Результаты, которые я имею честь предложить вниманию уважаемой аудитории, я не могу назвать моими собственными. Среди вас найдется немало людей, которые с большим основанием, нежели я, могут поставить себе в заслугу то или иное научное достижение, содержащееся в данной работе. Я думаю, нет необходимости упоминать многие имена, известные во всем мире, — имен тех из вас, кто являются признанными лидерами в этой прекрасной науке; но по меньшей мере одно я упомянуть должен — это имя, которое не может быть обойдено молчанием при подобной демонстрации. Оно связывается с самым прекрасным изобретением, когда-либо сделанным: это Крукс!
Когда я еще учился в колледже, а было это довольно давно, я прочел, правда в переводе (в то время я еще недостаточно хорошо владел вашим замечательным языком), описания его экспериментов по излучающей материи. Я прочел их всего лишь раз в своей жизни — именно тогда, — но и по сей день я могу вспомнить каждую подробность этой выдающейся работы. И мало таких книг, позвольте сказать, которые могут произвели столь глубокое впечатление на ум студента.
Но если я по нынешнему случаю упоминаю это имя как одно из тех, которыми может гордиться ваш институт, то потому, что у меня есть на то более, чем одна причина. Потому что то, что я намереваюсь вам рассказать и показать сегодняшним вечером, по большому счету относится к тому самому непонятному миру, который так искусно исследовал профессор Крукс. И более того, когда я пытаюсь восстановить ход моих мыслей и проанализировать, что же привело меня к этим результатам, — которые даже я сам не могу рассматривать как незначительные, поскольку они получили столь высокую оценку с вашей стороны, — я понимаю, что истинной причиной, которая подвигнула меня на работу в этом направлении и привела к этим результатам, после долгого периода постоянных размышлений, была та небольшая захватывающая книга, которую я прочитал много лет назад.
А теперь, когда я сделал слабую попытку выразить ему свое почтение и признательность, равно как и вам, моя вторая попытка — привлечь Ваше внимание — я надеюсь, окажется не столь слабой.
Позвольте в нескольких словах представить Вам предмет моего выступления.
Не так давно я имел честь представить Американскому Электротехническому Институту некоторые результаты, полученные мной к тому времени в новом направлении. Думаю, нет необходимости убеждать Вас в том, что многочисленные проявления интереса к этой работе со стороны английских ученых мужей и инженеров были для меня большой наградой и ободрили меня. Я не буду глубоко вдаваться в уже описанные эксперименты, за исключением тех случаев, когда возникнет необходимость представить в завершенном виде, или более четко изложить, некоторые идеи, которые я выдвигал ранее, или же чтобы придать исследованиям, представляемым здесь, законченность, а моим замечаниям по теме сегодняшней лекции — согласованность.
Разумеется, эти исследования касаются переменных токов, а точнее, переменных токов высокого потенциала и высокой частоты. Насколько важна очень высокая частота для получения представляемых результатов — это вопрос, на который мне трудно ответить даже при всем моем опыте в этой области. Некоторые эксперименты можно провести при низких частотах, но очень высокие частоты предпочтительнее, и не только потому, что с их помощью было получено множество эффектов, но и как удобное средство получения, применяя индукционное устройство, высоких потенциалов, которые в свою очередь необходимы для получения большинства из экспериментов, которые я намереваюсь здесь продемонстрировать.
Среди множества направлений в изучении электричества, возможно, наиболее интересным и многообещающим является то, которое касается переменного тока. В этом направлении за последние годы прогресс оказался настолько велик, что оправдывает самые оптимистичные надежды. Вряд ли мы хотя бы один факт стал нам близко знаком и привычен, когда мы сталкиваемся с новым опытом, и новые открываются новые широкие дороги для исследований. Даже прямо сейчас мы лишь частично осознаем открываемые применением этих токов возможности, о которых раньше нельзя было даже мечтать. Как в природе все приходит и уходит, есть приливы и отливы, все есть волновое движение, так по-видимому и во всех отраслях индустрии всем правят переменные токи — электрическое волновое движение.
Возможно, одной из причин, почему этот раздел науки получил столь быстрое развитие, стал интерес к ее экспериментальному изучению. Мы наматываем на простое железное кольцо катушки; подключаем к генератору, и с удивлением и восхищением обнаруживаем эффекты загадочных сил, которые мы вызвали к действию, сил, которые позволяют нам преобразовывать, передавать и направлять энергию так, как нам захочется. Мы собираем соответствующие электрические цепи и видим, как масса железа и проводов ведет себя как будто она наделена жизнью, посредством невидимых связей вращая тяжелый якорь с огромной силой и скоростью — и от энергии, получаемой, возможно, с большого расстояния. Мы наблюдаем, как проявляет себя энергия проходящего через провод переменного тока, — и не столько в самом проводе, сколько в окружающем пространстве, — самым удивительным образом, принимая формы тепла, света, механической энергии, и, что самое удивительное из всего, химического сродства. Все эти наблюдения очаровываю нас, и вызывают в нас сильнейшее желание узнать больше о природе этих явлений. Каждый день мы идем на работу с надеждой на открытие, с надеждой на то, что кто-то, не важно кто, сможет решить одну из множества больших проблем, ожидающих решения. И каждый раз на следующий день мы возвращаемся к нашим задачам с еще большим рвением. И даже когда наши усилия остаются безуспешными, наша работа не пропадает впустую, поскольку во всех этих усилиях и стараниях мы провели множество часов непередаваемого наслаждения, и наша энергия была направлена на благо человечества.
Мы можем выбрать — если Вы захотите, наугад, — любой из множества экспериментов, которые можно провести с переменными токами. Из них только несколько, причем никоим образом не самые впечатляющие, составляют предмет этой демонстрации нынешним вечером. Все они в равной мере интересны, и в равной мере наталкивают на размышления.
Вот простая стеклянная трубка, из которой частично выкачан воздух. Я беру ее в руку; я привожу свое тело в контакт с проводом, несущим переменные токи высокого потенциала, и трубка в моей ярко сияет. В какое бы положение я не поместил ее, куда бы я ее не переместил в пространстве — докуда я могу дотянутся, — приятный свет продолжает светить с неослабевающей яркостью.
