3. Эксперименты с переменными токами высокого напряжения и высокой частоты[7]
3. Эксперименты с переменными токами высокого напряжения и высокой частоты[7]
Мне трудно подобрать слова, чтобы выразить, как я польщен тем, что мне представилась возможность выступить перед аудиторией, состоящей из передовых мыслителей современности, стольких выдающихся ученых, инженеров и электриков, живущих в стране, славной величайшими научными достижениями.
Результаты опытов, которые я имею честь представить перед таким собранием, я не могу назвать только своими. Есть среди вас многие, кто имеет право заявить больше прав, чем я, на все достижения, которые может содержать этот труд. Мне не нужно называть много имен, знакомых всему миру, имен тех среди вас, кто является лидером этой захватывающей науки, но одно имя я должен упомянуть — имя, которое нельзя не вспомнить во время такого события. Это имя связано с самым прекрасным открытием, когда-либо сделанным человеком: это имя Крукс!
Когда я еще посещал колледж, давным-давно, прочитал в переводе (ибо тогда я еще не был знаком с вашим великолепным языком) описание его опытов над лучистой материей. Я читал его всего один раз — тогда — тем не менее все подробности могу припомнить и сегодня. Мало есть таких книг, которые, так сказать, производят подобное впечатление на разум студента.
Но если сегодня я упоминаю это имя среди многих, коими может похвастаться ваше заведение, то лишь потому, что у меня есть много причин для того. Поскольку то, что я хочу рассказать и показать вам сегодня вечером, в огромной степени имеет отношение к тому самому малоизведанному миру, который профессор Крукс так умело исследовал; и более того, когда я мысленно уношусь в прошлое и протягиваю нить, которая привела меня к моим успехам, — которые даже я не смею назвать пустяковыми, так как они получили вашу высокую оценку, — я верю, после долгих размышлений, что источником, увлекшим меня в этом направлении и приведшим к вершинам, была та самая маленькая книжка, которую я прочел много лет назад. И вот теперь, когда я сделал робкую попытку выразить уважение и признательность ему и многим среди вас, я предприму вторую попытку, которая, как я надеюсь, не покажется вам такой робкой, дабы развлечь вас.
Позвольте мне рассказать вкратце о предмете лекции.
Не так давно я имел честь рассказать у нас в Американском институте электроинженеров о некоторых результатах, которых я достиг в новом направлении своих трудов. Не нужно убеждать вас в том, что те многие знаки внимания, которые английские ученые и инженеры продемонстрировали к моей работе, были для меня большой наградой и очень меня воодушевили. Не стану задерживаться на уже описанных опытах, сделаю только небольшое дополнение, с тем чтобы более ясно изложить идеи, которые я уже выдвигал, а также, чтобы предмет сегодняшнего обсуждения отразить наиболее полно и последовательно.
Это исследование касается переменных токов, а если быть абсолютно точным, переменных токов высокого напряжения и высокой частоты. Насколько очень высокая частота важна для получения представляемых результатов, мне трудно сказать. Некоторые опыты можно проводить с низкой частотой; но очень высокие частоты желательны, и не только из-за тех явлений, которые они вызывают, но также и потому, что они удобны при наличии современного оборудования для получения высокого напряжения, которое, в свою очередь, требуется для постановки большинства опытов, о которых пойдет разговор.
Из всех исследований в области электричества, возможно, наиболее интересны те, что касаются переменных токов. Прогресс, достигнутый в этой области прикладного знания, так велик в последние годы, что оправдывает самые оптимистические ожидания. Только нам станет известен один факт, как мы уже сталкиваемся с чем-то новым, и открываются новые пути исследований. Даже в настоящий момент возможности, о которых ранее не приходилось и мечтать, при помощи этих токов уже частично реализованы. Как в природе — всё основано на приливах и отливах, всё движется волнами, так, кажется, во всех отраслях промышленности переменные токи — волновые движения электричества — будут властвовать.
Одна из причин, отчего эта отрасль науки так быстро развивается, — это, пожалуй, тот интерес, который вызывают экспериментальные исследования. Мы обматываем проводом простой кусок железа; соединяем его с генератором, и с удивлением и восторгом наблюдаем действие сил, которые привели в движение, которые позволяют нам преобразовывать, передавать и направлять энергию так, как мы того пожелаем. Мы правильно соединяем схемы, и кусок железа с проводами начинают вести себя так, как будто в них вдохнули жизнь, вращают тяжелый якорь, через невидимые соединения, с большой скоростью и мощью, при помощи энергии, возможно, переданной на большом расстоянии. Мы наблюдаем, как энергия переменного тока, проходящая по проводу, обнаруживает себя, — не столько в проводе, сколько в окружающем пространстве, — самым удивительным образом принимая форму тепла, света, механической энергии и, что самое удивительное, химических соединений. Все эти наблюдения восхищают нас и наполняют жгучим желанием узнать больше об этих явлениях. Каждый день мы возвращаемся к нашей работе в надежде на открытие — в надежде, что один из нас, не важно кто, найдет решение одной из насущных проблем, и каждый новый день мы возвращаемся к нашему труду со всё большим рвением; и даже если нас не ждет успех, наш труд не пропал даром, ибо эти старания принесли нам часы невыразимого удовольствия, и мы направили свою энергию на благо человечества.
