна частоте в первичной обмотке, отсутствует пластина на свободном конце, а вторичная обмотка замкнута. Например: я создал такие условия, когда при подходе человека к катушке, довольно значительно менялась яркость лампы, подключенной ко вторичной обмотке. Разумеется, такие эксперименты сегодня вызывают только научный интерес, однако в скором времени они могут приобрести и практическое значение.
Использование тока очень высокой частоты в электродвигателях невозможно, по причине необходимости использования железных сердечников. Но можно использовать резкие разряды тока низкой частоты, и таким образом получить определенные преимущества, присущие токам высокой частоты, при этом без того, чтобы железный сердечник стал совсем неспособен следовать изменениям, и вызывая тем очень большой потери энергии на сердечнике. Мой опыт показал, что вполне возможно приводить в движение двигатели переменного тока при помощи таких пробивных низкочастотных разрядов конденсаторов. Двигатели определенного класса, с которыми мне довелось работать несколько лет назад, у которых были замкнутые вторичные цепи, при прохождении разряда через катушки возбуждения, вращались весьма энергично, Одна из причин, почему эти двигатели работали столь хорошо, состоит в том, что разность фаз между токами первичной и вторичной обмоток составляла 90 градусов, что в целом не обеспечивало равномерных взлетов и падений тока низкой частоты. Возможно, будет небезынтересно продемонстрировать эксперимент с одним двигателем такого класса, поскольку бытует мнение, что пробивные разряды не подходят для этих целей. Такой электродвигатель изображен на Рис. 18. Он включает в себя довольно большой железный сердечник i с пазами в верхней части, в которые впрессованы медные шайбы С С. В непосредственной близости от сердечника находится свободно передвигаемый диск D. Сердечник оснащен первичной катушкой возбуждения С1, выходы a и b которой подключены к клеммам вторичной обмотки S обычного трансформатора. Первичная обмотка Р трансформатора подключена к распределительной сети переменного тока, или к генератору G тока низкой, или средней частоты. Клеммы вторичной обмотки S подключены к конденсатору С, разряды которого проходят через воздушный зазор d d, и который может быть подключен последовательно, или параллельно к катушке С]. Если все параметры соблюдены правильно, то диск D вращается с заметным усилием, а железный сердечник i не подвергается ощутимому нагреву.
А при использовании переменного тока, вырабатываемым высокочастотным альтернатором, наоборот, металлический сердечник быстро нагревается, а диск вращается со значительно меньшим усилием. Для того, чтобы провести эксперимент должным образом, следует в первую очередь удостовериться, что диск D находится в состоянии покоя, когда в воздушном зазоре d d нет разрядов. Рекомендуется использовать железный стержень больших размеров, а конденсатор большой емкости для того, чтобы свести к минимуму наложение колебаний, а то и полностью свести их на нет. Изучая эти совершенно элементарные действия, я обнаружил, что вполне возможно такими пробивными разрядами приводить в действие электродвигатели постоянного тока, соединенные последовательно, либо параллельно. Причем, делать это можно как используя, так и не используя обратный провод.
ЯВЛЕНИЕ ИМПЕДАНСА
Среди множества феноменов, наблюдаемых у электрического тока, возможно, наиболее интересным является импеданс проводников к токам с очень высокой частотой колебаний. В своем первом выступлении перед аудиторией Американского Института Инженеров- Электриков я описал несколько поразительных наблюдений. В частности я продемонстрировал, что при прохождении такого тока, или неожиданных разрядов через толстый металлический брусок, на бруске могут быть точки, отстоящие друг от друга всего на несколько дюймов, разность потенциалов между которыми оказывается достаточной для того, чтобы поддерживать яркое свечение обычной лампы накаливания. Я также объяснил необычное поведение разреженного газа, окружающего проводник, возникающее вследствие таких неожиданных всплесков тока. С тех пор эти явления были изучены более тщательно, а пара новых экспериментов оказались настолько интересны, что заслуживают того, чтобы на них подробно остановились.