Вот откачанная колба, подвешенная на одном проводе. Я становлюсь на изолированную подставку, хватаюсь за нее рукой, и платиновый электрод, вмонтированный в нее, ярко раскаляется.
Вот другая колба, подключенная к вводному проводу, которая как только я прикасаюсь к ее металлическому патрону, заполняется величественными цветами фосфоресцирующего света.
А вот еще одна, которая от прикосновения моих пальцев отбрасывает тень — тень Крукса, от ножки внутри нее.
Вот вновь, изолируясь как только встаю на изолированную подставку, я устанавливаю контакт между моим телом и одной из клемм вторичной обмотки индукционной катушки, — длина этого провода катушки составляет несколько миль, — и вы видите, как бьют лучи света из ее дальнего конца, который начинает сильно вибрировать.
А вот сейчас я подсоединяю эти две пластины из проволочной ткани к клеммам катушки, располагаю их на некотором расстоянии друг от друга, и подаю на катушку ток. Вы можете видеть прохождение маленьких искр между пластинами. Я помещаю между ними толстую пластину из одного из лучших диэлектриков, и при этом, вместо прекращения потока искр, как мы привыкли ожидать, я вызываю прохождение разряда, который, по мере того, как я вставляю пластину, только меняет свой вид и принимает форму светящихся потоков.
Позвольте Вас спросить, может ли быть ли что-нибудь более интересное, нежели исследование переменных токов?
Во всех этих исследованиях, во всех этих экспериментах, которые очень, очень интересны, вот уже на протяжении многих лет — с тех пор как величайший экспериментатор, который выступал в этом зале, открыл ее принцип, — вместе с нами наш постоянный спутник, приспособление, известное всем и каждому, некогда игрушка, а ныне предмет необычайной важности — индукционная катушка. Нет приспособления дороже электротехнику. От самого знающего из вас, осмелюсь сказать, до неопытного студента, до вашего докладчика, все мы пропели много прекрасных часов экспериментируя с индукционной катушкой. Мы наблюдали ее в действии, и немало думали и размышляли над прекрасными явлениями, которые она открывала нашим восхищенным взорам. Это устройство стало настолько известным, настолько знакомы эти явления для всех, что мужество несколько покидает меня, когда я подумаю, что решился выступать перед столь знающей аудиторией, что отважился развлечь вас все той же старой темой. Здесь перед вами на самом деле тот же самый аппарат и те же самые явления, только аппарат будет работать несколько иначе, и явления предстанут в другом аспекте. Некоторые результаты этих опытов мы находим такими, какими и ожидали, некоторые удивляют нас, но все пленяют внимание, потому что в научном исследовании каждый новый полученный результат может стать центром нового направления, каждый новый познанный факт может привести к важным выводам.
Обычно при работе с индукционной катушкой мы вызываем в первичной обмотке колебания небольшой частоты при помощи либо прерывателя или размыкателя, либо генератора переменного тока. Ранние английские исследователи, достаточно упомянуть только Спотсвуда и Гордона, использовали соединенный с катушкой быстрый размыкатель. Наши сегодняшние знания и опыт позволяют ясно увидеть, почему катушки в условиях тех испытаний не являли каких-либо значительных явлений, и почему сильным экспериментаторам не удалось заметить множество удивительных эффектов, которые наблюдались впоследствии.
В таких экспериментах как сегодняшний мы питаем катушку либо от генератора переменного тока специальной конструкции, который может давать многие тысячи обращений тока в секунду, либо пробойно разряжая конденсатор через первичную обмотку. При этом мы вызываем в во вторичной обмотке колебания с частотой во много сотен тысяч, а если захотим — то и в миллионы, в секунду. И используя любой из этих способов мы вступаем в область еще не изученную.
Так не бывает, чтобы исследования в какой-либо новой области не привели бы к какому-нибудь интересному наблюдению или заслуживающему внимания факту. Тому, что это утверждение в полной мере применимо к предмету настоящей лекции, служит убедительным доказательством то множество интереснейших и неожиданных явлений, которые мы наблюдаем. В качестве иллюстрации можно привести например самые очевидные явления, явления разряда индукционной катушки.
Вот катушка, работающая от токов, колеблющихся с огромной быстротой, получаемых с помощью пробойного разряда Лейденской банки. У студента не вызовут удивление, если лектор скажет, что вторичная обмотка этой катушки состоит из небольшой длины сравнительно толстого провода; не удивит его и если лектор сообщит, что несмотря на это, катушка может давать любое напряжение, какое только способна выдержать лучшая изоляция витков. Но даже если студент может быть подготовлен или даже индифферентен к результату, все же вид разряда катушки удивит и заинтересует его. Каждый знаком с разрядом обычной катушки; воспроизводить его здесь не нужно. Но вот, для контраста, форма разряда катушки, в первичный ток которой колеблется несколько сотен тысяч раз в секунду. Разряд обычной катушки имеет форму линии или полосы света. Разряд этой катушки возникает в форме мощных щеток и светящихся потоков, исходящих изо всех точек двух прямых проводов, подключенных к клеммам вторичной обмотки (Рис. 1).
А теперь сравните это явление, свидетелями которого Вы только что были, с разрядом машины Гольца или Вимшурста — еще одного интересного устройства, столь дорогого экспериментатору. Какая разница между этими явлениями! И еще, сделай я необходимые приготовления, — а сделать их было бы довольно непросто, не мешай это другим экспериментов, — я мог бы произвести с помощью этой катушки искры, которые, спрячь я от Ваших взоров катушку оставив видимыми только шары, даже самый внимательный наблюдатель из Вас, с трудом смог бы, если смог бы вообще, отличить бы от искр инфлюационной [электрофорной] или фрикционной машины. Это можно сделать многими путями — например, с используя индукционную катушку, которая заряжает конденсатор от генератора переменного тока очень низкой частоты, при этом желательно настроив разрядную цепь так, чтобы в ней не возникали колебания. Тогда мы получаем на вторичной цепи, при условии, разумеется, что шары нужного размера и установлены правильно, более или менее быструю последовательность искр огромной интенсивности и малого количества, столь же яркие и сопровождающиеся таким же звуком, напоминающим треск, как и получаемые от фрикционной или инфлюационной [электрофорной] машины.