Мы можем — случайным образом, если хотите, — выбрать любой из опытов, который можно поставить с переменным током; только некоторые из них, и далеко не самые потрясающие, могут быть предметом сегодняшней демонстрации; они все одинаково интересны, одинаково будоражат мысль.
Вот простая стеклянная трубка, из которой частично откачан воздух. Я беру ее в руку, касаюсь провода, по которому течет переменный ток высокого потенциала; трубка в моей руке ярко освещается. Как бы я ее ни расположил в пространстве, куда я могу дотянуться, она будет светить с той же яркостью.
Вот вакуумная колба, подвешенная на одном проводе. Стоя на изолирующей подставке, я берусь за нее, и платиновый электрод, укрепленный внутри, ярко нагревается.
А вот еще одна колба, соединенная с вводом, которая, если я прикоснусь к ее металлическому патрону, начинает играть замечательными фосфоресцирующими красками.
Эта же при касании моих пальцев, отбрасывает тень — тень Крукса — от штока внутри.
Вот я опять стою на изолирующей подставке и мое тело касается одного из выводов вторичной обмотки катушки индуктивности, причем длина провода — несколько миль, и вы наблюдаете, как потоки света пробиваются с дальнего его конца, который неистово вибрирует.
Я еще раз соединяю эти две пластины проволочной сетки с выводами катушки, развожу их, и катушка начинает работать. Вы можете видеть, как между пластинами проскакивает небольшая искра. Я ввожу между ними толстую пластину из лучшего диэлектрика, и, вместо того чтобы сделать пробой невозможным, как мы ожидаем, я помогаю прохождению разряда, который, когда я ввожу диэлектрик, просто меняет форму и выглядит как светящиеся потоки.
Есть ли, спрашиваю я, может ли быть исследование более интересное, чем исследование переменного тока? Во всех этих исследованиях, во всех этих опытах многие годы — с тех самых пор, как величайший экспериментатор, из тех, что читали лекции в этом зале, обнаружил принцип ее действия, — с нами был постоянный спутник, устройство, знакомое всем, когда-то игрушка, а теперь нечто принципиально важное — индукционная катушка. Нет прибора более дорогого для электрика. Все, начиная с наиболее талантливых из вас, не побоюсь этого слова, заканчивая самым неопытным студентом, включая вашего лектора, все мы провели многие восхитительные часы, экспериментируя с индукционной катушкой. Мы смотрели на ее «игру» и думали, размышляли над прекрасными явлениями, которые она открывала нашему восхищенному взору.
Этот прибор настолько хорошо известен, эти явления настолько хорошо знакомы всем, что мужество изменяет мне, когда думаю о том, что осмелился обратиться к такой компетентной аудитории, что осмелился занять ваше внимание таким старым предметом. Вот перед нами то же устройство и те же явления, только устройство работает несколько по-иному, и явления предстают перед нами в несколько ином ракурсе. Некоторые результаты ожидаемы, другие удивляют нас, но все захватывают наше внимание, ибо в научных исследованиях каждый достигнутый результат может стать отправной точкой нового маршрута, каждый новый факт может вести к важным последствиям.
Обычно при работе с индукционной катушкой мы добивались умеренной частоты в первичной обмотке либо при помощи прерывателя, либо при помощи генератора переменного тока. Английские исследователи раннего периода, например Споттисвуд и Гордон, пользовались быстрым прерывателем, соединенным с обмоткой. Наши знания и опыт сегодня позволяют нам четко понять, почему катушка при таких условиях испытаний не демонстрировала никаких замечательных явлений, и почему компетентные ученые не смогли наблюдать любопытные явления, которые наблюдались с тех пор.
В сегодняшнем опыте катушка работает или непосредственно от специально созданного генератора, способного выдавать много тысяч колебаний в секунду, или пробоем разряжая конденсатор через первичную обмотку; мы создаем колебания во вторичной обмотке с частотой много сотен тысяч или миллионов в секунду, если пожелаем; и таким способом мы вступаем на путь, доселе неизведанный.
Невозможно проводить исследования в какой-либо новой области без того, чтобы не сделать в конце концов интересное наблюдение или не узнать какой-нибудь полезный факт. Результаты многих любопытных и неожиданных наблюдений служат тому убедительным доказательством. Возьмем для примера явление наиболее очевидное — разряд индукционной катушки.
Вот катушка, в которой работают токи крайне высокой частоты, получаемые от разрядов лейденской банки. Для студента не будет удивительным, если лектор скажет, что вторичная обмотка этой катушки состоит из сравнительно короткого и толстого провода; не удивит его и то, что, несмотря на это, катушка способна выдать любой потенциал, который сможет выдержать лучшая изоляция; но, хотя он и будет готов, и даже предполагаемый результат не вызовет в нем интереса, всё же сам разряд катушки удивит и заинтересует его.
Все знакомы с разрядом обычной катушки; не стоит его здесь воспроизводить. Но вот, для сравнения, форма разряда катушки, где ток в первичной обмотке колеблется с частотой несколько сот тысяч в секунду. Разряд обычной катушки выглядит как простая линия или полоса света, разряд этой катушки — как мощные пучки и светящиеся потоки, исходящие изо всех точек двух проводов, присоединенных к выводам вторичной обмотки (рисунок 1).
