Нисколько не сомневаясь в том, что благодаря внимательности и предусмотрительности, проявленным профессором Дж. Дж. Томсоном, полученное свечение обязано своим появлением исключительно электродинамическому воздействию, вместе с тем хотел бы сказать, что во многих экспериментах отмечал удивительные случаи неэффективности экранирования, а также обнаружил, что электризация через воздух часто играет очень большую роль и в некоторых случаях, возможно, обусловливает возбуждение трубки.
В своем первом письме в «Electrician» профессор Дж. Дж. Томсон упоминает о факте свечения в трубке, расположенной рядом с проводом, через который разряжается лейденская банка, его отмечал и Хитторф. Я полагаю, что подобный эффект слабого свечения наблюдался многими экспериментаторами, но в моих опытах свечение было значительно более ярким, чем отмечаемые.
«The Electrical Engineer», Нью-Йорк, 1 июля 1891 г.
13Заметки по поводу униполярной динамо-машины
Фундаментальным открытиям, великим достижениям разума свойственно неослабно держать в своей власти воображение мыслителя. Достопамятный эксперимент Фарадея с диском, вращающимся между двумя полюсами магнита, принесший такие великолепные плоды, давно стал обыденным явлением, и всё же у этого прообраза нынешних динамо-машин и двигателей есть определенные особенности, которые даже сегодня кажутся нам поразительными и заслуживают самого тщательного изучения.
Рассмотрим, например, диск из железа или другого металла, вращающийся между двумя противоположными полюсами магнита, когда поверхности полюсов полностью охватывают обе стороны диска, и предположим, что с помощью контактов ток равномерно снимается со всех точек периметра диска и поступает на него. Рассмотрим сначала двигатель. Во всех обычных двигателях их работа зависит от некоторого смещения или изменения равнодействующей силы магнитного притяжения, действующей на якорь. Этот процесс осуществляется или с помощью механического приспособления на двигателе, или благодаря действиям токов соответствующего свойства. Мы можем объяснить принцип действия такого двигателя с тем же успехом, как мы делаем это в отношении водяного колеса. Но в вышеприведенном примере с диском, находящимся полностью между полярными поверхностями, нет смещения магнитного воздействия, никаких изменений не происходит, но, насколько нам известно, вращение всё-таки имеет место. В этом случае привычные суждения неприменимы; мы не можем дать даже поверхностного объяснения явлению, как это было бы возможным для обычных моторов, и принцип действия станет нам понятным только тогда, когда мы осознаем истинную природу задействованных сил и поймем тайну невидимого связующего механизма.
Рассматриваемый в качестве динамо-машины диск в равной степени интересен и как объект изучения. В дополнение к своему особенному свойству вырабатывать токи одного направления без применения переключающих устройств такой генератор отличается от обычных динамо-машин еще тем, что в нем не происходит реактивного взаимодействия между якорем и полем. Ток в якоре имеет свойство создавать магнитное поле, направленное под прямым углом к полю возбуждения, но поскольку ток снимается равномерно со всех точек периметра и, если быть точным, внешний контур тоже можно смонтировать идеально симметрично к электромагниту, никакая реакция не может произойти. Это, однако, верно только до тех пор, пока магниты слабо подпитываются, ибо когда магниты более или менее насыщены, намагниченные под прямым углом поля, по-видимому, интерферируют.
Из одного только этого примера явствует, что мощность такого генератора должна быть намного больше, чем у другой подобной машины при одном и том же весе, в которой ток якоря имеет свойство размагничивать поле. Исключительно высокая мощность униполярной динамо-машины Форбза и опыт автора подтверждают эту точку зрения.
С другой стороны, легкость, с которой такие машины, способные самовозбуждаться, могут быть построены, поразительна, но это может быть обусловлено — помимо отсутствия противодействия со стороны якоря — идеальной однородностью тока и отсутствием самоиндукции.
Если полюсы не охватывают диск полностью с обеих сторон, тогда, конечно, генератор станет работать очень неэффективно, если только диск не будет должным образом разделен. Кроме того, есть еще моменты, заслуживающие внимания. При условии, что диск вращается, а ток возбуждения прерывается, сквозь якорь он пойдет непрерывно, а возбуждающие магниты будут терять свою напряженность сравнительно медленно. Причина этого сразу станет понятной, когда мы рассмотрим направление токов в диске.
