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.
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 Т 1 Т 2 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 Т 1 Т 1 также выведены из масла через толстые резиновые трубки t 1 t 1 . 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 s 2 s 2 — 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.
Поначалу я пытался пользоваться проводами с шелковой и хлопковой изоляцией, но постепенно пришел к тому, что надо применять изоляцию из гуттаперчи, которая более всего отвечает целям опыта. Гуттаперчевая изоляция, конечно, увеличивает емкость катушки, в особенности если катушка большая, и это усложняет получение высокой частоты; но с другой стороны, гуттаперча выдержит большую нагрузку, чем такой же слой масла, и этого результата следует добиваться любой ценой. Катушку из масла нельзя извлекать более чем на несколько часов, иначе гуттаперча потрескается и катушка уже не будет и вполовину такой хорошей. Гуттаперча, видимо, испытывает на себе воздействие масла, но по прошествии восьми-де-вяти месяцев я не обнаружил никаких повреждений.
В продаже я обнаружил два типа проводов в гуттаперче: у одного типа изоляция плотно приклеена к металлу, у другого нет. Если только определенным способом не устранить воздух из-под оплетки, то первый тип безопаснее. Я наматываю катушку в масляном баке так, чтобы все пустоты заполнялись маслом. Между слоями я применяю материю, тщательно вываренную в масле, ее толщина зависит от разности потенциалов между витками. Кажется, что нет серьезной разницы в том, какое масло применять: я пользуюсь парафиновым и льняным маслом.
Для того чтобы полностью удалить воздух, очень практичный способ при работе с небольшими катушками следующий: изготовьте деревянный ящик с толстыми стенками из дерева, долгое время вываренное в масле. Доски должны быть пригнаны так, чтобы могли долгое время выдерживать внешнее давление воздуха. Когда катушку вы поместите внутрь и установите, ящик следует плотно закрыть крепкой крышкой, а крышку укрепить металлическими пластинами и запаять их. В крышке высверливаются два сквозных отверстия, в которые вставляются стеклянные трубочки, а сочленения герметизируются. Одна из трубок соединяется с вакуумным насосом, а другая — с сосудом, содержащим достаточное количество олифы. Последняя трубка имеет в основании очень маленькое отверстие и снабжена запорным краном. Когда достигается приличный уровень вакуумирования, кран открывается и масло медленно поступает внутрь. Таким образом удается избежать больших пузырей, которые являются основной угрозой, между витками. Воздух выгоняется полностью, даже лучше, чем при кипячении, что для гуттаперчи не подходит.
Для первичной обмотки я беру обычный линейный провод с толстой хлопковой оплеткой. Жилы очень тонкого витого провода, правильно скрученные, конечно, наилучшим образом бы подошли, но их не достать.
В опытной катушке размер провода не имеет большого значения. В нашей катушке первичная обмотка из калиброванного провода № 12, а вторичная — из № 24 компании Браун и Шарп; но отдельные участки можно существенно изменять. Я бы только произвел некоторые подстройки; результат, которого мы хотим добиться, от этого не пострадает.
Я потратил какое-то время на описание кистевого разряда, потому что изучая его, мы не только услаждаем наш взор, но и получаем пищу для ума и приходим к некоторым практическим выводам. При использовании переменного тока высокого напряжения для предотвращения кистевого разряда не бывает излишней предосторожности. В основной токоведущей шине, в катушке ли, трансформаторе или конденсаторе, кистевой разряд — это главная угроза изоляции. В конденсаторе все газы должны быть тщательно удалены, ибо в нем заряженные поверхности находятся в непосредственной близости, и при высоком напряжении, — так же верно, как предмет упадет, если его отпустить, — так и изоляция будет пробита, если найдется хоть один пузырь газа, при полном же отсутствии газа конденсатор выдержит гораздо большее напряжение. Основной провод высокого напряжения может быть поврежден благодаря трещине или пустоте, тем более что в пустоте может содержаться разреженный газ; и поскольку почти невозможно избежать таких небольших недостатков, мне представляется, что в будущем доставка электроэнергии при помощи тока высокого напряжения будет происходить в жидкой изоляции. Стоимость — большой недостаток, но если мы применим масло для изоляции при передаче энергии с помощью тока напряжением, скажем, 100 000 вольт или более, то этот процесс станет настолько легким, что его трудно будет назвать достижением инженерной мысли. С масляной изоляцией и моторами переменного тока передача энергии будет безопасной и встанет на промышленную основу для расстояний не менее тысячи миль.