Теперь сравним явление, которое вы только что наблюдали, с разрядом машин Хольца или Уимсхерста — еще одного прибора, такого дорогого сердцу экспериментатора. Какая огромная разница! И всё же, если бы я сделал некоторые изменения, — и их сделать легко, если бы только они не мешали проведению других опытов, — я бы получил на этой катушке искры, которые, если бы катушка была скрыта от ваших глаз, а видны были бы только две рукоятки, даже самому дотошному наблюдателю среди вас было бы трудно, если вообще возможно, отличить от искр электрофорного или фрикционного генератора. Это можно сделать по-разному, — например, если катушка заряжает конденсатор от низкочастотного генератора переменного тока, причем желательно настроить разрядный контур так, чтобы в нем не возникало колебаний. Тогда мы получим во вторичной обмотке, если рукоятки достаточного размера и правильно установлены, более или менее быстрое искрение, очень мощное, но редкое, где искры также ярки и также трещат, как те, что производятся электрофор-ным или фрикционным генератором.
Есть еще один способ — через две первичные обмотки, соединенные с общей вторичной, пропускать два вида тока со слегка различными периодами, что приведет к появлению во вторичной обмотке искр, возникающих со сравнительно большим интервалом. Но даже и с тем оборудованием, что есть у меня сегодня, я могу успешно имитировать искры машины Хольца. Для этого между выводами катушки, заряжающей конденсатор, я устанавливаю длинную неустойчивую дугу, которая периодически рвется от восходящего потока воздуха, который сама же и производит.
Рис. 1
Для того чтобы усилить поток воздуха, с каждой стороны дуги, поближе к ней, я кладу две большие слюдяные пластины. Конденсатор, заряжающийся от этой катушки, разряжается в первичную обмотку другой катушки через некоторый воздушный промежуток, что необходимо для создания высокой скорости изменения тока через первичную обмотку. Схема соединения показана на рисунке 2.
G — это обычный генератор переменного тока, соединенный с первичной обмоткой Р катушки, где вторичная обмотка S заряжает конденсаторы или банки СС. Выводы вторичной обмотки соединены с внутренним слоем покрытия банок, а внешний слой покрытия соединен с концами первичной обмотки рр второй катушки. Эта первичная обмотка рр имеет небольшой зазор ab.
Вторичная обмотка 5 снабжена набалдашниками или шариками КК нужного размера, расположенными на расстоянии, необходимом для проведения опыта.
Длинная дуга возникает между выводами АВ первой катушки. Дуги ММ из слюдяных пластин.
Каждый раз, когда между А и В рвется дуга, банки быстро заряжаются и разряжаются через первичную обмотку рр, и происходит мгновенная искра между шариками КК. Когда устанавливается дуга АВ, потенциал падает, и банки не могут зарядиться до потенциала настолько большого, чтобы разрядиться через зазор аЬ до тех пор, пока дуга не станет рваться от потока воздуха.
Таким образом, внезапные импульсы, происходящие с большим интервалом в первичной обмотке рр, приводят во вторичной обмотке s к соответствующему количеству импульсов большой интенсивности. Если шарики КК нужного размера, то искры больше напоминают искры машины Хольца.
Но эти два явления, которые выглядят такими разными, — есть только два проявления разряда. Всё, что нам нужно, это изменить исходные данные опыта, и мы снова получим интересные наблюдения.
Если вместо того, чтобы подключать катушку, как в двух последних опытах, мы подключим ее к высокочастотному генератору переменного тока, как в следующем опыте, то систематическое исследование явлений значительно упростится. В этом случае, изменяя силу и частоту тока в первичной обмотке, мы можем наблюдать пять отчетливых форм разряда, которые я описал в своей лекции, прочитанной перед аудиторией Американского института электроинженеров 20 мая 1891 г.[8]
Нам потребуется много времени, и мы сильно отклонимся от предмета нашей сегодняшней беседы, если будем воспроизводить все эти формы разрядов, но мне кажется желательным показать вам одну из них. Это кистевой разряд и он интересен по многим причинам. Если рассматривать его вблизи, он напоминает струю газа, вырывающуюся под большим давлением. Мы знаем, что это явление объясняется возбужденным состоянием молекул возле вывода, и ожидаем, что при ударе молекул о вывод и друг о друга вырабатывается некоторое количество тепла. И действительно, мы обнаруживаем, что кисть горячая, а немного поразмыслив, можно прийти к выводу: если бы мы могли достичь высокой частоты, то получили бы кисть, которая дает достаточно тепла и света, и которая во всех деталях подобна пламени, за исключением того, возможно, что оба явления не имеют общей первопричины, что химическое сродство может и не иметь электрической природы.
Так как тепло и свет в данном случае вырабатываются за счет ударов молекул воздуха или чего-то подобного, и так как мы можем увеличить количество энергии, просто увеличив потенциал, мы можем даже при той частоте, что мы имеем от динамо-машины, усилить это действие настолько, что температура поднимется до точки плавления вывода. Но при такой низкой частоте нам всегда придется иметь дело с чем-то, что имеет природу электрического тока. Если я поднесу к кисти проводник, проходит небольшая тонкая искра, и всё же при той частоте, что мы используем сегодня, тенденция к образованию искры невелика. Если я поднесу металлический шар на некоторое расстояние и буду держать его над выводом, вы увидите, что всё пространство между выводом и шаром освещено потоками без искр; а при более высоких частотах, получаемых от разряда конденсатора, если бы не внезапные импульсы, число которых невелико, искрения не происходит даже на небольшом расстоянии. Однако при несравнимо более высоких частотах, которые мы всё же можем получать, и если электрические импульсы такой частоты можно передать через проводник, электрические характеристики кистевого разряда совсем исчезают — никаких искр, никакого удара, — и всё-таки мы имеем дело с электрическим явлением, но в более широком, современном смысле этого слова. В моей предыдущей работе, которую я не так давно упоминал, я указал любопытные свойства кисти и описал, как лучше всего ее получить, но мне подумалось, что надо, вследствие интереса к нему, более подробно остановиться на этом явлении.