Другой способ — это пропустить через две первичные цепи, имеющие общую вторичную, токи, имеющие слегка разный период, что производит во вторичной цепи искры, возникающие через сравнительно долгие интервалы. Но у меня может получиться имитировать искру машины Гольца даже с помощью тех средств, которыми есть под рукой в этот вечер. Для этого я установлю между выводами катушки, заряжающей конденсатора, длинную неустойчивую дугу, которая периодически прерывается производимым ею восходящим потоком воздуха. Чтобы усилить поток воздуха, я помещаю на каждой стороне дуги близко к ней по большой пластине слюды. Конденсатор, заряжающийся от этой катушки, разряжается в первичную цепь второй катушки через небольшой воздушный зазор, который необходим для того, чтобы обеспечить резкий всплеск тока через первичную. Схема соединений данного эксперимента показана на Рис. 2.
G — обычный генератор переменного тока, который подает ток на первичную обмотку Р индукционной катушки, вторичная обмотка S которой заряжает конденсаторы или банки С С. Выводы вторичной обмотки подключены к внутренним обкладкам банок, а внешние обкладки подключены к концам первичной обмотки рр второй индукционной катушки. В первичной р р имеется небольшой воздушный зазор а b.
Вторичная обмотка S этой катушки снабжена двумя шарами или сферами К К соответствующего размера, установленных на подходящем для этого эксперимента расстоянии.
Между выводами А В первой индукционной катушки устанавливается дуга. ММ — слюдяные пластины.
Каждый раз, когда дуга между точками А и В прерывается, банки быстро заряжаются и разряжаются через первичную обмотку р р, производя проскакивающую с треском между шарами К К искру. Когда между точками А и В устанавливается дуга, потенциала падает, и банки не могут зарядиться до такого потенциала, чтобы пробить воздушный зазор а b, до тех пор, пока воздушный поток вновь не разорвет дугу.
Таким образом, в первичной обмотке р р получаются резкие импульсы с большими интервалами, которые дают во вторичной обмотке S соответствующее количество импульсов большой мощности. Если шары или сферы К К имеют подходящий размер, то искры обнаруживают большое сходство с искрами от машины Гольца.
Но эти два эффекта, которые для глаза представляются столь различными, это лишь два из огромного множества разрядных эффектов. Стоит нам лишь слегка изменить условия испытания, и мы снова получим новые интересные наблюдения.
Если вместо запитывания индукционной катушки как двух в последних экспериментах, мы запитаем ее от генератора переменного тока очень высокой частоты, как в следующем эксперименте, то систематическое изучение этих явлений станет значительно намного легче. В этом случае, при изменении силы и частоты тока через первичную обмотку, мы можем наблюдать пять различных форм разрядов, которые я описывал в своей предыдущем выступлении по данной теме перед Американским Электротехническим Институтом 20 Мая 1891 г.
Воспроизведение перед Вами всех этих форм разрядов заняло бы очень много времени и слишком далеко увело бы нас от основной темы сегодняшнего вечера, но одну из них мне все-таки хотелось бы вам показать. Это кистевой электрический разряд, который интересен более чем в одном отношении. При рассмотрении вблизи он очень напоминает струю газа, выходящего под большим давлением. Мы знаем, что это явление возникает благодаря возбуждению молекул вблизи контакта, и ожидаем, что должно будет образовываться некоторое тепло от столкновений молекул с контактом или друг с другом. И в самом деле, мы обнаруживаем, что кисть горячая, и даже непродолжительные размышления приводят нас к заключению, что если бы мы только смогли достичь достаточно высоких частот, то могли бы получить кисть, которая бы давала сильный свет и тепло, и которая во всех отношениях напоминала бы обычное пламя, за исключением, возможно, того, что эти два явления могут обуславливаться не одним и тем же агентом, — за исключением того, что химическое сродство может не быть электрическим по своей природе.
Поскольку образование света и тепла здесь обусловлено воздействием молекул или атомов воздуха, или чего-то еще помимо этого, и поскольку мы можем увеличивать энергию простым повышением потенциала, то, даже при частотах, получаемых от динамо машины, мы могли бы усилить эффект до такой степени, что нагрели бы контакт до плавления. Но при столь низких частотах нам постоянно пришлось бы иметь дело с чем-то, относящимся к природе электрического тока. Если я поднесу предмет из проводящего материала к кистевому разряду, то проскочит маленькая тонкая искра, хотя даже при тех частотах, которые мы используем здесь сегодня, тенденция к образованию искр не очень велика. Так, например, если я буду держать металлическую сферу на определенном расстоянии над контактом, то Вы сможете увидеть, что все пространство между контактом и сферой освещено потоками без прохождения искр; и даже при гораздо более высоких частотах, которые можно получить с помощью пробойного разряда конденсатора — не будь это для мощных импульсов, которые относительно немногочисленны, — искрения не возникает даже на очень небольших расстояниях. Однако при несравнимо более высоких частотах, которые мы еще может быть найдем способы эффективно получать, и при условии, что эти электрические импульсы таких высоких частот могут передаваться через проводник, электрические характеристики кистевого электрического разряда исчезнут полностью — не будет никаких искр, не будет ощущаться никакого удара электрическим током, — и это несмотря на то, что при этом мы будем продолжать иметь дело с электрическим явлением, но в широком, современном понимании этого слова. В своем первом выступлении, о котором уже упоминалось, я отмечал любопытные свойства кистевого разряда и описывал наилучший метод его получения, но я подумал, что мне есть смысл более точно выразиться относительно этого явления, потому что оно приобретает все больший и больший интерес.
Когда на катушку подаются токи очень высокой частоты, даже если это катушка сравнительно малых размеров, можно получить прекрасные по красоте эффекты кистевого разряда. Экспериментатор может по-разному менять их, и даже сами по себе они являются прекрасным зрелищем. Что делает их еще интереснее это что их можно получать как с одного вывода, так и с двух — на самом деле, с одной даже лучше, чем с двух.