Особенностью масла и жидкой изоляции вообще является то, что при электрическом воздействии они выделяют пузырьки газа, который может в них присутствовать и растворяют его в своей массе задолго до того, как он может причинить какой-либо вред. Эту особенность можно наблюдать в обычной катушке, вынув первичную обмотку и закупорив один конец трубки и заполнив ее прозрачным жидким изолятором, например, парафиновым маслом. Первичная обмотка на несколько мм меньше, чем внутренний диаметр трубки, может быть помещена в масло. Когда катушка включается, то сверху сквозь масло можно увидеть множество светящихся точек — пузырьки воздуха, которые оказались там при помещении туда первичной обмотки и которые светятся вследствие интенсивной бомбардировки. Закупоренный воздух соударяется с маслом, оно начинает циркулировать, увлекая за собой часть воздуха до тех пор, пока пузырьки не растворятся, тогда светящиеся точки исчезают. Таким способом, если только не оказывается закупоренных больших воздушных пузырьков и становится невозможной циркуляция, удается избежать риска поломки, при этом лишь немного нагревается масло. Если же вместо жидкости применить твердую изоляцию, неважно, какой толщины, стал бы неизбежным пробой и поломка аппарата.
Полное удаление газов из устройства, в котором диэлектрик подвергается более или менее интенсивному воздействию меняющихся электрических полей, однако, не только желательно, но и целесообразно с точки зрения экономики. Например, в конденсаторе, если применять только твердый или только жидкий диэлектрик, потери будут малы; но если внутри останется газ под нормальным или низким давлением, то потери будут велики. Какова бы ни была природа сил, действующих в диэлектрике, видимо, в жидкости или твердой среде молекулярное смещение невелико, поскольку результат работы этой силы и процесса смещения незначителен — если только сила невелика; но в газах смещение и его результат огромны — молекулы движутся свободно, достигая высоких скоростей, и энергия их удара переходит в тепло или другую форму. Если газ сильно сжат, то вследствие этого смещение незначительно, а потери уменьшаются.
В большинстве следующих опытов я предпочел использовать, в основном по причине его стабильной и удовлетворительной работы, генератор переменного тока, о котором уже упоминал. Эта одна из машин, которую я построил для проведения таких опытов. Генератор имеет 384 полюса и способен выдавать ток с частотой примерно 10 000 колебаний в секунду. Об этой машине я говорил в своей лекции в Американском институте электроинженеров 20 мая 1891 года, о которой я уже упоминал. Более подробное описание, достаточное, чтобы по нему создать подобный аппарат, можно найти в нескольких профильных журналах этого периода.
Катушки, работающие от этого прибора, довольно малы и имеют от 5 000 до 15 000 витков во вторичной обмотке. Они помещены в прокипяченное льняное масло и находятся в деревянных ящиках, обшитых цинковыми пластинами.
Я счел целесообразным поменять местами обмотки и намотать в этих катушках первичные обмотки сверху; это позволяет применять большую первичную обмотку, что, конечно, уменьшает опасность перегрева и увеличивает мощность катушки. С каждой стороны первичная обмотка короче вторичной на один см для предотвращения пробоя на концах.
Когда первичная обмотка сделана подвижной, что необходимо для некоторых опытов и во много раз удобнее для настройки, я покрываю вторичную обмотку сургучом и обрабатываю на станке, доводя ее диаметр до размера немного меньшего, чем внутренний диаметр первичной обмотки. К последней пристраиваю рукоятку, выступающую из масла, служащую для того, чтобы сдвигать ее по отношению к вторичной.
Теперь позволю себе сделать несколько замечаний в отношении управления катушками индуктивности, которые были опущены в описаниях прошлых опытов.
Вторичная обмотка имеет такую индуктивность, что сила тока, протекающего через провод, очень мала и может быть такой, даже если выводы катушки соединены между собой проводником небольшого сопротивления. Если к выводам присоединить какую-либо емкость, то самоиндукция компенсируется и через вторичную обмотку течет ток большей силы, хотя выводы изолированы. Для человека, совсем незнакомого со свойствами переменного тока, не может быть ничего более загадочного. Эта особенность была продемонстрирована в опыте, где присутствовали металлическая сетка, соединенная с выводами катушки, и резиновая пластина. Когда проволочные сетки подносили близко друг к другу, между ними возникала небольшая дуга, мешавшая прохождению тока большой силы через вторичную обмотку, так как устраняла емкость на выводах; когда между выводами помещали резиновую пластину, емкость созданного конденсатора компенсировала самоиндукцию катушки, и разряд был гораздо сильнее.
Первостепенная задача, следовательно, соединить емкость со вторичной обмоткой, чтобы преодолеть самоиндукцию. Если частота и потенциал очень высоки, то газообразное вещество надлежит тщательно изолировать от заряженных поверхностей. Если использовать лейденские банки, находящиеся под большим напряжением, то их надо погрузить в масло, в противном случае происходит значительное рассеивание. При высоких частотах также важно соединить конденсатор с первичной обмоткой. Можно соединить конденсатор с концами первичной обмотки или выводами генератора, но последнее не рекомендуется, так как устройство можно повредить. Лучше всего, без сомнения, включить конденсатор последовательно с первичной обмоткой и генератором и настроить его емкость так, чтобы устранить самоиндукцию в этих приборах. Конденсатор должен иметь очень тонкую подстройку, для этого удобно применять небольшой масляный конденсатор с подвижными пластинами.