Когда через катушку проходит ток очень высокой частоты, можно получить прекрасный кистевой эффект, даже если катушка сравнительно небольшая. Экспериментатор может по-разному его варьировать, но и сами по себе они представляют красивое зрелище. Но еще более интересными их делает то, что их можно получить как на одном выводе, так и на двух — фактически на одном даже проще, чем на двух.
Но из всех наблюдавшихся явлений, самый приятный взору и самый поучительный разряд тот, что получается при пропускании через катушку тока от конденсатора. Мощность кисти, обилие искр, если условия подбирать терпеливо, просто потрясающие. Даже с очень маленькой катушкой, если ее заизолировать так, чтобы она выдерживала разность потенциала в несколько тысяч вольт на виток, искрение такое обильное, что катушка напоминает огненный шар.
Любопытно, что искры, если выводы расположить на значительном расстоянии друг от друга, разлетаются во всех направлениях, как будто выводы катушки независимы. Поскольку искры быстро разрушают изоляцию, их надо избегать. Лучше всего это сделать, поместив катушку в жидкий изолятор, такой, как олифа. Погружение в жидкость может быть непременным условием для продолжительной и успешной работы такой катушки.
Конечно, не может быть и речи о том, чтобы в экспериментальной лекции, когда у нас есть всего несколько минут для демонстрации каждого опыта, показать в лучшем виде все разряды, так как для этого требуется тщательная выверка параметров. Но даже при несовершенном их воспроизводстве, как это сегодня, вероятно, и произойдет, они достаточно поразительны, чтобы вызвать интерес у такой образованной аудитории.
Прежде чем приступить к показу некоторых явлений, ради полноты картины, я должен привести описание катушки и других приборов, которыми буду сегодня пользоваться для показа опытов с разрядом конденсатора посредством разрядника.
Они находятся в ящике В (рисунок 3), изготовленном из толстых твердых деревянных досок, обшитых снаружи цинковыми пластинами Z, тщательно запаянными по швам. При проведении строго научных опытов, когда точность очень важна, можно посоветовать не прибегать к помощи металлической обшивки, так как она приведет к многочисленным ошибкам, в основном вследствие своего комплексного воздействия на катушку в качестве конденсатора низкой емкости и электростатического и электромагнитного экранирования. Когда катушка применяется для опыта, подобного сегодняшним, металлическая обшивка имеет ряд преимуществ, на которых, впрочем, мы не будем останавливаться.
Катушку следует разместить симметрично относительно металлической обшивки и промежуток должен быть не менее пяти сантиметров, желательно даже гораздо больший; особенно это касается двух сторон металлического ящика, которые расположены под прямым углом к оси катушки, так как они могут оказывать на нее воздействие и служить источником потерь.
Катушка состоит из двух бобин, выполненных из твердой резины RR, укрепленных на расстоянии 10 см друг от друга при помощи болтов с и гаек п, из того же материала. Каждая бобина — это трубка Т с внутренним диаметром примерно 8 см, с толщиной стенки 3 мм, к которой прикручены два квадратных фланца FF с размером стороны 24 сантиметра, расположенные на расстоянии 3 мм друг от друга. Вторичная обмотка SS из провода, изолированного гуттаперчей высокого качества, намотана в 26 слоев, по 10 витков в каждом, что в целом составляет 260 витков. Обе половины намотаны оппозитно и включены последовательно, причем соединение произведено через первичную обмотку. Эта конструкция, помимо того что удобна, имеет еще и то преимущество, что, когда катушка хорошо сбалансирована, т. е. когда оба ее вывода Т1Т2 соединены с предметами или устройствами одинаковой мощности, нет опасности пробоя через первичную обмотку, и изоляция между первичной и вторичной обмотками не должна быть толстой. При использовании катушки можно последовать совету: соединять оба вывода с устройствами примерно одинаковой емкости, поскольку, когда емкость выводов неодинакова, могут возникнуть искры и повредить первичную обмотку. Для того чтобы избежать этого, середину вторичной обмотки можно соединить с первичной, но это не всегда имеет практический результат.
Первичная обмотка РР намотана двумя частями и оппозитно на деревянную бобину W, четыре конца выведены из масла через резиновые трубки tt. Концы вторичной обмотки Т1Т1 также выведены из масла через толстые резиновые трубки t1t1. Первичная и вторичная обмотки заизолированы при помощи хлопка, и толщина изоляции, естественно, пропорциональна разности потенциалов между витками разных слоев. Каждая половина первичной обмотки имеет четыре слоя, по 24 витка, итого — 96 витков. Когда обе половины соединены последовательно, это дает коэффициент преобразования примерно 1:2,7, а если первичные обмотки соединены параллельно — 1:5,4, но когда частота очень высокая, этот коэффициент не дает даже приблизительного представления об эдс в первичном и вторичном контурах. Катушка установлена в масле на деревянных планках, толщина слоя масла вокруг — примерно 5 см. В тех случаях, когда масло не применяют, пространство вокруг заполняется деревянными опилками, и именно для этой цели служит деревянный ящик В.