Ил. 1
На схеме ил. 1 d обозначает диск со скользящими контактами ВВ' у оси и на окружности. N и S обозначают два полюса магнита. Предполагается, что полюс N находится впереди, как показано на схеме, а диск — в плоскости рисунка и вращается в направлении, указанном стрелкой D; ток в диске протекает от центра к краю, как указывает стрелка А. Поскольку действие магнитного поля более или менее ограничено пространством между полюсами NS, другие части диска могут рассматриваться как неактивные. Следовательно, создаваемый ток не полностью пройдет по внешнему контуру F, но будет замыкаться на самом диске, и, как правило, если расположение в какой-то степени подобно представленному на рисунке, значительная часть генерированного тока не выйдет наружу, так как контур F практически замкнут накоротко нерабочей частью диска. Можно предположить, что направление результирующих токов в последнем будет таким, как указано пунктирной линией и стрелками m и n, а направление питающего тока возбуждения обозначено стрелками abcd. Рисунок показывает, что вихревой ток одного из двух направлений, а именно АВ'тВ, стремится размагнитить поле, в то время как другой ток, а именно АВ'пВ, производит противоположное действие. Следовательно, ток направления АВ'тВ, который создает приближающееся поле, будет расталкивать силовые линии, тогда как ток направления АВ'пВ, а именно создающий удаляющееся поле, будет притягивать силовые линии к себе.
Вследствие этого всегда будет проявляться тенденция к ослаблению тока в токопроводящем пути АВ'тВ, тогда как в пути тока АВ'пВ такого противодействия не будет, и эффект последнего из названных направлений, или токопроводящих путей, будет иметь перевес в большей или меньшей степени над первым. Общий эффект от токов в обоих предполагаемых направлениях может быть эквивалентен по результативности одиночному току того же направления, что и ток, создающий поле. Другими словами, вихревые токи, циркулирующие в диске, будут питать возбуждающий магнит. Этот результат совершенно противоположен тому, к которому мы могли бы прийти, поскольку, естественно, ожидали, что результирующее воздействие тока в обмотке якоря станет проявляться в противодействии току возбуждения, как это обычно происходит, когда проводники токов первичной и вторичной обмоток находятся в индуктивной связи. Но следует помнить, что в данном случае это происходит благодаря особому расположению двух путей, предоставленных току, и он выбирает тот, где при своем прохождении встречает наименьшее противодействие. Отсюда мы видим, что вихревые токи, проходящие в диске, частично подпитывают поле, и поэтому, когда ток возбуждения прерывается, токи в диске продолжают течь, и ослабление напряженности возбуждающего магнита будет происходить сравнительно медленно, и он сможет даже сохранять определенную степень напряженности, пока происходит вращение диска.
Конечно, результат в значительной степени будет зависеть от сопротивления и геометрических размеров пути результирующего вихревого тока и скорости вращения; эти факторы, в частности, обусловливают замедление этого тока и его положение относительно поля. Определенной скорости будет соответствовать максимальное возбуждающее действие; тогда при возрастании скорости оно будет постепенно падать до нуля и в конце концов реверсировать, то есть результирующий эффект вихревого тока должен будет ослаблять поле. Это взаимодействие лучше всего продемонстрировать экспериментально, разместив обмотки возбуждения NS и N1S1 так, чтобы они свободно двигались на оси и располагались концентрически по отношению к оси диска. Если бы последний вращался, как и раньше, в направлении стрелки D, поле увлекалось бы в одном направлении с крутящим моментом, который до определенной точки будет нарастать вместе со скоростью вращения, затем спадать и, пройдя через нулевую отметку, в конце концов станет отрицательным; то есть поле начнет вращаться в обратном направлении относительно диска. Этот интересный результат наблюдался в опытах с электродвигателями переменного тока, в которых поле смещалось токами другой фазы. При очень низких скоростях вращения поля двигатель покажет крутящий момент в 900 фунто-футов или выше, который проявится на шпинделе диаметром 12 дюймов. Когда скорость вращения полюсов возрастала, крутящий момент уменьшался, доходил, в конце концов, до нуля, становился отрицательным, и тогда якорь начинал вращаться в противоположном относительно поля направлении.
Вернемся к основному вопросу. Допустим, что условия будут таковы, что вихревые токи, вызванные вращением диска, усиливают поле, и предположим, что поле постепенно перемещается, пока диск вращается с нарастающей скоростью. Ток, однажды возникнув, может затем быть достаточным, чтобы сохраниться и даже увеличить силу, и тогда мы получим то, что известно как «аккумулятор тока» сэра Уильяма Томсона. Но вышеизложенные соображения приводят к очевидному выводу: для успешного проведения эксперимента необходимо использовать неразделенный диск, ибо при наличии радиального деления вихревые токи не могут сформироваться и процесс самовозбуждения прервется. Если бы был использован такой радиально разделенный диск, возникла бы необходимость соединить деления с помощью токопроводящей скобы или любым другим подходящим способом, чтобы образовать симметричную систему замкнутых контуров.