2. Эксперименты с переменными токами очень высокой частоты и их применение в искусственном беспроводном освещении[6]

2. Эксперименты с переменными токами очень высокой частоты и их применение в искусственном беспроводном освещении[6]

Нет предмета более захватывающего, более достойного изучения, чем природа. Понять этот великий механизм, обнаружить силы, которые в нем работают, и законы, ими управляющие, — вот величайшая цель человеческого разума.

Природа хранит неисчерпаемые запасы энергии. Вечный приемник и передатчик этой бесконечной энергии — эфир. Признание существования эфира и функций, которые он выполняет, — один из наиболее выдающихся результатов современной научной мысли. Один только отказ от идеи действия на расстоянии и признание существования среды, пронизывающей всю материю, освободил умы мыслителей от вечных сомнений и, открыв новый горизонт непредвиденных возможностей, вызвал особый интерес к явлению, с которым мы знакомы давно. Это стало большим шагом в направлении понимания сил природы и их многообразных воздействий на наши чувства. Для просвещенного ученого-физика это то же, что понимание механизма действия огнестрельного оружия или парового двигателя для варвара. Явления, на которые мы смотрели как на чудеса, не поддающиеся осмыслению, теперь предстают перед нами в ином свете. Искра, произведенная катушкой индуктивности, блеск лампы накаливания, механические проявления силы токов и магнитов уже доступны нашему пониманию; вместо чего-то непонятного, как прежде, наблюдение за этими явлениями рисует у нас в голове картинку простого механизма, и хотя точное их происхождение для нас всё еще загадка, мы знаем, что правда недолго будет от нас сокрыта, и инстинктивно чувствуем, что понимание близко. Мы всё еще восторгаемся этими прекрасными явлениями, этими странными силами, но мы уже не беспомощны; мы в определенной мере можем объяснить их и надеемся в конце концов сорвать покровы тайны, окружающей их.

Насколько далеко мы можем продвинуться в понимании окружающего мира — вопрос, который волнует каждого естествоиспытателя. Несовершенство наших органов чувств и сознания не позволяет нам проникнуть в скрытые основы мироздания, и астрономия, величайшая и наиболее позитивная из естественных наук, может объяснить лишь кое-что из того, что происходит в непосредственной близости от нас; об отдаленных частях бескрайней Вселенной с ее бесчисленными солнцами и звездами мы ничего не знаем. Но неутомимый дух познания ведет нас далеко за пределы нашего восприятия, и у нас есть надежда, что эти неизведанные миры — ничтожно малые и бесконечно огромные — могут в определенной степени открыться нам. И если мы достигнем этого знания, пытливый разум, возможно, подойдет к пределу, — который невозможно осознать, — истинного мироощущения, внешнее проявление которого составляет хрупкую основу нашей философии.

Из всех форм неизмеримой, все пронизывающей природной энергии, которая постоянно движется и изменяется, как душа, дающая жизнь инертной Вселенной, электричество и магнетизм, вероятно, наиболее удивительные. Явления притяжения, тепла и света мы наблюдаем каждый день и скоро к ним привыкаем, они теряют для нас загадочность и удивительность; но электричество и магнетизм, в своем единстве, кажущиеся двойственными, есть силы уникальные. Они заключают в себе явления притяжения, отталкивания и вращения, странные проявления необъясненных факторов, они возбуждают мысль и побуждают разум к исследованию. Что есть электричество и что есть магнетизм? Эти вопросы задают снова и снова. Наиболее мощные умы непрестанно бьются над разрешением этой проблемы; и всё-таки еще нет исчерпывающего ответа. Но даже если в настоящий момент мы не можем дать точного определения этим силам, мы значительно продвинулись в разрешении этой проблемы. С уверенностью можно утверждать, что явления электричества и магнетизма связаны с эфиром, и, возможно у нас есть основания говорить, что эффекты статического электричества — это эффекты эфира под напряжением, а явления динамического электричества и электромагнитные эффекты — это проявления эфира в движении. Но и это не является ответом на вопрос: что же есть электричество и магнетизм?

Сначала мы, естественно, задаемся вопросом, что есть электричество, и есть ли такое явление вообще? Когда мы интерпретируем электрические явления, мы можем говорить о состоянии наэлектризованности, электрическом состоянии или электрическом эффекте. Если мы говорим об электрических эффектах, мы должны разделять два таких эффекта, противоположных по своей природе и нейтрализующих друг друга, поскольку наблюдения показывают, что такие два эффекта существуют. Это неизбежно, так как в среде, обладающей качествами эфира, мы не можем создать напряжение, или произвести вытеснение, или движение иного рода, без того, чтобы не вызвать в окружающей среде равнозначного и противодействующего эффекта. Но если мы говорим об электричестве, как о некоей вещи, мы должны, я полагаю, оставить идею о двух электричествах, так как существование двух подобных вещей невероятно. Ибо как можем мы себе представить, что есть две вещи, равные количественно, сходные по качествам, но противоположные по характеру, обе относящиеся к материи, обе притягивающие и полностью нейтрализующие друг друга? Такое предположение, хотя оно и подсказано многими явлениями, и удобно для их объяснения, вряд ли может нас удовлетворить. Если есть такая вещь, как электричество, может быть только одно такое явление, избыток или недостаток только одного явления; но скорее всего, его состояние определяет положительный и отрицательный характер. Старая теория Франклина, хотя и в чем-то неудовлетворительна, с определенной точки зрения является наиболее состоятельной. Всё же теория о двух электричествах широко принята, поскольку наиболее убедительно объясняет явления электричества. Но теория, которая наилучшим образом объясняет факты, не обязательно истинна. Изощренный ум может изобрести теории, которые удовлетворят наблюдателя, и почти у каждого самостоятельного мыслителя есть собственный взгляд на любой предмет.