На Рис. 19а, изображена схема, где В и Вj очень толстые медные стержни, соответствен- но соединенные своими нижними концами с пластинами С и Сj конденсатора. Противополож- ные пластины конденсатора подключены к клеммам вторичной обмотки высоковольтного трансформатора. На первичную обмотку трансформатора подается переменный ток от обычной низкочастотной динамо-машины, либо от распределительной сети. Как обычно, конденсатор разряжается через воздушный зазор d d. Оказалось, что при наличии частых колебаний, до- вольно легко можно проделать следующий, весьма любопытный эксперимент. Стержни В и В j соединены по верху лампой низкого напряжения l3, чуть ниже, с помощью крепежей С С раз- мещена 50-вольтовая лампа 12, еще ниже расположена другая 100-вольтовая лампа I1; и нако- нец, на строго определенном расстоянии от последней лампы — вакуумная трубка Т. Осторожно перемещая эти устройства по стержням, вполне возможно добиться того, чтобы каждое из них светилось в соответствии с определенной ей мощностью, несмотря на то, что все они соединены параллельно между двумя толстыми медными стержнями и требуют для работы совершенно различное напряжение. Разумеется, этот эксперимент требует определенного вре-. мени на подготовку, но его очень легко осуществить.
На Рис. 19b и 19с представлены схемы двух других экспериментов, которые в отличие от предыдущего, не требуют точной регулировки. На Рис. 19b две лампы, 100-вольтовая l1 и 50- вольтовая /2, расположены определенны образом: 100-вольтовая лампа находится ниже 130- вольтовой. Когда между точками d d проскакивает дуга и скачкообразные разряды проходят через стержни В и Вj, то, как правило, 50-вольтовая лампа излучает яркий свет, по крайней мере такого результата можно добиться без особого труда, тогда как 100-вольтовая лампа едва светится, или вообще остается темной, Рис. 19b Но если стержни В и В1 соединить толстым поперечным стержнем В2, то легко можно добиться того, чтобы 100-вольтовая лампа работала на полную мощность, а 50-вольтовая оставалась темной, Рис. 19с. Как я уже отмечал ранее, данные результаты не следует объяснять только частотой, это в большей мере относится к периоду времени, в течение которого и происходят изменения, который может быть очень большим, особенно при низкой частоте тока. Имеется еще множество различных результатов, которые представляют не меньший интерес, особенно для тех, кто в своей практике использует только ток слабой силы. Возможно, здесь они найдут ключ к разгадке тайны природы электрического тока.
В предыдущих экспериментах я уже имел возможность продемонстрировать некоторые явления, и, возможно, было бы целесообразно изучить их более детально. Однако для того, чтобы придать данному исследованию более законченный вид, я думаю, что необходимо в первую очередь сделать несколько замечании в отношении электрического резонанса, который наблюдался при проведении всех этих экспериментов.
ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РЕЗОНАНСЕ
Эффект резонанса все чаще и чаще упоминается инженерами, и приобретает все большую важность при практическом использовании всех типов аппаратов, работающих от переменного (тока. Поэтому в отношении этих эффектов следует привести несколько общих замечаний. Общеизвестно, что при успешном применении эффекта резонанса в практической работе устройств, отпадает необходимость в использовании обратного провода, поскольку электрические колебания могут передаваться по одному проводу, а иногда даже лучше, чем с использованием двух проводов. Первы й вопрос, на который следует дать ответ, звучит так: "Можно ли целенаправленно создавать чистые резонансные эффекты? " И теоретические расчеты и экспериментальная практика показывают, что в Природе подобное невозможно. Это связано с тем, что при увеличении интенсивности колебаний, быстро возрастает негативное воздействие на тело, где происходят колебания, а также на окружающую его среду. Поэтому необходимо контролировать колебания, в противном случае они могут возрастать до бесконечности. Пожалуй, что невозможность создания чистого резонанса, является очень удачным обстоятельством. В противном случае, трудно даж е предположить, какими опасностями может грозить даж е самый невинный эксперимент. Но вполне возможно произвести резонанс определенного уровня. Величина данного эффекта ограничивается недостаточной проводимостью и эластичностью среды, или фрикционными потерями в целом.