Конструкция, показанная здесь, конечно, не самая лучшая с точки зрения общих принципов, но я полагаю, она удобна для получения требуемых эффектов при работе с высоким напряжением и маленькой силой тока.
Применительно к катушке, пользуюсь либо обычным, либо модифицированным разрядником. В обычном я сделал несколько изменений, которые дают некоторые очевидные преимущества. Если я и упоминаю о них, то только в надежде на то, что какой-либо экспериментатор сочтет их полезными.
Одно из изменений состоит в том, что подвижные головки А и В (рисунок 4) разрядника крепятся между медными щёчками J J под давлением пружины, что позволяет передвигать их и таким образом избежать утомительного процесса частой полировки.
Другое изменение заключается в использовании сильного электромагнита NS, который крепится так, что его ось проходит под прямым углом к линии, соединяющей головки А и В и создает между ними мощное магнитное поле. Полюсные наконечники магнита подвижны и выполнены так, чтобы выступать между медными головками, с тем чтобы сделать магнитное поле наиболее интенсивным; но для предотвращения попадания разряда на магнит, полюсные наконечники покрыты слоем слюды ММ достаточной толщины. vfv(и s2s2 — это зажимы для проводов. На каждой стороне один винт для толстого, другой — для тонкого провода. LL — это винты для крепления штоков RR, поддерживающих головки.
В другой конструкции с магнитом я создаю разряд между округлыми полюсными наконечниками, которые изолированы, и желательно, чтобы они имели полированные медные колпачки.
Применение интенсивного магнитного поля дает принципиальное преимущество в том случае, когда в индукционной катушке или трансформаторе работает ток очень низкой частоты. В этом случае количество базовых разрядов между головками может быть настолько мало, что ток, возникающий во вторичной обмотке, непригоден для многих опытов. Напряженное магнитное поле тогда служит для того, чтобы сдувать дугу, формирующуюся между головками, и разряд происходит чаще.
Вместо магнита может успешно применяться поток воздуха, более или менее сильный. В таком случае лучше формировать дугу между головками АВ (рисунок 2), а головки аЬ можно или соединить, или вовсе устранить, так как в такой конфигурации дуга длинная и нестабильная и легко поддается воздействию потока воздуха.
Когда для прерывания дуги применяется магнит, предпочтительнее вариант соединения, указанный на рисунке 5, поскольку в этом случае токи, формирующие дугу, более мощные, а магнитное поле оказывает более сильное влияние. Применение магнита позволяет, однако, заменить дугу вакуумной трубкой, но я при работе с такой трубкой столкнулся с большими трудностями.
Другой тип разрядника, применяемый в этом и других опытах, показан на рисунках 6 и 7. Он состоит из нескольких медных шпилек сс (рисунок 6), каждая из которых включает в себя круглую среднюю часть т с выступающим снизу концом е, который служит всего лишь для закрепления шпильки в токарном станке при полировке разрядной поверхности, и болта / сверху, с накрученным на него фланцем f, и гайкой п, служащей для крепления провода к болту. Фланец f удобен тем, что удерживает медную шайбу при креплении к ней провода, а также поворачивает ее, когда необходимо иметь свежую поверхность для разряда. Две пластины из твердой резины RR, имеющие профильную проточку дд (рисунок 7) для крепления центральных шайб частей сс служат для жесткого крепления последних при помощи двух болтов СС (из которых показан только один), насквозь стягивающих пластины.
При использовании такого разрядника я обнаружил три основных преимущества перед его обычной разновидностью. Во-первых, диэлектрическая способность суммарной воздушной прослойки больше, когда она образуется из многих промежутков, заполненных воздухом, чем если бы она была однородной, а это позволяет работать с промежутком меньшей длины, что уменьшает потери и износ металла; во-вторых, дуга разбивается на несколько меньших дуг и полированные поверхности служат дольше; и в-третьих, устройство можно настраивать в процессе опыта. Обычно я устанавливаю шайбы, отмеряя расстояние между ними при помощи пластины одинаковой толщины, о таком способе установки я узнал из описания опытов сэра Уильяма Томсо-на, в этом случае происходит шунтирование эдс при искрении.
Следует, конечно, помнить, что разрядный промежуток сильно сокращается при повышении частоты. Проверив несколько вариантов расстояния, экспериментатор примерно представляет себе величину эдс и ему уже проще проводить опыт, так как не надо снова и снова устанавливать шайбы. Имея такой разрядник, я мог поддерживать колебания так, что глазу не видно было искрения между головками, и они не нагревались, по крайней мере значительно. Такой тип разряда применяется во многих конденсаторах и контурах, которые очень удобны и экономят время. Я предпочитал использовать его в схеме, показанной на рисунке 2, когда дугу формируют токи небольшой силы.