Не из желания отстоять свою точку зрения, но лишь затем, чтобы познакомить вас с некоторыми результатами, которые я далее и опишу, показать вам путь моих размышлений, то, к чему я пришел, — вот смысл моих дальнейших рассуждений.

Я придерживаюсь той мысли, что есть такое явление, которое мы привыкли называть электричеством. Вопрос состоит в том, что это за явление? или: что из всего того, о существовании чего нам известно, наиболее подходит под определение электричества? Мы знаем, что оно ведет себя как несжимаемая жидкость; что в природе оно должно быть в постоянном количестве; что его нельзя ни произвести, ни уничтожить; и, что наиболее важно, электромагнитная теория света и все наблюдаемые факты учат нас, что явления электричества и эфира идентичны. Тут же приходит мысль, что электричество можно назвать эфиром. Фактически этот взгляд, в определенной мере, высказывался д-ром Лоджем. Его интересный труд читали все и многих его аргументы убедили. Блестящий талант и интересная тема завораживают читателя, но когда это впечатление тает, понимаешь, что всё это лишь ловкие объяснения. Я вынужден признаться, что не верю в два электричества, и еще меньше — в двойственную структуру эфира. Странное поведение эфира, как твердой субстанции для световых и тепловых волн, и как жидкости, когда тела проходят сквозь него, конечно, объясняется самым естественным и удовлетворительным способом, предположив, что он находится в движении, как предположил сэр Уильям Томсон; тем не менее нет ничего такого, что бы могло заставить нас с уверенностью заключить, что, в то время как жидкость не имеет возможности передавать поперечные колебания с частотой в несколько сотен или тысяч в секунду, она также не имеет возможности передавать такие колебания, когда они достигают частоты сотен миллионов в секунду. А также никто не может доказать, что существуют поперечные эфирные волны, возбуждаемые машиной переменного тока, выдающей небольшое число колебаний в секунду; в случае таких низкочастотных колебаний эфир, находящийся в состоянии покоя, может вести себя как жидкость.

Возвращаясь к предмету нашего разговора и памятуя о том, что существование двух электричеств, по меньшей мере, вряд ли возможно, мы должны помнить, что у нас нет свидетельств существования электричества, и нет надежды их получить, если только нет материи. Электричество, следовательно, нельзя именовать эфиром, в широком смысле этого слова; но ничто не мешает назвать электричество эфиром, связанным с материей, или связанным эфиром; или, иными словами, так называемый статический заряд молекулы есть эфир, некоторым образом связанный с молекулой. Если смотреть на вещи под таким углом, то мы имеем право сказать, что электричество присутствует во всех действиях молекул.

Итак, что же именно есть эфир, окружающий молекулы, — тот, что отличается от эфира вообще, — можно только предполагать. Он не может отличаться по плотности, поскольку эфир несжимаем; следовательно, он должен находиться под давлением либо в движении, причем последнее наиболее вероятно. Для того чтобы понять его функции, мы должны иметь точное представление о физическом строении материи, о чем мы, конечно, можем иметь только представление, созданное нашим разумом.

Но из всех точек зрения на природу, та, которая предполагает одну материю и одну силу, а также абсолютное внутреннее однообразие, является наиболее научной и близкой к истине. Бесконечно малый мир, где молекулы и их атомы вращаются по орбитам, неся с собой и скорее всего вращая вместе с собой эфир, или, иными словами, неся с собой статические заряды, кажется наиболее вероятной картиной, которая, по крайней мере правдоподобно, объясняет все наблюдаемые явления. Вращение молекул и окружающего эфира создает напряжение эфира или электростатическое напряжение; компенсация эфирных напряжений создает его движение и электрические токи, а круговые вращения производят эффект электрического и постоянного магнетизма.

Около пятнадцати лет назад профессор Роуланд продемонстрировал интереснейший и наиважнейший факт, а именно то, что статический заряд при движении создает эффект электрического тока. Оставим соображения по поводу природы этого механизма, который притягивает и отталкивает токи, и представим себе движущиеся молекулы, несущие электростатический заряд, и тогда этот факт даст нам приличную картинку магнетизма. Мы можем представить линии или потоки сил, которые существуют в физическом плане, и которые состоят из рядов направленно движущихся молекул; можем увидеть, что эти линии должны быть замкнуты, что они имеют тенденции к сокращению и расширению, и т. д. Подобным же образом это объясняет, в разумных пределах, приводящее всех в замешательство явление постоянного магнетизма, и, в общем, имеет все прекрасные отличительные черты теории Ампера за исключением ее коренной ошибки, а именно, предположение о молекулярных токах. Не вдаваясь более в эту тему, скажу, что я смотрю на явления статического электричества, тока и магнетизма как на атрибуты электростатических молекулярных сил.

Приведенные выше замечания кажутся мне необходимыми для полного понимания предмета таким, каким он представляется мне.