Чем меньше потери, тем значительнее эффект. То же самое относится и к механическим ко- лебаниям. Можно вызвать колебания в толстом стальном стержне при помощи водяных капель, падающих на него с определенными интервалами. В стеклянной среде, которая более эластич- на, эффект резонанса проявляется еще сильнее. Можн о сделать так, чтобы стеклянный бокалi разлетелся вдребезги, если направить в него звук определенного тона. Электрический резонанс достигается более совершенным способом. Че м меньше сопротивление, или импеданс, токопро- водящего пути, тем выше диэлектрик. Если лейденская банка разряжается через короткий ви- той кабель, изготовленный из тонкой проволоки, то это означает, что для достижения '. резонансного эффекта, возможно, созданы самые лучшие условия, и поэтому он проявляется, наиболее отчетливо. Это не относится к динамо-машинам, трансформаторам и их цепям, а так- же к другим аппаратам промышленного изготовления, где наличие железных сердечников силь- но препятствует возникновению резонанса, и даже делает его невозможным. Чт о касается Лейденских банок, при помощи которых часто демонстрируется эффект резонанса, я бы хотел сказать, что наблюдаемые эффекты часто всего лишь приписываются, и редко когда возника- ют действительно в результате резонанса. Здес ь очень легко допустить ошибку в выводах. Это можно продемонстрировать при помощи нижеследующего эксперимента. Возьмем, к примеру, две большие изолированные пластины, или сферы, которые обозначим как А и В. Поместим их на определенном небольшом расстоянии друг от друга, затем зарядим их при помощи фрикци- онного, или электрофорного генератора до потенциалов такой величины, чтобы даже при не- большом увеличении разницы потенциалов, происходил пробой воздуха, или изолирующего пространства между ними. Этого легко добиться, если предварительно немного потренировать- ся. Теперь возьмем другую пластину, имеющую изолированную рукоятку, и соединенную при помощи провода с одной из клемм вторичной обмотки высокого напряжения индукционной ка- тушки, которая запитывается от генератора переменного тока, желательно высокочастотного. Если эту пластину поднести к одному из заряженных тел А, или В, то между ними будут про- исходить разряды. Но для этого необходимо, по меньшей мере, чтобы потенциал катушки, со- единенной с пластиной, был достаточно высок. Объяснение этому кроется в том, что пластина индуктивно воздействует на тела А и В, и вызывает искровой разряд между ними. Пр и возник- новении искры, заряды, которые до этого нагнетались на тела элекрофорным генератором, не- избежно теряются, поскольку тела вошли в электрический контакт через образовавшуюся дугу. Эта дуга образуется вне зависимости того, есть резонанс, или нет. Но даже если искра не об- разуется, то при приближении пластины возникает переменная электродвижущая сила между телами. Таким образом, приближение пластины, своим индуктивным воздействием, по меньшей мере, способствует возникновению пробоя воздушной прослойки. С тем же успехом, вме- сто сфер, или пластин А и В мы можем использовать покрытия Лейденской банки, а вместо re- нератора — предпочтительно генератора переменного тока высокой частоты, потому что он лучше всего подходит для этого эксперимента, и особенно для его аргументации — мы можем» использовать другую Лейденскую банку, или набор банок. Во время разряда Лейденских ба- нок через цепь с низким сопротивлением, через нее проходит ток очень высокой частоты. Те- перь пластину можно подключить к одному из покрытий второй банки. И если ее поднести к первой банке, предварительно зарядив ее от электрофорного генератора до высокого потенци- ала, то мы получим тот же результат, что и в первом случае, а первая банка разрядится через небольшую воздушную прослойку над разряженной второй банкой. Но обе банки и их цепи нужно настроить так, чтобы они отличались друг от друга как низкий бас от комариного писка. А так как маленькие искры будут проскакивать сквозь прослойку воздуха, то последний будет, по меньшей мере, в значительной степени напряжен, вследствие переменной электродвижущей силы, образовавшейся в результате индукции, которая возникает при разрядке одной из банок. И опять была допущена такая же ошибка. Если цепи двух банок соединены параллельно и за- мыкают друг друга, и если во время эксперимента банки разряжались одна за другой, а к цепи, над которой эксперимент прошел неудачно, была подключена катушка с проволокой, то вывод, что эксперимент не удался вследствие неточной настройки цепей, далек от истины.