Но наиболее красивы для глаз, наиболее поучительны изо всех наблюдаемых разрядных явлений те, которые происходят, когда на катушку подается пробойный разряд конденсатора. Если все параметры аккуратно отрегулированы, мощность кистей, обилие искр производят часто изумительное впечатление. Даже с очень маленькой катушкой, если она изолирована настолько хорошо, что может выдерживать разность потенциалов в несколько тысяч вольт на виток, искры могут быть столь обильными, что вся катушка кажется единой массой огня.
Довольно любопытно, что когда выводы катушки расположены на значительном расстоянии, кажется, искры разлетаются во всех возможных направлениях, как будто контакты совершенно независимы друг от друга. Поскольку искры могут быстро разрушить изоляцию, это нужно предотвратить. Лучше всего погрузить катушку в какой-нибудь хороший жидкий изолятор, например, в прокипяченное масло. Погружение в жидкость можно считать практически абсолютно необходимым условием для ее надежной и продолжительной работы.
Разумеется, невозможно в рамках одной экспериментальной лекции, когда в распоряжении лектора всего несколько минут для проведения каждого эксперимента, показать эти разрядные явления наилучшим образом, так как чтобы получить каждое из явлений в его наилучшем виде, требуются очень тщательные настройки. Но даже если они получатся не самым лучшим образом, как вероятно будет сегодня, они достаточно впечатляющи, чтобы заинтересовать такую аудиторию.
Перед тем как продемонстрировать Вам некоторые из этих любопытных эффектов, я должен для полноты картины дать краткое описание катушки и других устройств, используемых в сегодняшних экспериментах с пробойным разрядом.
Она находится внутри ящика В (Рис.3) из толстых досок прочного дерева, с внешней стороны покрытого цинковым листом Z, который плотно спаян со всех сторон. В точных научных исследованиях, когда очень важна точность, рекомендуется рекомендуется обходиться без металлического покрытия, поскольку оно может стать причиной многочисленных ошибок, в основном из-за его сложного воздействия на катушку как в роли конденсатора очень малой емкости, так и в качестве электростатического и электромагнитного экрана. Когда катушка используется в таких экспериментах, как сегодняшние, применение металлического покрытия дает ряд практических преимуществ, но они не настолько важны, чтобы в них вдаваться.
Катушка должна располагаться в ящике симметрично по отношению к металлическому покрытию, и пространство между катушкой и покрытием, конечно, должно быть не слишком маленьким, скажем, не меньше пяти сантиметров, а если возможно, то и больше. И особенно те две стороны цинкового ящика, которые расположены под прямыми углами к оси катушки, должны быть достаточно далеко последней, иначе они могут существенно ухудшить ее работу и стать источником потерь.
Катушка состоит из двух бобин из твердой резины R R, разнесенных на расстояние 10 сантиметров друг от друга при помощи болтов С и гаек n, тоже из твердой резины. Каждая бобина состоит из трубки Т с внутренним диаметром около 8 сантиметров и толщиной 3 миллиметра, на которую навинчены два фланца F F, квадраты [со стороной] 24 сантиметра, расстояние между фланцами около 3 сантиметров. Вторичная обмотка S S, намотанная из лучшего провода с гуттаперчевым покрытием, имеет 26 слоев, по 10 витков в каждом, что в сумме для каждой половины составляет 260 витков. Две половины обмотки намотаны противоположно друг другу и соединены последовательно, причем соединение обеими частей сделано через первичную обмотку. Такое расположение частей, помимо того, что оно удобно, имеет еще то преимущество, что когда катушка хорошо сбалансирована, — то есть когда оба ее вывода T1 T1 подсоединены к телам либо устройствам одинаковой емкости, — то опасность возникновения пробоя через первичную обмотку практически сводится на нет, и не обязательно делать толстой изоляцию между первичной и вторичной обмотками. При использовании этой катушки желательно подключать к обеим ее выводам устройства с примерно одинаковой емкостью, поскольку если емкость выводнов разная, то велика вероятность прохождения искр на первичную обмотку. Чтобы этого избежать, можно соединить среднюю точку вторичной обмотки с первичной, но это не всегда осуществимо.
Первичная обмотка РР намотана из двух частей, противоположно, на деревянную бобину W, и все четыре вывода выведены наружу через слой масла по толстым трубкам из твердой резины tt. Выводы вторичной обмотки Tj Tj также выведены наружу через масло по очень толстым резиновым трубкам t1t1 Слои первичной и вторичной обмоток изолированы хлопковой тканью, разумеется, в некоторой пропорции по толщине от разности потенциалов между витками различных слоев. Каждая половина первичной обмотки состоит из четырех слоев, по 24 витка в каждом, что в сумме составляет 96 витков. Когда обе части первичной обмотки соединяются последовательно, это дает коэффициент преобразования примерно 1:2.7, а когда параллельно, то 1:5.4. Однако при работе с очень быстро переменяющимся током этот коэффициент не дает даже примерного представления об отношении электродвижущих сил в первичной и вторичной цепях. Катушка удерживается в своем положении в масле на деревянных опорах, причем толщина масляного слоя повсюду вокруг катушки составляет около 5 сантиметров. Когда масло не обязательно, пространство вокруг катушки заполняется кусочками дерева, и для этого главным образом и используется деревянный ящик В, который все окружает.
Разумеется, представленная здесь конструкция далеко не лучшая по общим принципам, но я считаю, что она достаточно хороша и удобна для воспроизведения эффектов, в которых нужны очень большой потенциал и очень малый ток.
Совместно с катушкой я использую разрядник либо обычного вида, либо модифицированного. В первый я внес два изменения, которые обеспечивают некоторые преимущества, и которые очевидны. Если я и упоминаю о них, то только в надежде, что какой-нибудь экспериментатор найдет их полезными.
Одно из изменений, это что регулируемые шары А и В (Рис. 4) разрядника удерживаются в латунных зажимах JJ давлением пружины, что позволяет поворачивать их разными сторонами, тем самым избавляя экспериментатора от нудной процедуры частой их полировки.