Из всех явлений наиболее важными мне кажутся явления, связанные с электрическим током, по причине широкого и все расширяющегося их использования в промышленных целях. Уже минуло столетие с тех пор, как был изготовлен первый практический источник тока, и всё это время явления, сопровождающие токи, скрупулезно изучались; благодаря непрестанным усилиям ученых были открыты простейшие законы, управляющие этими процессами. Но эти законы действуют, когда токи имеют постоянный характер. Когда же токи быстро меняют силу, обнаруживаются другие явления, абсолютно другие, и вступают в действие иные законы, те, что до настоящего времени не были надлежащим образом изучены, хотя благодаря трудам, в основном английских ученых, были накоплены достаточные знания по этому предмету, чтобы объяснять простые случаи, происходящие ежедневно.

Явления, характерные для изменчивого характера токов, усиливаются по мере увеличения скорости изменений, поэтому их изучение облегчается, когда мы имеем правильно сконструированную аппаратуру. Успехом своих опытов я обязан тому, что построил машины переменного тока, способные давать более двух миллионов изменений направления тока в минуту, именно это обстоятельство позволило мне представить вашему вниманию некоторые результаты, кои, я надеюсь, послужат шагом вперед в решении одной из важнейших проблем, а именно — производства практичного и эффективного источника света.

Изучать ток, быстро меняющий направление, очень интересно. Почти каждый опыт приводит к новому открытию. Многие результаты, конечно, можно предсказать, но очень многие непредсказуемы. Экспериментатор делает много интересных наблюдений. Например, берем кусок железа и держим напротив электромагнита. При увеличении частоты мы чувствуем, как импульсы следуют один за другим быстрее и быстрее, затем становятся слабее и слабее, и, в конце концов, исчезают. Затем мы наблюдаем постоянное притяжение: так нам только кажется; наше осязание не совершенно. Притяжение, конечно, не постоянно.

Затем мы можем создать дугу между электродами и наблюдать — по мере того как увеличивается частота изменений направления, звук, сопровождающий дугу, становится тоньше и тоньше, постепенно слабеет и, наконец, прекращается. Колебания воздуха, конечно, продолжаются, но они слишком слабы, чтобы мы их услышали, слух подводит нас.

Мы наблюдаем небольшие физические явления: быстрое нагревание железных сердечников и проводников, любопытные эффекты индукции, интересные явления конденсации и еще более интересные явления в катушке индуктивности высокого напряжения. Все эти опыты и наблюдения представляют большой интерес для студента-физика, но их описание уведет меня далеко от основной темы. Частично вследствие этого, а частично из-за их огромной важности я ограничусь описанием световых эффектов, производимых этими токами.

В данных экспериментах для преобразования токов низкого напряжения в токи высокого использовались катушки индуктивности, рассчитанные на высокое напряжение, или подобные им устройства.

Если к результатам, которые я получил, у вас возникнет интерес столь сильный, что вы начнете сами ставить опыты; если вы будете убеждены в истинности приведенных мною аргументов, вашей задачей станет создание высоких частот и высоких потенциалов, иными словами, мощных электростатических эффектов. Тогда вы столкнетесь со многими трудностями, преодолев которые, вы сможете достичь действительно удивительных результатов.

Сначала возникнет проблема с тем, как получить требуемую частоту при помощи механического устройства, а если она будет получена другим путем, возникнут другие препятствия. Затем выяснится, что трудно обеспечить надлежащую изоляцию, не увеличивая значительно размеры аппаратуры, ибо мы имеем дело с высокими потенциалами: скорость изменения направления приводит к определенной проблеме с изоляцией. Так, например, если присутствует газ, может произойти разряд из-за его молекулярной бомбардировки и последующего нагрева, несмотря на то что вы можете использовать изоляционный материал, такой, как стекло, твердую резину, фарфор, сургуч, и т. д. толщиной в целый дюйм; фактически вас не спасет ни один из ныне известных изоляторов. Таким образом, главное требование при организации изоляции — удалить какой бы то ни было газ полностью.

В целом, мой опыт показывает, что тела, обладающие наиболее высокой удельной диэлектрической проницаемостью, например стекло, являются слабым изолятором по отношению к другим материалам, которые, будучи хорошими изоляторами, имеют гораздо меньшую удельную диэлектрическую проницаемость, например, масла, и, без сомнения, диэлектрические потери у первых гораздо выше. Трудности изолирования, конечно, возникают тогда, когда потенциалы чересчур высоки, ибо потенциалы, скажем, в несколько тысяч вольт, не создают — проблемы, когда надо передать ток от машины, выдающей, например, 20 000 колебаний в секунду, на приличное расстояние. Это число колебаний, однако, слишком мало для того, чтобы быть использованным во многих целях, хотя и достаточно для практического применения. К счастью, проблема изоляции не является жизненно важной; она оказывает влияние только на размеры аппаратуры, ибо, когда мы используем чересчур высокие потенциалы, приборы — источники света — будут располагаться недалеко от нее, а часто и в непосредственной близости. Поскольку потери зависят от емкости конденсатора, их можно свести к минимуму за счет использования очень тонкого провода в толстой оплетке.