Для двух цепей, выступающих в роли пластин конденсатора, добавление катушки к одной из них равнозначно установке перемычки между ними в виде конденсатора малой емкости в месте размещения катушки. В результате уменьшится переменная электродвижущая сила в области воздушной прослойки, что может привести к прекращению искрообразования в этой области. Все эти замечания, как и множество других, которые можно было бы добавить к имеющимся, но которые опускаются из-за опасения отвлечь внимание аудитории от основного предмета обсуждения, адресованы неопытным студентам, у которых может сложиться неоправданно высокое мнение о собственном опыте, полученном в результате наблюдений за успешными экспериментами. Данные замечания не следует рассматривать опытным исследователям как новые научные достижения.
Для того, чтобы получать надежные данные наблюдения за эффектами электрического ре- зонанса, весьма желательно, а то и необходимо, использовать альтернатор, вырабатывающий ток, всплески и падения которого гармоничны, поскольку при работе с током, колебания кото- рого прерывисты, полученные данные не всегда заслуживают доверия, так как многие явления, которые зависят от периода колебаний, могут быть воспроизведены на самых разных частотах. Но, даже проводя исследования с использованием надлежащего альтернатора, ученые могут допускать ошибки. При подключении электрической цепи к альтернатору возникает множест- во величин, относящихся к емкости и самоиндукции, которые вместе могут удовлетворять ус- ловиям резонанса. Так в механике существует несметное количество камертонов, которые относятся к звукам определенной высоты, а также сжатых пружин, имеющих строго определен- ный период колебаний. Но наилучший эффект резонанса может быть получен при условии, что движение распространяется в условиях наибольшей свободы. В настоящее время в механике, при изучении распространения колебаний в обычных условиях, то есть в воздухе, сравнитель- но мало значения придается тому, насколько один камертон больше другого, поскольку потери в воздушной среде не столь значительны. Разумеется, можно поместить камертон в сосуд с разреженным газом, тем самым уменьшить сопротивление воздуха до минимума и добиться лучшего резонансного действия. Разница будет не столь велика. Однако, если поместить ка- мертон в ртуть, то разница будет огромной. В электрических колебаниях огромное значение придается созданию условий для наиболее свободного распространения колебаний. Величина резонансного эффекта зависит, при прочих равных условиях, от количества электричества, за- действованного в движении, или, иначе, от силы тока, текущего через цепь. Но цепь противо- действует прохождению тока своим импедансом, и поэтому, для того, чтобы получить наилучший результат, необходимо снизить импеданс до минимума. Преодолеть сопротивление полностью невозможно, но можно частично, потому что преодолеть омическое сопротивление преодолеть нельзя. Когда частота импульсов очень высока, то движение тока обуславливается практически только самоиндукцией. Сейчас преодолеть самоиндукцию можно, если объеди- нить ее с емкостью. Если отношения между емкостью и самоиндукцией установить таким об- разом, чтобы на используемой ими частоте они взаимно аннулировали друг друга, то есть чтобы установились значения, удовлетворяющие условиям возникновения резонанса, и пропустить большое количество электричества через внешнюю цепь, то будет достигнут наилучший резуль- тат. Подключить конденсатор последовательно к катушке самоиндукции не составляет труда. Совершенно очевидно, что в таких комбинациях, применительно к определенной частоте и только в отношении основных колебаний, условия для получения наилучшего результата, до- стигаются, когда конденсатор подключен параллельно к катушке самоиндукции, причем значи- тельно более лучшие, нежели при последовательном соединении. На практике их можно комбинировать. Дл я проведения эксперимента при параллельном подключении конденсатора к катушке, можно взять катушку с малой самоиндукцией и конденсатор большой емкости, либо конденсатор малой емкости и катушку с большой самоиндукцией. Последний вариант предпо- чтительнее, поскольку довольно неудобно настраивать большую емкость маленькими шагами. При использовании катушки с очень большой самоиндукцией, предельная емкость конденсато- ра снижается до очень малой величины, а емкость самой катушки может оказаться значитель- ной. Совсем несложно, а тем более зная некоторые хитрости, изготовить катушку, сопротивление которой снижено до величины омического сопротивления. Известн о также, что для любой катушки можно подобрать частоту, при которой она пропускает максимальное коли- чество тока. Результаты наблюдений за взаимоотношениями между самоиндукцией, емкостью и частотой приобретают большое значение применительно к устройствам, работающим от пере- менного тока, таких как трансформаторы и электродвигатели потому, что если правильно подо- брать элементы, можно избежать необходимости использования дорогостоящего конденсатора. Потому и невозможно пропустить через катушки электродвигателя переменного тока при нормальных рабочих условиях необходимое количество тока со слабой электродвижущей силой, и полностью избавиться от паразитного тока. И чём больше электродвигатель, тем легче осуще- ствить этот план, однако, для этого необходимо задействовать ток очень высокого напряжения и высокой частоты.