Другое изменение состоит в использовании сильного электромагнита N S, который располагается так, чтобы его ось находилась под прямыми углами к линии, соединяющей шары А и В, и создает между ними сильное магнитное поле. Полюсные части магнита двигаются и имеют такую форму, что высовываются между латунными шарами, чтобы создавать поле насколько возможно интенсивное; а для того, чтобы на магнит не проскочил разряд, его полюсные части защищены слоем слюды М М достаточной толщины. Sj Sj и S2S2 — это болты для крепления проводов. С каждой стороны один из болтов предназначен для крепления большого провода, а другой малого. L L — болты для фиксирования в определенном положении стержней R R, на которых держатся шары.
В другой компоновке с магнитом я беру разряд между самими закругленными полюсными частями, которые в этом случае покрываются изоляцией и желательно снабжаются отполироваными латунными набалдашниками.
Применение мощного магнитного поля дает определенные выгоды главным образом когда индукционная катушка или трансформатор, от который заряжает конденсатор, работает от токов очень низких частот. В этом случае количество основных разрядов между шарами может оказаться настолько мало, что получаемый во вторичной обмотке ток для многих экспериментов не подходит. Мощное магнитное поле служат тогда чтобы гасить дугу между шарами, как только та формируется, и основные разряды идут в более быстрой последовательности.
Вместо магнита с определенным успехом можно использовать и воздушную тягу или поддув. В этом случае дуга предпочтительно устанавливается между шарами А В, на Рис.2 (шары а b либо соединены, либо вообще убраны), поскольку при таком расположении дуга длинная и нестабильная, и легко поддается воздействию потока воздуха.
Если для прерывания дуги применяется магнит, то выбрать соединение, показанное схематически на Рис. 5, поскольку в этом случае токи, образующие дугу, гораздо мощнее, и магнитное поле оказывает огромное влияние. Использование магнита позволяет заменить дугу вакуумной трубкой, но при работе с откачанной трубкой я столкнулся с огромными трудностями.
На Рис. 6 и 7 показана другая форма разрядника, используемого в этих и схожих с ними экспериментах. Он состоит из множества латунных элементов С С (Рис. 6), каждый из которых имеет сферическую среднюю часть т, продолговатую нижнюю часть е, — она служит только для крепления детали в токарном станке во время полировки разрядной поверхности, — и верхнюю часть. Верхняя часть состоит из выпуклого фланца f, заканчивающегося стрежнем 1 с резьбой. На него навинчивается гайка п, при помощи которой к верхней части разрядника крепится провод. Фланец f служит, чтобы держать латунную деталь когда крепится провод, а также для поворачивания в любую сторону, когда нужно подставить свежую разрядную поверхность. Две толстые резиновые полоски R R (Рис. 7) с желобками gg, вырезанными под средние части С С деталей, служат для более плотного закрепления деталей в своем положении при помощи двух болтов С С (на рисунке представлен только один из них), проходящих через концы резиновых полосок.
Я обнаружил три очень важных преимущества, которые дает использование такого типа разрядника по сравнению с разрядником обычной формы. Во-первых, если вместо одного воздушного зазора есть множество мелких, то диэлектрическая прочность воздушного промежутка той же суммарной толщины значительно возрастает, что позволяет работать с меньшей длиной воздушного зазора, а это означает меньшие потери и меньший износ металла. Во-вторых, по причине разделения одной большой дуги на множество меньших дуг полированные поверхности служат значительно дольше. И в-третьих, этот аппарат позволяет выполнять определенную калибровку в ходе экспериментов. Обычно я при помощи листов однородной толщины выставлял элементы на определенном очень маленьком расстоянии, для которого из экспериментов сэра Вильяма Томсона известна определенная электродвижущая сила, требующаяся для искрового пробоя через него.
Разумеется, следует помнить, что с увеличением частоты значительно уменьшается искровой промежуток. Беря любое количество зазоров, экспериментатор получает грубое представление об электродвижущей силе и может легче повторять эксперимент, поскольку без проблем может вновь и вновь выставлять зазор между набалдашниками. При помощи разрядника такого тина мне удавалось поддерживать колебания, при которых невооруженным глазом никаких искр между набалдашниками не наблюдалось, и не происходило сильно ощутимого повышения их температуры. Оказалось также, что такая форма разрядника хорошо подходит для использования во множестве схем с конденсаторами и цепями, которые часто очень удобны и экономят время. Я в основном использовал его в схемах, схожих с представленным на Рис. 2, когда образующие дугу токи малы.
Здесь можно было бы упомянуть опробованные мной разрядники с одним или со множеством воздушных зазоров, у которых разрядные поверхности с большой скоростью вращались вокруг своей оси. Однако этот метод не дал никаких особенных преимуществ, за исключением тех случаев, когда токи от конденсатора были большими, и нужно было поддерживать разрядные поверхности холодными, а также в случаях, когда разряд сам не осциллировал, и дуга, как только она устанавливалась, прерывалась потоком воздуха, тем самым приводя к быстрой последовательности колебаний. Я также применял многочисленными способами и механические прерыватели. Для избежания трудностей с фрикционными контактами в была подобрана следующая предпочтительная схема: установить дугу и вращать через нее с большой скоростью слюдяной обод с большим количеством отверстий, закрепленный на стальной пластине.
Понятно конечно, что использование магнита, потока воздуха, или другого прерывателя производит достойный упоминания эффект, только если между самоиндукцией, емкостью и сопротивлением нет такого соотношения, что есть колебания, которые устанавливаются после каждого прерывания.
А сейчас я постараюсь показать Вам некоторые из наиболее интересных среди этих разрядных явлений.