Следующей трудностью может оказаться емкость и самоиндукция, обязательно присутствующие в катушке. Если обмотка велика, т. е. велика длина провода, она в целом непригодна для сверхвысоких частот; если она мала, то ее легко приспособить для таких частот, но тогда потенциал не будет достаточно высоким. Хороший изолятор, имеющий низкую удельную диэлектрическую проницаемость, дает двоякое преимущество. Во-первых, он дает нам возможность сконструировать очень маленькую катушку, способную выдерживать огромную разницу потенциалов, а во-вторых, маленькая катушка, по причине ее малой емкости и самоиндукции, способна производить более быстрые и интенсивные колебания. Таким образом, я придаю далеко не малое значение проблеме создания катушки или прибора индуктивности, обладающего требуемыми качествами, и она занимала меня довольно длительное время.

Исследователь, решивший повторить опыты, которые я собираюсь описать, с машиной переменного тока, способной выдавать ток необходимой частоты, и катушкой индуктивности, поступит правильно, если вынесет первичную обмотку вне, а вторичную расположит так, чтобы она находилась на трубке, через которую он может смотреть. Тогда появится возможность наблюдать стриммеры, направляющиеся от первичной обмотки к изоляционной трубке, и по их интенсивности можно определить, какое напряжение подать на обмотку. Без такой меры предосторожности он неминуемо повредит изоляцию. Эта конструкция, однако, в целях эксперимента позволяет легко заменить первичную обмотку.

Какой тип машины выбрать для определенной цели — оставим судить экспериментатору. Здесь представлены три различных типа машин, которые, помимо других, я использовал в своих опытах.

На рисунке 1 показана машина, которую я использовал в опытах в этом институте. Возбуждающий магнит представляет собой кольцо, изготовленное из ковкого чугуна, с 384 зубцами. Якорь состоит из стального диска, к которому крепится тонкий, тщательно приваренный обод также из ковкого чугуна. Вокруг обода намотан в несколько слоев хорошо обожженный железный провод, который при обматывании пропускали через шеллак. Провода якоря намотаны на медные шпильки, покрытые обмоткой из шелковой нити. Диаметр провода якоря в этом типе машины не должен превышать /_в толщины зубца из-за наличия локального эффекта.

На рисунке 2 показана машина другого типа размером побольше. Возбуждающий магнит здесь состоит из двух одинаковых частей, имеющих независимую возбуждающую обмотку. Каждая часть имеет 480 полюсных выступов, расположенных друг против друга. Якорь выполнен в форме колеса из твердой бронзы, подвижные проводники, двигающиеся вдоль выступов возбуждающего магнита. Для намотки провода на якорь я решил поступить следующим образом. Изготовил кольцо из твердой бронзы требуемого размера. Это кольцо и обод колеса имеют нужное количество шпилек и закреплены на пластине. Проводники якоря намотаны и шпильки обрезаны, а концы проводников скреплены двумя кольцами, которые прикручены болтами к бронзовому кольцу и ободу колеса, соответственно. Вся эта конструкция жесткая, образует единое целое и может сниматься. Проводники в подобных машинах должны изготавливаться из листовой меди, толщина которой, конечно, зависит от толщины выступов; либо надо использовать скрученные тонкие провода.

На рисунке 3 показана машина поменьше, во многом похожая на описанную, только здесь проводники якоря и возбуждающая обмотка неподвижны, в то время как вращается только кусок ковкого чугуна.

Нет необходимости удлинять это описание и останавливаться подробно на конструкции этих машин, поскольку они были подробно описаны в номере журнала «The Electrical Engineer* от 18 марта 1891 года. Я считаю полезным, однако, обратить внимание исследователя на два момента, а именно: локальный эффект, который необходимо избежать, и на зазор, он должен быть небольшим. Могу добавить: поскольку цель — добиться высоких линейных скоростей, якорь должен быть очень большого диаметра, с тем чтобы избежать ненужной скорости привода. Из нескольких типов машин, которые я построил, как выяснилось, проще всего сконструировать машину, показанную на рисунке 1. Она проста в обслуживании и хороша для проведения опытов.

Во время работы катушки индуктивности, при очень высокой частоте переменного тока, прежде всего наблюдаются световые явления, в частности те, что вызываются высоковольтным разрядом. По мере того как возрастает число изменений в секунду, или — частота очень высокая — меняется сила тока, проходящего через первичную обмотку, разряд постепенно меняется. Трудно описать небольшие изменения и условия, вызывающие их, но можно четко различить пять форм разряда.

Во-первых, наблюдается слабый, очень чувствительный разряд в форме тонкой, слабой нити (рисунок 4а). Так происходит всегда, когда при высокой частоте, сила тока на первичной обмотке невелика. Несмотря на крайне малую силу тока, скорость изменений очень велика и, следовательно, разность потенциалов на полюсах вторичной обмотки значительна, так что дуга возникает на большом расстоянии; но количество «электричества», приводимого в движение, незначительно, едва достаточно, чтобы создать тонкую, нитевидную дугу. Она очень чувствительна, настолько, что даже близкое дыхание оказывает воздействие на нее, и, если ее не защитить надежно от потоков воздуха, она постоянно дрожит и извивается. Тем не менее в такой форме она постоянна, и когда полюсы сближаются, скажем, на одну треть длины разряда, ее довольно трудно погасить. Эта исключительная устойчивость при небольшой длине объясняется в основном тем, что дуга крайне тонка, поэтому, поверхность, подверженная потоку воздуха, очень мала. А большая чувствительность дуги, при большой длине, главным образом объясняется движением частиц пыли в воздухе.