Могу также упомянуть, что я пользовался разрядниками с одним или несколькими зазорами, в которых разрядные поверхности вращались с огромной скоростью. Этот способ, однако, не дал каких-либо преимуществ, за исключением случаев, когда сила тока от конденсатора была велика и требовалось охлаждать поверхности разряда, а также случаев, когда собственных колебаний разряда не хватало, и дуга, только сформировавшись, рвалась от потока воздуха, таким образом начиная вибрации с прогрессирующим интервалом. Я также по-разному применял механические прерыватели. Для того чтобы избежать трудностей с трением, я принял такую схему, когда формируется дуга, а сквозь нее вращается с большой скоростью закольцованная слюдяная пластина, прикрепленная к металлической поверхности и имеющая множество отверстий. Понятно, что применение магнита, воздушного потока или иного прерывателя производит замечательный эффект, если только самоиндукция, емкость и сопротивление не находятся по отношению друг к другу в таком отношении, что после каждого прерывания возникают колебания.
Теперь я попытаюсь продемонстрировать вам некоторые наиболее замечательные разряды.
Через это помещение я протянул два обычных провода, изолированных хлопком, каждый длиной 7 метров. Они подвешены на диэлектриках на расстоянии примерно 30 см друг от друга. Теперь каждый провод я соединяю с выводом катушки и подключаю ее. Если выключить в помещении свет, то вы увидите, что провода ярко освещены потоками, обильно исходящими по всей поверхности проводов, даже если слой изоляции довольно толст. При условии, что опыт поставлен правильно, свечения, производимого проводами, достаточно, чтобы различать предметы в помещении. Для получения наилучшего результата, конечно, необходимо тщательно выверить емкость банок, длину дуги между головками и длину проводов. Исходя из своего опыта, могу сказать, что вычисление длины проводов в данном случае ни к чему не приведет. Экспериментатор поступит правильно, если с самого начала возьмет длинные провода и будет их подгонять, отрезая поначалу длинные куски, потом короче и короче до тех пор, пока не достигнет нужной длины.
Для этого и подобных опытов подойдет масляный конденсатор небольшой емкости, состоящий из двух небольших подвижных металлических пластин. Я беру короткие провода и устанавливаю пластины конденсатора на максимальном расстоянии. Если потоки на проводах усиливаются по мере приближения пластин, то длина проводов в целом правильная; если же уменьшаются — провода слишком длинные для данной частоты и напряжения. Если в таких опытах с катушкой используется конденсатор, то это должен быть обязательно масляный, а не воздушный конденсатор, так как в последнем могут быть значительные потери энергии. Провода, идущие сквозь масло к пластинам, должны быть очень тонкими и изолированными с помощью какого-либо искусственного изолятора и прикрыты крышкой из токопроводяще-го материала, расположенной под поверхностью масла. Крышка не должна располагаться вблизи выводов, или концов провода, так как на них может происходить искрение. Эта крышка применяется для уменьшения потери энергии в воздух, поскольку является электростатическим экраном. Что же касается размеров сосуда для масла и размеров пластин, то экспериментатор после первой же попытки опыта получит приблизительное представление о них. Габариты пластин, расположенных в масле, однако, можно вычислить, поскольку диэлектрические потери очень малы.
Из ранее описанного опыта интересно было бы узнать, какое влияние количество испускаемого света оказывает на частоту и потенциал электрических импульсов? Я придерживаюсь мнения, что получаемое количество тепла и света должно быть пропорционально, если все исходные данные опыта остаются неизменными, произведению частоты и квадрата напряжения, но экспериментально доказать это положение было бы крайне трудно. Одно, по крайней мере, точно, а именно: увеличивая напряжение и частоту, мы резко усиливаем потоки; и поскольку прогноз весьма оптимистический, есть надежда, что мы можем создать практичный осветительный прибор в таких цепях. В таком случае мы бы использовали горелки или пламя, где не происходило бы никакого химического взаимодействия, не потреблялся бы никакой материал, но имело бы место лишь преобразование энергии и, по всей вероятности, получалось бы больше света и меньше тепла, чем от обычного пламени.
Яркость потоков, конечно, значительно больше, когда они сфокусированы на небольшой площади поверхности. Это можно продемонстрировать при помощи следующего опыта.
К одному из выводов катушки я присоединяю провод w (рисунок 8), скрученный в окружность диаметром примерно 30 см, а к другому выводу я присоединяю небольшой медный шар 5, причем площадь поверхности провода примерно равна площади поверхности шара, а центр последнего расположен на линии, проходящей под прямым углом к плоскости окружности провода и через ее центр. Когда мы при надлежащих условиях формируем разряд, образуется полый конус, и в темноте видно, что половина шара ярко освещена, как показано на рисунке.
При помощи разнообразных устройств легко концентрировать потоки на небольших площадях и получать сильные световые эффекты. Таким способом можно сделать так, чтобы два тонких провода ярко светились. Для большей интенсивности потоков провода должны быть тонкими и короткими; но, как и в описанном случае, их емкость будет слишком мала для катушки — по крайней мере, для нашей — и необходимо увеличить емкость до определенного значения, и в то же время оставить поверхность проводов небольшой. Этого можно добиться несколькими способами.
Рис. 9
Вот, например, две резиновые пластины RR (рисунок 9), на которые я наклеил два тонких провода ww в виде имени. Провода могут быть оголенными или наилучшим образом изолированными — для успеха опыта это значения не имеет. Лучше взять хорошо изолированные провода. На обратной стороне каждой пластины, в том месте, где штриховка, имеется фольга tt. Пластины расположены на одной линии на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы предотвратить пробой между проводами. Покрытия из фольги я соединил проводником С, а два провода сейчас соединяю с выводами катушки. Теперь легко, меняя силу и частоту тока в первичной обмотке, найти то значение, когда емкость системы более всего соответствует условиям опыта, и провода так ярко светятся, что, если выключить свет в комнате, то имя, которое они образуют, ярко горит.