Я натянул вдоль комнаты два обычных провода, покрытых хлопковой изоляцией, каждый длиной около 7 метров. Они поддерживаются на изолированных шнурах на расстоянии примерно 30 сантиметров. А сейчас я подключаю к каждому выводу катушки один из проводов и включаю ее. Если в комнате выключить освещение, то Вы увидите, что провода ярко освещены потоками света, исходящими изо всей их поверхности проводов несмотря на хлопковую изоляцию, которая даже может быть довольно толстой. Если эксперимент проводится при хороших условиях, то интенсивность света от проводов позволяет различать предметы в комнате. Для наилучшего результата, разумеется, нужно тщательно отрегулировать емкость банок, дугу между сферами и длину проводов. По своему опыту могу сказать, что в данном случае расчет длины приводов не дает вообще никакого результата. Самое лучшее, что может сделать экспериментатор, это изначально взять провода очень большой длины и постепенно отрезать от них куски, сначала длинные, затем меньше и меньше — до тех пор, пока не дойдет до правильной длины.
В этом и схожих с ним экспериментах довольно удобно задействовать конденсатор очень малой емкости, состоящий из двух небольших регулируемых металлических пластин. В этом случае я беру провода значительно короче и первоначально устанавливаю пластины конденсатора на максимальном расстоянии друг от друга. Если при сближении пластин конденсатора интенсивность света возрастает, то это означает, что длина проводов близка к оптимальной, если же свечение уменьшается, то длина проводов слишком велика для данной частоты и потенциала. Если в экспериментах с такой катушкой применяется конденсатор, то это всегда должен быть масляный конденсатор, потому что если использовать воздушный конденсатор, то возможны значительные потери энергии. Провода, подходящие к пластинам, находящимся в масле, должны быть очень тонкими, покрыты толстым слоем какого-нибудь изоляционного материала, и с проводящей оплеткой — она должна желательно идти и под поверхностью масла. Проводящая оплетка не должна быть слишком близко к клеммам, или концам, провода, иначе с провода на нее может пройти искра. Проводящее покрытие служит для уменьшения воздушных потерь, благодаря тому, что играет роль электростатического экрана. Что касается размеров сосуда, в котором находится масло, и размеров пластин, то даже грубая проба сразу же даст экспериментатору представление о том, какими они должны быть. Тем не менее, размеры пластин в масле можно рассчитать, поскольку диэлектрические потери очень малы.
В предыдущем эксперименте было бы весьма интересно узнать, как зависит количество излучаемого света от частоты и потенциала электрических импульсов. Мое мнение, что производимые тепловой как и световой эффекты должны быть пропорциональны, — при прочих равных условиях испытания, — произведению частоты на квадрат потенциала, но экспериментальное подтверждение этого закона, как бы оно ни проводилось, было бы чрезвычайно трудным. Во всяком случае, ясно одно: при увеличении потенциала и частоты мы быстро усиливаем интенсивность потоков света; и, хотя это и звучит может быть излишне обнадеживающе, в целом можно надеяться, что в разработке и практическом производстве таких источников света можно добиться успеха. Тогда мы будем просто использовать горелки или огни, в которых не происходит никаких химических процессов, в которых не происходит никаких затрат материалов, а только передача энергии, и которые, по всей вероятности, будут давать больше света и меньше тепла, нежели обычное пламя.
Конечно, интенсивность лучей света, если их фокусировать на небольшой поверхности, значительно возрастает. Это можно продемонстрировать на следующем эксперименте.
Я подсоединяю к одному из выводов катушки провод w (Рис. 8 ) и сгибаю его в петлю диаметром около 30 сантиметров, а к другому выводу подсоединяю небольшую латунную сферу S. Желательно, чтобы площадь петли была примерно равна площади сферы, и центр сферы располагался на линии, проходящей через центр петли под прямым углом к ее плоскости. Если разряд образуется при надлежащих условиях, то образуется полый светящийся конус, и в темноте ярко освещается одна половина сферы, как это показано на врезке.
При помощи небольших манипуляций концентрировать лучи света на небольших поверхностях и получать сильные световые эффекты довольно просто. В результате два тонких провода могут стать источниками сильного света.
Чтобы увеличить интенсивность световых лучей, провода должны быть очень тонкие и короткие, однако, поскольку в этом случае их емкость будет обычно слишком малой для катушки, по крайне мере для такой катушки, как представленная в данном эксперименте, то нужно увеличить емкость до требуемой величины, в то же время сохранения поверхность проводов очень малой. Этого можно достичь многими способами. Например, вот у меня две пластины R R из твердой резины (Рис. 9), на которые я наклеил два очень тонких провода WW, которыми написано имя. Провода могут быть оголенными или с самым лучшим изолирующим покрытием — это для успеха данного эксперимента несущественно. Но все же хорошо изолированные провода предпочтительнее. Тыльная сторона каждой пластины, на рисунке она затенена, покрыта фольгой t t. Пластины расположены на одной линии и на значительном расстоянии друг от друга, чтобы избежать прохождения искры с одного провода на другой. Фольгу на обеих пластинах я соединил между собой при помощи проводника С, и сейчас подсоединяю оба провода к выводам катушки. Теперь варьируя силу и частоту тока через первичную обмотку, довольно просто найти точку, в которой емкость системы наилучшим образом соответствует остальным условиям, и тогда провода начинают светиться так сильно, что если в помещении выключить освещение, то написанное проводами имя засияет яркими буквами.
Возможно, при проведении этого эксперимента, предпочтительнее использовать катушку, работающую от генератора переменного тока высокой частоты, поскольку тогда, благодаря гармоническому подъему и падению [тока], потоки света получаются очень однородными, хотя они и менее яркие, чем те, что получаются с нынешней катушкой. Подобный эксперимент можно провести и с помощью тока низкой частоты, но намного менее удовлетворительно.
Когда два провода, подключенные к выводам катушки, расположены на нужном расстоянии друг от друга, потоки между ними могут быть столь интенсивными, что образуют сплошную световую поверхность.
Для того, чтобы продемонстрировать это явление, у мня имеются два круглых контура С и С (Рис. 10) из довольно толстого провода, один около 80 сантиметров в диаметре, а другой — около 30 сантиметров. К каждому из выводов катушки я подключил один из этих контуров. Поддерживающие провода изогнуты таким образом, что контуры можно насколько возможно точно поместить в одной плоскости. Если в помещении выключить освещение и включить катушку, то Вы увидите, что все пространство между проводами заполнено потоками, образующими светящийся диск, и интенсивность потоков настолько велика, что диск виден даже на довольно большом расстоянии. Внешний контур мог бы быть значительно большего диаметра, нежели тот, что сейчас перед Вами. На самом деле, с этой катушкой я использовал контуры гораздо большего диаметра, и мне удавалось получать ярко светящуюся поверхность, покрывающую площадь более одного квадратного метра, что для такой маленькой катушки является заметным достижением. Чтобы избежать непредвиденных осложнений в сегодняшнем эксперименте, я взял контур поменьше, и площадь составляет около 0.43 квадратных метра.