По мере возрастания силы тока разряд утолщается и становится сильнее, и эффект емкости катушки становится видимым, пока, наконец, при надлежащих условиях, не возникнет белая дуга с открытым пламенем (рисунок 46) часто толщиной в палец, проходящая через всю катушку. Она довольно горячая, характеризуется отсутствием высокого звукового сигнала, который сопровождает менее мощные разряды. Я бы не советовал вам испытать удар тока от катушки при таких условиях. Хотя в другой ситуации, когда потенциал значительно больше, удар тока может и не повредить. Для того чтобы возник такой разряд, количество колебаний в секунду не должно быть очень большим для определенного типа катушки; и, говоря в общем, надо соблюдать определенные условия соотношения емкости, самоиндукции и частоты.

Важность этих элементов в цепях переменного тока теперь хорошо известна, и при нормальных условиях здесь действуют общие правила. Во-первых, самоиндукция не имеет большого значения до того момента, как возникнет дуга, пока она устанавливается, возможно, она не так устойчива, как в обычных цепях переменного тока, поскольку емкость распределена вдоль обмотки, и поскольку разряд обычно происходит при большом сопротивлении, сила тока необычайно мала. Во-вторых, емкость возрастает по мере роста потенциала, а происходит это по причине абсорбции, довольно значительной, поэтому между этими величинами нет критических отношений, и обычные правила кажутся неприменимыми. По мере того как возрастает потенциал, или вследствие роста частоты, или вследствие роста силы тока на первичной обмотке, количество накопленной энергии всё возрастает и емкость приобретает всё большее значение. До определенного предела емкость играет положительную роль, но затем становится недостатком. Из сказанного следует, что каждая катушка дает наилучший результат при определенной частоте и силе тока на первичной обмотке. Очень большая катушка, когда работает при сверхвысокочастотных токах, может дать искру не толще /₈ дюйма. Увеличивая емкость на клеммах, можно исправить положение к лучшему, но вообще-то надо понизить частоту.

Когда происходит разряд с пламенем, условия, очевидно, таковы, что через цепь проходит максимальный ток. Эти условия можно создать, меняя частоту в широком диапазоне, но самая высокая частота, когда еще возможно горение дуги, определяет для данной силы тока на первичной обмотке наибольшее расстояние между контактами, когда дуга может возникнуть. При разряде с пламенем, шумовой эффект емкости невозможно воспринять; скорость накопления энергии теперь равна скорости разряда через цепь. Этот тип разряда представляет собой самый сложный тест для катушки; выход из строя, если он случается, подобен разряду в перегруженной лейденской банке. Чтобы дать вам грубое представление, я скажу: если взять обычную катушку, скажем, сопротивлением в 10 000 Ом, то самая мощная дуга возникнет при частоте 12 000 в секунду.

Когда частота возрастает и переходит этот рубеж, конечно, растет и потенциал, но длина дуги тем не менее может уменьшиться, как ни парадоксально это звучит. По мере возрастания потенциала, катушка всё более принимает свойства статической машины, пока, наконец, не появляется возможность наблюдать красивейшее явление текучего разряда (рисунок 5), который может быть равным катушке по длине. В этой стадии на всех концах появляются свободно текущие потоки. Эти потоки можно также наблюдать в большом количестве в промежутке между первичной обмоткой и изоляционной трубкой. Когда потенциал чересчур высок, они появляются всегда: даже если частота низкая и первичная обмотка изолирована целым дюймом сургуча, твердой резины, стекла или другого изолятора. Это значительно ограничивает мощность катушки, но позже продемонстрирую, как мне удалось в значительной степени преодолеть этот недостаток в обычной катушке.

Итак, потоки зависят от потенциала и частоты; но если катушка достаточно большая, они видны независимо от того, насколько низкие частоты используются. Например, в очень большой катушке сопротивлением 67 000 Ом, которую я построил недавно, они появляются при частоте уже 100 колебаний в секунду и менее, причем вторичная обмотка изолирована слоем эбонита толщиной в ³/₄ дюйма. Под большим напряжением они издают звук наподобие аппарата Хольца, но значительно более громкий и от них исходит запах озона. Чем меньше частота, тем более велика вероятность пробоя обмотки. При крайне высоких частотах они свободно текут и ничего не происходит, кроме того что изоляция нагревается медленно и равномерно.

Существование этих потоков указывает на необходимость постройки дорогой катушки, которая могла бы позволить смотреть сквозь трубу, окружающую первичную обмотку; последняя должна быть легко заменяема либо пространство между первичной и вторичной обмотками должно быть так заполнено, чтобы исключить попадание туда воздуха. Если не соблюдать этого простого правила при производстве коммерческих изделий, можно испортить много дорогих катушек.

Когда происходит текущий разряд, или при несколько более высоких частотах, сведя контакты поближе и правильно регулируя эффект емкости, можно получить настоящий дождь маленьких серебряных искр или пучок очень тонких серебряных нитей (рисунок 6) посреди мощного потока — каждая искра скорее всего соответствует одному колебанию. Это, если созданы необходимые условия, возможно, самый красивый разряд, и когда на него направляется поток воздуха, он представляется однородным. Дождь искр, когда они проходят сквозь тело, вызывает некоторое неудобство, в то время как обычный разряд скорее всего никак не почувствуешь, если держать в руке большие куски какого-нибудь проводника, чтобы защитить их от небольших ожогов.