Возможно, предпочтительнее всего проводить этот опыт с катушкой, подключенной к генератору переменного тока высокой частоты, так как тогда, благодаря гармоническим колебаниям, потоки более однообразны, хотя и не столь обильны, чем при работе с нашей катушкой. Этот опыт, однако, можно проводить и при низких частотах, но не так успешно.
Когда два провода, соединенные с выводами катушки, расположены на нужном расстоянии, потоки между ними могут быть настолько интенсивными, что образуется постоянное свечение. Для демонстрации этого явления я взял два провода в форме окружностей С и с (рисунок 10) из довольно толстого провода, одна окружность диаметром около 80, а другая около 30 см. Каждый провод я присоединил к одному из выводов катушки. Поддерживающие провода согнуты таким образом, что окружности располагаются в одной плоскости, насколько возможно точно. Когда свет в помещении гаснет и катушка начинает работать, вы видите, что всё пространство между окружностями равномерно заполнено потоками света, образуя светящийся диск, который виден на большом расстоянии, настолько потоки ярки. Внешнюю окружность можно сделать гораздо большей; работая с этой катушкой, я использовал гораздо большие по диаметру окружности, и мне удавалось получить ярко светящиеся полосы площадью более одного квадратного метра, что замечательно для такой небольшой катушки. Для того чтобы получить гарантированный результат, сейчас я взял окружность поменьше, и площадь свечения составляет 0,43 квадратных метра.
Частота собственных колебаний и быстрота последовательности искр между разрядными головками в определенной степени влияют на появление потоков. Когда частота очень низка, воздух пробивается более или менее одинаково, как и при постоянной разности потенциалов, а потоки состоят из отчетливых нитей, перемежающихся с искрами, которые, в свою очередь, видимо соответствуют последовательности разрядов между головками. Но когда частота очень высока, и дуга производит очень громкий, но ровный звук — то и другое говорит о том, что имеет место осцилляция, и искры проскакивают с огромной скоростью, — тогда образуемые светящиеся потоки однородны.
Для достижения такого результата следует применять очень маленькие катушки и банки небольшой емкости. Я беру две трубки, изготовленные из толстого богемского стекла диаметром 5 см и длиной 20 см. Внутрь каждой трубки помещаю первичную обмотку из толстого медного провода. Поверх трубок наматываю вторичную обмотку из гораздо более тонкого провода, изолированного гуттаперчей. Вторичные обмотки соединяю последовательно, а первичные лучше всего соединить параллельно. Затем трубки помещаю в стеклянный сосуд на расстоянии 10–15 см друг от друга на изолированные подставки, а сосуд заполняю олифой на дюйм выше трубок. Свободные концы вторичных обмоток вывожу из жидкости и располагаю параллельно на расстоянии около 10 см друг от друга. Зачищенные концы надо обмакнуть в олифу. Для разряда через первичную обмотку можно использовать две банки вместимостью 4 пинты каждая, соединенные последовательно. После того, как сделаны необходимые корректировки относительно длины проводов и выступа над поверхностью жидкости, формируется дуга и образуется светящаяся полоса между проводами; это полоса ровная и не имеет текстуры, словно обычный разряд в трубке, откуда почти полностью откачан воздух.
Я остановился на этом, казалось бы, незначительном эксперименте неслучайно. Во время таких опытов экспериментатор приходит к ошеломляющему заключению о том, что для того, чтобы посылать световые разряды сквозь газы, не нужно добиваться определенной степени вакуумирования, но газ может находиться под обычным давлением или немного выше. Чтобы добиться этого, необходима очень высокая частота; также требуется и высокий потенциал, но эта потребность второстепенна. Эти опыты учат нас тому, что в поисках новых способов производства света путем возбуждения атомов или молекул газа нам не следует ограничиваться вакуумными трубками, но мы можем серьезно заняться поиском методов получения света без применения какого-либо сосуда, когда воздух находится под обычным давлением.
Такие высокочастотные разряды, которые заставляют воздух светиться при обычном давлении, мы часто наблюдаем в природе. У меня нет сомнений в том, что, как многие полагают, северное сияние происходит вследствие внезапных космических возбуждений, таких, как вспышки на солнечной поверхности, которые заставляют электростатический заряд Земли очень быстро вибрировать, красное свечение не ограничивается верхними разреженными слоями атмосферы, но разряд пронизывает, по причине своей высокой частоты, также и плотные слои атмосферы в форме зарева, такого, какое мы обычно наблюдаем в трубке, откуда частично откачан воздух. Если бы частота была низкой, или более того, заряд совсем не вибрировал, плотный воздух бы разрывался, как при ударе молнии. Признаки такого разрыва низших слоев атмосферы несколько раз наблюдались при возникновении этого явления; но если такое происходит, то это можно отнести на счет фундаментальных возмущений, которые немногочисленны, ибо колебания, вызываемые ими, были бы слишком быстрыми для пробивного разряда. Именно первоначальные и неравномерные импульсы влияют на приборы; наложенные вибрации, видимо, остаются незамеченными.