На Рис. 20 I представлен план, которому следовали при изучении резонансных эффектов с использованием высокочастотного генератора переменного тока, где С1 — катушка, состоящая из большого количества витков, которая для удобства настройки разделена на множество небольших секций. Окончательная настройка иногда проводилась при помощи нескольких тонких железных проводов (хотя это и не рекомендуется), либо при помощи вторичной обмотки. Катушка С1 одним своим выходом соединена с контуром " L", идущим от генератора G, а другим выходом с одной из пластин С конденсатора С С1. Пластина С1 конденсатора подключена к значительно большей по размерам пластине Рj. Таким образом, параметры емкости и самоиндукции оказались настроены на частоту динамо-машины.
Что касается возрастания потенциала при резонансе, то, разумеется, теоретически он может вырасти до любого значения, поскольку это зависит от самоиндукции и сопротивления. Но на практике величина потенциала ограничивается параметрами самоиндукции и сопротивления, а также другими обстоятельствами. Можно начать, скажем, с 1,000 вольт и увеличить величину электродвижущей силы в 50 раз, но невозможно начать со 100,000 вольт и увеличить ее в 10 раз потому, что потери в среде очень велики, особенно при высокой частоте. Вполне реально начинать эксперимент, например, с двух вольт, получаемых от цепи высокой, или низкой частоты, либо от динамо-машины и увеличить величину электродвижущей силы в несколько сот раз. Таким образом, катушки соответствующих размеров могут быть подключены к сетевой розетке динамо-машины со слабой электродвижущей силой только одним своим выходом. Однако, даже если цепь машины не замкнута, в обычном значении этого термина, то при возникновении соответствующего резонансного эффекта динамо-машина может сгореть. Мне не удавалось добиться самому, как и наблюдать, что кто-то сумел получать такую величину потенциала от тока, вырабатываемого динамо-машиной. Но вполне возможно, и совсем не кажется невероятным, что если использовать ток от аппарата, содержащего железо, то негативное влияние железа может стать причиной, по которой эти теоретические возможности окажутся нереализуемыми. И если это так, то я могу объяснить сие исключительно гистерезисом, а также потерями от токов Фуко в сердечнике. В общем, если электродвижущая сила слаба, то ее нужно усиливать. Обычно это делается при помощи индукционной катушки обычной формы, но в некоторых случаях можно использовать устройство, изображенное на Рис. II. В этом случае, катушка С состоит из большого числа секций, часть из которых используются в качестве первичной обмотки. Таким образом, и первичная и вторичная обмотки становятся регулируемыми. Один выход этой катушки подключен к контуру L j, а другой контур L соединен с промежуточной частью катушки. Такая катушка с регулируемыми первичной и вторичной обмотками, также может оказаться удобной для проведения экспериментов с пробивными электрическими разрядами.