Если еще повысить частоту, катушка не дает искры только на очень малых расстояниях, и можно наблюдать пятый типичный вид разряда (рисунок 7). В этом случае тенденция к истечению и рассеиванию настолько сильная, что, когда создается пучок на одном контакте, нет никаких искр, даже если, как я неоднократно пытался сделать, в поток поместить руку или другой проводник; и, что еще более удивительно, поток не так уж легко отклонить, поднеся к нему проводник.

На этом этапе видно, как потоки легко проходят через толстые слои изоляции, и очень интересно изучать их поведение. Для этих целей нужно присоединить контакты к металлическим шарам, которые можно поместить на любом расстоянии (рисунок 8). Шары предпочтительнее пластин, так как позволяют лучше увидеть разряд. Помещая различные диэлектрики между сферами, можем наблюдать красивые разряды. Если шары расположены достаточно близко и мы имеем между ними пляшущую искру, то, помещая между ними тонкую эбонитовую пластину, искра моментально гасится и разряд приобретает форму очень яркого круга диаметром в несколько дюймов при условии, что шары достаточно большие. Прохождение потоков приводит к нагреванию, а затем размягчению резины настолько, что можно склеить между собой две резиновые пластины. Если шары разведены так, что искры нет — даже если они далеко за пределами дистанции разряда, — поместив между ними кусок стекла, мы заставим разряд проходить от контактов к стеклу в форме светящихся потоков. Выглядит это так, будто эти потоки проходят сквозь диэлектрик. В действительности же потоки образуются крайне возбужденными молекулами воздуха, которые находятся между разнозаряженными поверхностями шаров. Когда нет другого диэлектрика, кроме воздуха, бомбардировка продолжается, но она слишком слаба, чтобы быть видимой. Когда мы помещаем туда диэлектрик, эффект индукции сильно увеличивается, кроме того, отраженные молекулы воздуха наталкиваются на препятствие и бомбардировка становится такой сильной, что потоки светятся. Если бы при помощи какого-либо механического устройства мы могли вызывать такое сильное возбуждение молекул, то смогли бы получить подобное явление. Струя воздуха, вырывающаяся через маленькое отверстие под огромным давлением и ударяющаяся о некий изолятор, например, стекло, может светиться в темноте, таким образом можно добиться свечения стекла или другого изолятора.

Чем выше диэлектрическая проницаемость помещенного между контактами диэлектрика, тем более мощный эффект мы имеем. Благодаря этому проявляются потоки, обладающие очень высокими потенциалами, даже если толщина стекла будет достигать полутора или двух дюймов. Но кроме нагрева от бомбардировки, несомненно, происходит нагрев и в диэлектрике, причем в стекле он сильнее, чем в эбоните. Я это отношу на счет большей диэлектрической проницаемости стекла, вследствие чего, при одинаковой разности потенциалов, оно поглощает большее количество энергии, чем резина. Это равнозначно тому, как если бы присоединить к батарее медный и латунный провода одинаковых размеров. Медный провод, хотя он и лучший проводник, нагреется сильнее, поскольку пропустит больше тока. Потому то, что в ином случае является достоинством стекла, в данном — недостаткам. Стекло обычно поддается быстрее, чем эбонит: если его нагреть до определенной температуры, разряд вдруг проходит насквозь в каком-либо месте и принимает форму дуги.

Эффект нагревания, производимый молекулярной бомбардировкой диэлектрика, конечно, уменьшается по мере возрастания давления воздуха, а при очень высоком давлении им можно пренебречь, если только соответственно не растет частота.

Во время таких опытов можно часто наблюдать, что когда шары разведены за пределы дистанции разряда, приближение стеклянной пластины может, например, вызвать одиночную искру. Это происходит, когда емкость шаров несколько ниже критической отметки, что дает наибольшую разность потенциалов на контактах катушки. При приближении диэлектрика возрастает диэлектрическая проницаемость пространства между шарами и происходит такое же явление, как если бы увеличилась емкость шаров. Потенциал на контактах настолько высок, что воздушный промежуток разрушается. Лучше всего проводить этот опыт с плотным стеклом или слюдой.

Есть еще одно интересное наблюдение: пластина изолирующего материала, когда через нее проходит разряд, испытывает сильное притяжение одного из шаров, того, что ближе; это, очевидно, происходит потому, что с этой стороны имеет место небольшой механический эффект от бомбардировки, а также большая электризация.

Исходя из поведения диэлектриков во время этих опытов, мы можем сделать вывод о том, что лучшим изолятором для таких высокочастотных переменных токов будет тот, который имеет наименьшую диэлектрическую проницаемость, и в то же время тот, что выдерживает наибольшую разность потенциалов. Итак, вырисовываются два диаметрально противоположных пути обеспечения наилучшей изоляции, а именно: использовать либо вакуум, либо газ под большим давлением; первый способ более предпочтителен. К сожалению, ни один из этих путей практически не выглядит легким.