Частота колебаний тока и быстрота чередований искр между шарами в заметной степени влияют на вид потоков. Когда частота очень низкая, воздух поддается воздействию более или менее так же, как при постоянной разнице потенциалов, и потоки состоят из отдельных нитей, обычно перемежающихся тонкими искрами, которые видимо соответствуют последовательным разрядам, происходящим между шарами. Но когда частота очень большая, и дуга разряда производит очень низкий, но ровный звук, — показывая тем самым и что есть колебания, и что чередование искр происходит с большой скоростью, — тогда образующиеся светящиеся потоки совершенно однородны. Для получения такого результата следует использовать очень маленькие катушки и банки очень малой емкости. Я беру две трубки из толстого богемского стекла диаметром около 5 сантиметров и около 20 сантиметров длиной. В каждую из этих трубок я засовываю первичную обмотку из очень толстого медного провода. Сверху на каждую трубку я наматываю вторичную обмотку из гораздо более тонкого провода с гуттаперчевым покрытием. Две вторичных обмотки я соединяю последовательно, а первичные обмотки лучше соединить параллельно. Затем я помещаю трубки в большой стеклянный сосуд на расстоянии 10-15 сантиметров друг от друга на изолированных креплениях и заполняю сосуд прокипяченным маслом. Уровень масла возвышается над трубками примерно на дюйм. Свободные концы вторичной обмотки выводятся наружу из масла и располагаются параллельно друг другу на расстоянии около 10 сантиметров. Зачищенные концы должны находиться в масле. Для создания разрядов через первичную обмотку можно использовать две четырехпинтовые банки, соединенные последовательно. Когда проведена необходимая регулировка длины проводов над поверхностью масла и расстояния между ними, а также разрядной дуги, то между проводами образуется совершенно ровная, без какой-либо структуры светящаяся поверхность, подобная обычному разряду в трубке со умеренной степенью откачки. Я совершенно сознательно остановился столь подробно на этом кажущемся незначительным эксперименте. Опыты подобного рода приводит экспериментатора к поразительному умозаключению, что для прохождения обычных светящихся разрядов через газы не требуется какая-либо определенная степень разреженности газа, но что газ может находиться при обычном и даже при повышенном давлении. Для осуществления этого важна очень высокая частота; высокий потенциал также необходим, но это только второстепенное и сопутствующее требование. Эти эксперименты учат нас, что в попытках открыть новые методы получения света посредством возбуждения атомов, или молекул, газа нам не следует ограничиваться в своих исследованиях вакуумной трубкой, а можно вполне серьезно рассматривать возможность получения световых эффектов вообще без использования каких-либо сосудов, в воздухе при обычном давлении.
Вероятно, подобные разряды очень высокой частоты, которые заставляют воздух светиться при обычных давлениях, нам часто доводится наблюдать в Природе. У меня нет сомнения, что если, как считают многие, северное сияние возникает в результате резких космических возмущений, таких как взрывы на поверхности Солнца, которые вызывают колебания электростатического заряда Земли с чрезвычайно высокой частотой, то наблюдаемое красное свечение не ограничивается верхними воздушными слоями, но разряд проходит по причине его высокой частоты также и в плотную атмосферу в виде свечения, подобного тому, которое мы обычно получаем в слабо откачанной трубке. Если бы частота была очень низкой, и даже более того, если бы заряд не колебался вовсе, плотный воздух пробивался бы так же, как при разряде молнии. Признаки такого пробоя нижних плотных слоев воздуха неоднократно наблюдались при появлении этого удивительного явления. Но если такой пробой действительно возникает, то объяснить его можно только фундаментальными возмущениями, число которых очень невелико, потому что колебания, производимые ими, были бы слишком быстрыми для того, чтобы произошел пробойный разряд. Это первичные и нерегулярные импульсы, которые воздействуют на наши приборы; накладывающиеся колебания, скорее всего, проходят незамеченными.
Когда обычный низкочастотный разряд пропускается через умеренно разреженный воздух, то воздух приобретает пурпурный оттенок. Если при помощи тех или иных средств мы увеличим интенсивность колебаний атомов, или молекул, то цвет воздуха сменится на белый. Похожее изменение происходит при обычных давлениях при электрических импульсах очень высокой частоты. Если молекулы воздуха вокруг провода умеренно возбуждены, то образующийся кистевой разряд имеет красный или фиолетовый цвет. Если же колебания делаются достаточно интенсивными, то потоки становятся белыми. Мы можем добиться этого различными способами. В эксперименте, продемонстрированном ранее, с двумя проводами, протянутыми через зал, я старался достигнуть результата подняв до очень высоких значений и частоту, и потенциал. В эксперименте с тонкими проводами, приклеенными к резиновым пластинам, я сконцентрировал воздействие тока на очень малой поверхности. Другими словами — я работал с огромной электрической плотностью.
Самая любопытная форма разряда получается в эксперименте с такой катушкой, когда частота и потенциал поднимаются до предела. Чтобы выполнить этот эксперимент, необходимо, чтобы каждая часть катушки была очень хорошо заизолирована, и на воздухе находились только две маленькие сферы — а еще лучше, два стальных диска с острыми краями (d d Рис. 11) диаметром не больше нескольких сантиметров. Применяемая здесь катушка погружена в масло, а концы вторичной обмотки, выходящие наружу из масла, покрыты очень толстой непроницаемой для воздуха оболочкой из твердой резины. Любые трещины, если таковые появляются, должны быть тщательно заделаны для того, чтобы кистевой разряд не мог возникнуть нигде, кроме как на маленьких сферах, или пластинах, которые высунуты на воздух.