Я бы хотел сказать несколько слов в отношении предмета, который в контексте резонансных явлений и проблемы передачи энергии по одному проводу, занимает все мои мысли, и который касается всеобщего благосостояния. Я имею в виду передачу четких сигналов, а возможно даже энергии, на любое расстояние без использования проводов. На днях я пришел еще к большему убеждению, что подобная схема реализуема. Я отдаю себе отчет в том, что большинство ученых не поверят в возможность достижения этих результатов на практике и немедленно, однако, как мне думается, все понимают, что разработки последних лет нескольких специалистов заслуживают более пристального внимания, и проведения экспериментов в этом направлении. Моя убежденность возросла до такой степени, что я уже больше не рассматриваю этот проект по передаче энергии, или информации как исключительно теоретическую возможность. Мне она представляется как серьезная электротехническая задача, которой необходимо посвятить хотя бы несколько дней. Идея передачи информации без использования проводов возникла как естественное продолжение самых последних результатов исследований электрической энергии. Несколько энтузиастов выразили убежденность, что вполне возможно создать телефонию по воздуху на любое расстояние при помощи индукции. Моя фантазия не зашла так далеко, но я твердо убежден, что при помощи мощных машин можно нарушать электростатические условия земли и таким образом передавать информацию и возможно даже энергию. В самом деле, что мешает практическому выполнению данной схемы? Сейчас мы уже знаем, что электрические колебания можно передавать посредством одного провода. Тогда почему бы не попробовать использовать для этих целей землю? Мы не должны пугаться фактора расстояния. Для утомленного путника, считающего верстовые столбы, земля может показаться очень большой. Однако для самого счастливого человека — астронома, устремляющего свой пристальный взгляд в небеса, по сравнению с теми масштабами, земля кажется совсем маленькой. И я думаю, что для электрика, когда он задумывается над тем, с какой скоростью распространяются электрические колебания по земле, все представления о расстоянии пропадают напрочь.
Самое главное, что в первую очередь нужно узнать — это емкость земли, и каков ее эле- ктрический заряд, если ее наэлектризовать? Поскольку мы не располагаем доказательствами того, что в космосе не существуют тела, имеющие определенный электрический заряд, а также другие тела с противоположным зарядом, находящиеся недалеко от первых, то существует сла- бая вероятность того, что земля представляет собой именно такое тело, которое в результате ка- кого-то процесса отделилось от остальных — это общепризнанная гипотеза происхождения земли. А если это так, то она должна нести в себе определенный электрический заряд, как про- исходит при механическом разделении тел. Если она является заряженным телом, изолирован- ным в пространстве, то тогда ее емкость должна быть очень маленькой, менее одной тысячной фарады. Однако верхний слой атмосферы является токопроводящим. Следовательно, возмож- но, что открытом космосе, за границами атмосферы есть среда, которая имеет противоположный заряд. В этом случае емкость земли может оказаться несоизмеримо больше. В любом случае, очень важно узнать, какое количество электричества содержит земля. Трудно сказать, обретем ли мы когда-нибудь столь необходимые знания? Но если и сможем, то толь- ко при помощи электрического резонанса. Если мы когда-нибудь сможем установить период зарядки земли, период возбуждения колебаний по от- ношению к противоположно заряженной системе, или известной цепи, мы обретем знания, которые, возможно, будет иметь наибольшую значи- мость для благосостояния человечества. Я предлагаю постараться опре- делить этот период при помощи электрического осциллятора, либо при помощи источника переменного электрического тока. Одн а из клемм ис- точника должна быть подключена к земле, например, к городской систе- ме водоснабжения, а другая — к изолированному телу с большой поверхностью. Возможно, что внешний токопроводящий слой атмосфе- ры, или открытый космос имеют противоположный земле заряд, тогда они с землей образуют конденсатор огромной емкости. В этом случае пе- риод колебаний может оказаться очень низким, тогда динамо-машина пе- ременного тока вполне может подойти для целей эксперимента. Затем, я бы преобразовал электрический ток в максимально возможный потенци- ал и подсоединил бы выходы вторичной обмотки высокого напряжения к земле и к изолированному телу. Изменя я частоту тока и тщательно фик- сируя величину потенциала изолированного тела, а также наблюдая за возбуждениями на различных соседних точках земной поверхности, мож- но заметить явление резонанса.