Особенный интерес вызывает поведение вакуума в таких условиях. Если к опытной трубке, из которой максимально откачан воздух, снабженной на концах электродами, подключить контакты катушки (рисунок 9), то электроды моментально нагреваются, а стекло по краям приобретает свечение, но середина остается сравнительно темной и какое-то время прохладной.

Когда частота настолько высока, что наблюдается разряд, показанный на рисунке 7, без сомнения в обмотке имеет место сильное рассеивание. Тем не менее катушку можно использовать довольно долго, так как нагрев постепенный.

Несмотря на тот факт, что разность потенциалов может быть огромной, почти ничего не ощущаешь, когда разряд проходит сквозь тело, если в руках есть проводник. Частично это объясняется высокой частотой, но в основном причина в том, что энергии поступает извне меньше, когда разность потенциалов достигает огромного значения благодаря тому обстоятельству, что с ростом потенциала количество энергии, поглощаемой катушкой, возрастает в квадрате. До определенного момента количество энергии растет вместе с ростом потенциала, а потом начинает резко уменьшаться. Так, в случае с обычной катушкой индуктивности высокого напряжения имеем любопытный парадокс, а именно: если определенной силы ток, пропущенный через первичную обмотку, может быть смертельным, то тот же ток, даже в разы более сильный, совсем безопасен даже при той же частоте. При высоких частотах и крайне высоком напряжении, когда контакты присоединены к телам определенного размера, практически вся энергия, подаваемая на первичную обмотку, поглощается катушкой. Не происходит пробоя, нет местных порывов, но все материалы, проводники и изоляторы равномерно нагреваются.

Дабы избежать недопонимания в вопросах физиологического воздействия переменного тока высокой частоты, я полагаю необходимым сказать, что, в то время как такой ток несравненно менее опасен, чем ток низкой частоты, следует помнить, что он всё же вреден. Всё, о чем сейчас говорилось, касается только токов в обычных катушках индуктивности высокого напряжения, каковые токи обязательно малы; если такие токи получать непосредственно от генератора или вторичной обмотки низкого сопротивления, то они производят более или менее сильное воздействие и могут вызвать серьезную травму, в особенности при соединении с конденсатором.

Текущий разряд на катушке индуктивности высокого напряжения во многом отличается от такого же разряда мощной статической машины. Что касается расцветки, то он ни фиолетовый положительный, ни яркий отрицательный статический разряд, а что-то среднее, причем он, естественно, попеременно положительный и отрицательный. Но поскольку поток более мощный, когда острие, или контакт, имеет положительный заряд, то конец пучка более подобен положительному полюсу, а основание — отрицательному при статическом разряде. В темноте, если пучок очень мощный, основание может выглядеть почти белым. Движение воздуха, производимое отходящими потоками, хотя и довольно сильное и его можно почувствовать на расстоянии, тем не менее, учитывая количественные показатели разряда, менее сильное, чем движение воздуха от статической машины, и гораздо слабее воздействует на пламя. Исходя из природы этого явления, мы можем сделать вывод о том, что чем выше частота, тем слабее, конечно, движение воздуха, создаваемое потоками, а при достаточно высоких частотах, при нормальном атмосферном давлении, этого движения совсем нет. При тех частотах, которые можно получить при помощи машины, механический эффект достаточен для вращения большого колеса со значительной скоростью, и эта картина очень красива в темноте из-за множества исходящих потоков (рисунок 10).

В общем, большинство опытов, проводимых со статической машиной, можно проводить с катушкой индуктивности при использовании высокочастотных переменных токов. При этом вызываемые к жизни явления еще более потрясающи при увеличении мощности. Если небольшой кусок обычного провода в хлопчатобумажной оплетке присоединить к одному из контактов катушки (рисунок 11), потоки, исходящие по всей длине провода, будут настолько сильными, что послужат значительным источником света. Когда потенциалы и частота очень высоки, провод, изолированный гуттаперчей или резиной и присоединенный к одному из контактов, кажется покрытым светящейся пленкой. Очень тонкий неизолированный провод, присоединенный к контакту, излучает сильные потоки и постоянно вибрирует или совершает круговые движения, производя потрясающий эффект (рисунок 12). Некоторые из этих опытов я описал в журнале «The Electrical World» от 21 февраля 1891 года.

Еще одна особенность высокочастотного разряда катушки индуктивности — ее абсолютно иное поведение при использовании острых контактов и округлых поверхностей.

Если толстый провод, у которого на одном конце шарик, а на другом — острый конец, присоединить к положительному полюсу статической машины, практически весь заряд уйдет с острого конца по причине очень высокого напряжения, которое зависит от радиуса изгиба. Но если такой провод присоединить к одному из контактов катушки, мы заметим, что при высокой частоте потоки испускаются из шара идентично потокам из острого конца (рисунок 13).