Рис. 11
Когда простой низкочастотный разряд проходит сквозь немного разреженный воздух, последний принимает пурпурный оттенок. Если, так или иначе, мы увеличим интенсивность молекулярных или атомарных вибраций, газ меняет цвет на белый. Подобные изменения происходят при обычном давлении с электрическими импульсами очень высокой частоты. Если молекулы воздуха вокруг провода немного возбуждены, образуемая кисть красноватая или фиолетовая; если вибрации становятся достаточно интенсивными, потоки становятся белыми. Мы можем добиться этого несколькими способами. В недавно показанном опыте с проводами, натянутыми через помещение, я попытался достичь результата, максимально увеличив и частоту и потенциал; во время опыта с тонкими проводами, наклеенными на резиновые пластины, я сконцентрировал действие на очень небольшой площади — иными словами, я работал с большой электрической напряженностью.
Наиболее любопытная форма разряда при работе с такой катушкой наблюдается, когда частота и потенциал достигают крайнего значения. Для постановки опыта каждая часть катушки должна быть хорошо изолирована, и только два небольших шара — или, что еще лучше, два металлических диска dd с острыми краями (рисунок 11) диаметром в несколько сантиметров должны находиться на открытом воздухе. Катушка, которая в данном случае используется, погружена в масло, а выступающие концы вторичной обмотки покрыты водонепроницаемым слоем твердой и толстой резины. Все трещинки, если таковые есть, должны быть тщательно устранены, с тем чтобы кистевой разряд не формировался нигде, кроме небольших шаров или пластин, находящихся снаружи. В данном случае, так как нет присоединенных к выводам больших пластин или иных предметов значительной емкости, катушка может иметь очень быстрые колебания. Потенциал можно увеличить, если экспериментатор сочтет нужным, путем увеличения диапазона изменения тока в первичной обмотке. При работе с катушкой, которая не слишком отличается от нашей, лучше всего соединять две первичные обмотки параллельно, но если вторичная обмотка состоит из гораздо большего количества витков, то первичные обмотки надо соединить последовательно, в противном случае колебания могут быть слишком быстрыми для вторичной обмотки. При таких условиях белые туманные потоки отходят от краев дисков и как призраки тянутся в пространство. На такой катушке, если она хорошо сделана, они достигают в длину 25 или 30 см. Если поднести к ним руку, то ничего нельзя почувствовать, а искра, вызывающая шок, проскакивает, только если руку поднести совсем близко. Если каким-либо способом придать колебаниям прерывистый характер, то возникают так называемые «биения», и рука или иной проводник, поднесенный еще ближе, даже не вызовет пробоя.
Среди всех многообразных прекрасных явлений, которые можно получить при помощи этой катушки, я выбрал только те, что отличаются новизной и приводят нас к интересным выводам. Совсем нетрудно в лабораторных условиях наблюдать и более занятные эффекты, но они не таят в себе ничего нового.
Те, кто в свое время начинал опыты с электричеством, описывают искры, произведенные большой обычной катушкой индуктивности на диэлектрической пластине, разделявшей выводы. Совсем недавно Сименс провел ряд опытов, в ходе которых наблюдались красивые явления. Без сомнения, большие катушки даже на малой частоте способны демонстрировать занятные эффекты. Но и самая большая катушка не сравнится по красоте потоков и искр с такой разрядной катушкой, если ее правильно настроить. Представьте себе, что такая катушка способна покрыть потоками разрядов пластину диаметром 1 м. Лучше всего для такого опыта взять тонкую пластину из резины или стекла и с одной ее стороны наклеить узкое кольцо из фольги большого диаметра, а с другой — круглую шайбу, причем центры их должны совпадать, а площади поверхностей быть примерно равными, чтобы катушка была хорошо сбалансирована. Шайба и кольцо должны соединяться с выводами, хорошо изолированными тонкими проводами. Легко видеть эффект конденсатора, создающего полосу однородных потоков или сеть из тонких серебряных нитей, или массу ярких искр, которые полностью покрывают пластину.
С тех пор как я выдвинул идею преобразования при помощи разряда в своей прошлой лекции перед Американским институтом электроинженеров в начале прошлого года, интерес к ней не ослабевает. Она явилась для нас средством получения любых потенциалов с помощью недорогой катушки, которая работает от любого источника, и — что, возможно, еще более ценно — она позволяет нам преобразовывать токи любой частоты и получать снова любую частоту. Но главное ее достоинство, скорее всего, заключается в том, что она позволит нам изучать явление фосфоресценции, которое катушка с разрядником способна вызывать даже в тех случаях, когда обычные катушки, даже самые большие, с этой задачей не справляются.
Принимая во внимание ее возможное применение для многих практических целей, а также использование такой катушки в лабораторных исследованиях, несколько дополнительных замечаний по поводу ее конструкции, я полагаю, не будут излишними.
Естественно, необходимо в таких катушках использовать хорошо изолированные провода.
Хорошую катушку можно создать, применяя провода, изолированные несколькими слоями хлопка, и выварив ее в течение длительного времени в чистом воске, а затем остудив при небольшом давлении. Преимущество такой катушки в том, что с ней нетрудно работать, но она не даст нам такого результата, какой можно получить от катушки, погруженной в масло. Кроме того, присутствие большого количества воска, кажется, не оказывает положительного влияния на катушку, в то время как с масляным прибором всё обстоит совсем иначе. Возможно, это происходит потому, что диэлектрические потери в жидкости не так велики.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.