Если период колебаний окажется слишком маленьким, как по всей вероятности полагают большинство ученых, то динамо-машина будет бесполезна, и придется изготовить надлежащий электрический осцилля- тор. Но, возможно, и в этом случае окажется невозможным получить столь быстрые колебания. Однак о вне зависимости от того, возможно, это, или нет, содержит земля заряд, или нет, и каков может быть период колебаний — не подлежит ни малейшему сомнению тот факт, и мы дня- ми имели тому доказательство, что можно вырабатывать электрическое возбуждение достаточно мощное, чтобы его можно было принимать при помощи удобных инструментов в любой точке земной поверхности.
Предположим, что источник переменного тока подключен так, как показано на Рис. 21: одной своей клеммой к земле (удобней всего к магистралям водоснабжения), а другой к телу с большой поверхностью Р. Пр и возникновении электрических колебаний, произойдет движение электрического тока в направлении тела Р и от него. Переменный ток, проходя по земле, будет сосредоточиваться в, и рассредоточиваться от точки С — точки, где установлено соединение с землей. Таким образом, произойдет возбуждение в соседних точках на земной поверхности, расположенных в определенном радиусе. Но сила возбуждения уменьшается с увеличением расстояния. Следовательно, расстояние, на котором данный эффект можно будет воспринимать, будет зависеть от количества электричества, находящегося в движении. Одни м из ограничений величины потенциала тела Р является площадь его поверхности, поэтому они изолировано, а для того, чтобы зарядить его, необходим источник энергии большой мощности. Необходимо также создать условия, при которых генератор или источник S создавал бы одно и то же движение электричества, как если бы его цепь была замкнута. Таким образом, при наличии соответствующего оборудования, определенно вполне реально передавать Земле электрические колебания по крайней мере, при малом периоде. Остается только догадываться, на каком удалении от источника эти колебания можно принимать. Я бы хотел поведать вам еще об одном соображении, непосредственно касающегося вопроса об отношении земли к электрическому возбуждению. Несомненно, что в данном эксперименте, на поверхности земли может иметь место определенная плотность электричества, но очень-очень маленькая, в силу размеров земли. Это доказывается тем, что атмосферный воздух не является сильным дестабилизирующим фактором, то есть при распространении электрических колебаний по воздуху не происходят больших потерь энергии, что могло бы иметь место в случае, если бы плотность электричества на поверхности земли была бы большой. Теоретически, для того, чтобы создать возбуждение, которое можно было бы принимать на большом расстоянии от источника, или даже в любой точке земной поверхности, не требуется большого количества энергии. Сегодня уже совершенно ясно, что в любой точке, находящейся в рамках определенного радиуса удаления от источника о, при помощи резонанса можно привести в действие устройство с надлежащим образом подобранными параметрами самоиндукции и емкости. Но можно сделать не только это. Можно синхронизовать работу источника S с работой другого источника Sj, подобного первому, или любого количества таких источников. Это даст возможность усиливать колебания и распространять их по большой территории, либо осуществлять транспортировку электрической энергии, произведенной источником Sj, к источнику S при условии, что они работают в противофазе. Я думаю, что нет сомнений в том, что при помощи резонанса, вполне возможно в городских условиях приводить в действие электрические устройства от электрического осциллятора, находящегося в центральной точке, через систему трубопроводов, или по земле. Однако практическое решение этой проблемы принесло бы несоизмеримо меньше благ людям, нежели претворение в жизнь программы, позволяющей передавать информацию, а, возможно, и энергию, через землю, или окружающую среду. Рис 21. Если это в целом возможно, то расстояние уже не имеет никакого значения. В первую очередь необходимо изготовить соответствующие устройства, при помощи которых мы начнем наше наступление на эту проблему. Я посвятил немало времени и умственного напряжения данной теме, и полностью убежден, что это можно осуществить. Я также надеюсь, что мы доживем до того момента, когда это будет реализовано.