В данном случае, поскольку отсутствуют какие-либо большие пластины или иные тела с большой емкостью, подключенные к клеммам, катушка способна на очень быстрые колебания.
Потенциал можно поднимать, насколько считает нужным экспериментатор, путем увеличения скорости изменения первичного тока. Если катушка не сильно отличается от этой, то лучше всего соединить две первичных обмотки параллельно; но если вторичная обмотка будет иметь гораздо большее число витков, то тогда лучше соединять первичные обмотки последовательно. В противном случае колебания могут оказаться слишком частыми для вторичной обмотки. В этих условиях с краев дисков извергаются нечеткие белые потоки, которые наподобие фантомов расходятся во все стороны. Если эта катушка сделана хорошо, то длина их около 25 — 30 сантиметров. Если поднести к ним руку, то никаких ощущений нет. Искра, которая может вызвать удар электрическим током, проскакивает с вывода только если руку поднести совсем близко. Если тем или иным образом сделать колебания тока в первичной обмотке прерывистыми, то это вызовет соответствующее трепетание потоков, и тогда руку или другое проводящее тело можно подносить значительно ближе к выводу, не рискуя вызвать проскок искры.
Среди множества очень красивых явлений, которые воспроизвести при помощи этой катушки, я выбрал только те, которые обнаруживают особенности, имеющие определенную новизну, и могут привести нас к некоторым интересным умозаключениям. Ни для кого не составит особого труда с ее помощью получить в лаборатории много других явлений, еще более приятных для глаз, нежели представленные здесь, но они не содержат в себе никакой новизны.
Ранние эксперименты описывают появления искр, полученных с помощью обычной большой индукционной катушки, падающих на изолированную пластину, разделяющую выводы. Совсем недавно Сименс провел некоторые эксперименты, в которых были получены прекрасные эффекты, с большим интересом наблюдавшиеся множеством людей. Несомненно, большие катушки, даже если они работают от токов низких частот, могут производить очень красивые эффекты. Тем не менее, даже самая большая когда-либо сделанная катушка не смогла бы дать даже тот величественный эффект потоков и искр, получаемый с помощью такой вот катушки с пробойным разрядом, надлежащим образом настроенной. Для общего представления, катушка, такая как эта, может легко покрыть полностью потоками пластину диаметром 1 метр. Чтобы провести подобные эксперименты наилучшим образом, следует взять очень тонкую резиновую или стеклянную пластину, на одну сторону приклеить узкое кольцо большого диаметра из оловянной фольги, а на другую — круглую шайбу, чтобы центр шайбы совпадал с центром кольца, и желательно, чтобы площадь шайбы и площадь кольца были примерно одинаковыми, для хорошей сбалансированности катушки. Шайба и кольцо должны быть подсоединены к выводам хорошо изолированными тонкими проводами. Легко наблюдать эффект емкости, получая полотно из однородных потоков, либо изящную сеть из тонких серебряных нитей, либо же массу шумных сверкающих искр, полностью покрывающих пластину.
С тех пор, как в начале прошлого года в своей статье для Американского Электротехнического Института я изложил идею о преобразовании при помощи пробойного разряда, интерес к этой теме стал значительным. Пробойный разряд дает нам возможность производить любую разность потенциалов при помощи недорогих катушек, которые работают от обычных распределительных сетей, и, что может быть еще более ценно, позволяет преобразовывать токи любой частоты в токи любой более низкой или более высокой частоты. Но главная его ценность, возможно, состоит в той помощи, которую он может оказать нам в исследовании явлений фосфоресценции, которые катушка пробойного разряда может возбуждать в бесчисленном количестве случаев, где обычная катушка, даже самая большая, не работает.
Принимая во внимание многочисленные возможности практического использования таких катушек, а также их лабораторного применения для научных исследований, не покажутся излишними, надеюсь, некоторые дополнительные замечания, касающиеся их конструктивных особенностей.
Разумеется, совершенно необходимо использовать в конструкции таких катушек провод, покрытый самой лучшей изоляцией.
Хорошие катушки получаются, если для их изготовления использовать провод, покрытый несколькими слоями хлопка, затем подвергнуть катушку кипячению в чистом воске в течении продолжительного периода времени, а после остудить при умеренном давлении. Преимущество такой катушки в том, что с ней легко обращаться, но по сравнению с катушкой, целиком погруженной в масло, она вероятно уступает в качестве результатов. Помимо этого, по-видимому, наличие большого количества воска негативно влияет на катушку, тогда как в случае масла этого нет. Возможно, это объясняется тем, что в жидкости диэлектрические потери ниже.
Сначала я использовал провода, с хлопковым и шелковым изоляционными покрытиями, которые погружались в масло, однако постепенно перешел на использование проводов с гуттаперчевой изоляцией, которая оказалась наиболее удовлетворительной. Разумеется, гуттаперчевое изоляционное покрытие добавляет катушке емкость, что является серьезным недостатком, особенно если катушка большая, и ее предполагается использовать при очень высоких частотах. Но с другой стороны, гуттаперча выдерживает намного большее напряжение, нежели той же толщины слой масла, а это ее качество следует обеспечивать любой ценой. Если катушку уже единожды поместили в масло, то никогда не следует извлекать ее из масла более чем на несколько часов, иначе гуттаперча может потрескаться, и катушка не сохранит и половины своей ценности. Вероятно, гуттаперча медленно подвергается воздействию со стороны масла, но я не нашел никаких дефектов после пребывания [катушки] в масле в течение восьми или девяти месяцев.
Я испробовал два коммерческих типа проводов с гуттаперчевым покрытием: у одного из них изоляция плотно прилегала к металлу, а у другого нет. Если не прибегать к дополнительным мерам по удалению всего воздуха, то значительно надежнее использовать первый тип провода. Я наматываю катушку в емкости с маслом так, что масло заполнило все пустоты. Между слоями провода я использую хорошо вываренную в масле ткань, толщина которой рассчитывается в зависимости от разности потенциалов между витками. При этом, как оказывается, между разными видами масла нет большой разницы; я использую парафиновое либо льняное масло.