Трудно себе представить, что мы могли бы создать почти такие же условия и в статической машине, по той простой причине, что напряжение возрастает пропорционально квадрату плотности, которая, в свою очередь, пропорциональна радиусу изгиба; следовательно, при постоянном потенциале потребуется огромный заряд для того, чтобы потоки испускались шлифованным шаром в то время, как он соединен с острым концом. Но ситуация меняется на катушке индуктивности, чей разряд меняет направление с огромной скоростью. Здесь мы сталкиваемся с двумя ярко выраженными тенденциями. Во-первых, есть тенденция к испусканию, которая существует в состоянии покоя и которая зависит от радиуса изгиба; во-вторых, есть тенденция рассеивания в окружающем воздухе, которая зависит от поверхности. Когда одна из этих тенденций максимальна, вторая — минимальна. На остром конце образование светящегося потока в целом объясняется тем, что молекулы воздуха физически контактируют с проводником; они притягиваются и отталкиваются, приобретают и теряют заряд и таким образом возбуждаются их атомные заряды, они вибрируют и испускают световые волны. В случае с шаром, напротив, без сомнения, этот эффект достигается индуктивно, причем необязательно, что молекулы воздуха соприкасаются с шаром, хотя, конечно, это происходит. Чтобы убедиться в этом, нам надо усилить эффект конденсатора, окружив шар на определенном расстоянии лучшим проводником, чем окружающая среда, конечно, заизолировав этот проводник, либо, обернув его лучшим диэлектриком, поднести к изолированному проводнику; в обоих случаях потоки будут испускаться идентично. И еще — чем больше шар при заданной частоте, или чем выше частота, тем большее преимущество будет иметь шар перед острым концом. Но поскольку для этого опыта требуется определенное напряжение, для того чтобы видеть исходящие потоки, очевидно, что в описанном опыте шар не должен быть слишком большим.

Вследствие этой двоякой тенденции при помощи острых контактов возможно производить явления, идентичные тем, что производятся при помощи емкости. Так, например, присоединив к одному из контактов катушки короткий витой провод, имеющий много концов и дающий много исходящих потоков, можно увеличить потенциал катушки так же, как если бы присоединили в контакту катушки шлифованный шар, поверхность которого во много раз больше.

Интересный опыт, демонстрирующий эффект острых концов, можно провести следующим образом. Присоедините к одному из выводов катушки провод длиной около двух футов, изолированный хлопчатобумажным материалом, и задайте такие параметры работы, чтобы началось испускание потоков из провода. При проведении этого опыта первичную катушку надо располагать так, чтобы она только наполовину пересекалась со вторичной. Теперь прикоснитесь к свободному выводу вторичной обмотки проводником, зажатым в руке, или присоедините к нему иной изолированный предмет какого-либо размера. Таким образом потенциал на проводе можно резко увеличить. Следствием этого будет увеличение или уменьшение потоков. Если они увеличатся, то провод слишком короткий; если уменьшатся — слишком длинный. Регулируя длину провода можно найти такой момент, когда прикосновение к другому выводу катушки не оказывает влияния на потоки. В этом случае усиление потенциала компенсируется падением потенциала в обмотке. Было отмечено, что короткие провода значительно влияют на количество и яркость потоков. Первичная обмотка отстраняется по двум причинам: во-первых, чтобы увеличить потенциал на проводе; во-вторых, чтобы увеличить падение потенциала на катушке. Так повышается чувствительность.

Есть и еще одна более удивительная особенность пучкового разряда, производимого высокочастотными токами. Для ее наблюдения лучше выполнить обычные выводы катушки в виде металлических штырей, хорошо изолированных эбонитом. Не лишним также будет, если вы изолируете воском или сургучом все трещины и надломы так, чтобы пучки не могли формироваться нигде, кроме вершин штырей. Если соблюдены все условия — а это мы, конечно, оставим на усмотрение экспериментатора — и потенциал вырос до огромного значения, то мы можем получить мощные пучки длиной несколько дюймов почти белые у основания, которые в темноте выглядят как две струи горящего под давлением газа (рисунок 14). Но они не только напоминают пламя, это и есть пламя, поскольку пучки горячие. Конечно, не настолько горячие, как газ, но они могут быть такими, если частота и потенциал будут достаточно высоки. При частоте, скажем, двадцать тысяч колебаний в секунду, тепло ощущается, даже если потенциал не очень велик. Теплота выделяется, конечно, благодаря тому, что молекулы воздуха ударяются о выводы катушки и друг о друга. Так как при нормальном давлении средняя длина свободного движения крайне мала, то, возможно, несмотря на огромную начальную скорость, полученную каждой молекулой при столкновении с контактом, ее продвижение — вследствие столкновения с другими молекулами — затрудняется настолько, что она, не удаляясь от контакта, может ударяться о него много раз подряд. Чем больше частота, тем меньше у молекулы возможностей удалиться, тем более что для такого явления не нужен высокий потенциал; необходима частота — может быть, ее можно даже получить, — при которой одни и те же молекулы будут ударяться о контакт. При таких условиях молекулярный обмен замедляется, и тепло, выделяемое на контакте и возле него, будет сильным. Но если частота будет постоянно возрастать, то количество выделяемого тепла будет уменьшаться по очевидным причинам. В положительном пучке статической машины молекулярный обмен очень быстр, поток всегда движется в одном направлении, столкновений меньше, отсюда теплоотдача должна быть низкой. Всё, что тормозит молекулярный обмен, имеет тенденцию повышать теплоотдачу. Так, если к выводу катушки поднести лампочку, то воздух, содержащийся внутри нее, очень быстро и сильно нагревается. Если к выводу поднести стеклянную трубку так, чтобы поток воздуха поднимал пучок вверх, то из трубки будет вырываться обжигающе горячий воздух. Всё, что попадает в пучок, конечно, быстро нагревается, и появляется возможность использовать этот эффект нагревания для каких-либо целей.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.