В настоящий момент считаю лучше всего продемонстрировать вам явление, которое я наблюдал не так давно, и которое с чисто научной точки зрения может показаться более интересным, чем всё то, о чем я собирался вам поведать сегодня вечером. Было бы правильным квалифицировать его как разновидность кистевого разряда, формируемого поблизости от выводов или непосредственно на одном из них в вакууме.
В колбе, имеющей проводящий вывод, даже если он алюминиевый, кистевой разряд недолговечен, и, к сожалению, даже в том случае, если из колбы удалить электрод. При исследовании одного явления, несомненно, следует пользоваться колбой, в которой нет подводящего провода. Я выяснил, что лучше всего пользоваться такими колбами, какие показаны на рисунках 12 и 13.
На рисунке 12 лампа состоит из колбы L, в основание которой запаяна трубка барометра Ь, конец которой запаян в форме небольшого шара s.
Эта сфера должна быть как можно лучше запаяна в центре большой колбы. Перед запайкой тонкую трубку t, изготовленную из алюминиевого листа, можно поместить внутрь трубки барометра, но это не принципиально. Небольшой полый шар s заполняется порошком проводника, а в горловине w укрепляется провод, соединяющий порошок с генератором.
Конструкция на рисунке 13 была выбрана с целью удалить из кисти любой проводник, могущий оказать на нее воздействие. Лампа в данном случае состоит из колбы L, у которой имеется горловина п с трубкой Ь и небольшим шаром s, припаянным к ней так, чтобы образовать две отдельных емкости, как показано на рисунке. Когда лампа работает, горловина п, покрытая фольгой, которая соединена с генератором и действует индуктивно в относительно разреженном и токопроводящем газе, содержащемся в ней. Оттуда ток поступает через трубку Ь в небольшой шар $, чтобы индуктивно воздействовать на газ, содержащийся в колбе L. Лучше всего сделать трубку t очень толстой, отверстие в ней очень маленьким, а шар 5 выдуть тонким. Крайне важно поместить шар 5 точно в центр колбы L.
На рисунках 14, 15 и 16 показаны разные формы, или стадии, кисти. На рисунке 14 показано, как разряд возникает в колбе, имеющей проводящий вывод: но поскольку в такой колбе он очень скоро исчезает — часто за несколько минут, — я продолжу описывать это явление так, как оно видится в колбе, где нет электрода. Оно наблюдается при следующих условиях: Когда из колбы L (рисунок 12 и 13) максимально откачан воздух, обычно она не возбуждается при соединении провода w (рисунок 12) или фольги (рисунок 13) с выводом катушки. Для возбуждения обычно достаточно дотронуться рукой до колбы L. Тогда поначалу в колбе возникает интенсивное свечение а затем оно уступает место белому туманному свету. Вскоре после этого можно заметить, что освещенность в колбе распределяется неравномерно, а после прохождения тока в течение како- го-то времени лампа принимает вид как на рисунке 15. После этого явление переходит в фазу, показанную на рисунке 16, т. е. через несколько минут, часов, дней или недель, в зависимости от того, как эксплуатируется лампа. Нагревание лампы или увеличение напряжения ускоряет этот переход.
Когда кисть принимает форму, показанную на рисунке 16, она может стать очень чувствительной к электростатическому и магнитному воздействию. Если лампа висит на прямом проводе и все предметы удалены от нее, а к ней приблизится на несколько шагов наблюдатель, то это заставит разряд переместиться на другую сторону, а если наблюдатель будет ходить вокруг нее, то разряд всегда будет находиться на противоположной стороне. Он может начать вращение вокруг вывода задолго до того, как достигнет этой чувствительной фазы. Когда начинается вращение, да и несколько раньше тоже, на него оказывает влияние магнит, а на определенной стадии он становится крайне восприимчивым к его влиянию. Небольшой постоянный магнит, полюса которого отстоят друг от друга на расстоянии двух сантиметров не более, зримо воздействует на кисть на расстоянии двух метров, замедляя или ускоряя ее вращение в зависимости от того, как он расположен по отношению к ней. Мне кажется, я заметил, что в тот момент, когда кисть наиболее чувствительна к магнитному воздействию, она не так подвержена влиянию электростатического поля. Мое объяснение таково: электростатическое притяжение между кистью и стеклом колбы, которое задерживает вращение, растет гораздо быстрее, чем магнитное воздействие, когда возрастает интенсивность потока.
Когда лампочка висит на проводе колбой L вниз, вращение всегда по часовой стрелке. В южном полушарии вращение произойдет в обратную сторону, а на экваторе его не будет вовсе. Вращение может быть реверсировано при помощи магнита, если его держать на некотором расстоянии. Кисть, кажется, вращается лучше всего, когда она находится под прямым углом к действию сил притяжения Земли. На максимальной скорости она скорее всего вращается синхронно с колебаниями тока, скажем, 10 000 раз в секунду. Вращение можно замедлить или ускорить при приближении или удалении наблюдателя или любого проводника, но его нельзя начать в противоположную сторону, переместив колбу. Когда разряд находится на пике чувствительности и потенциал или частота меняются, чувствительность падает. Даже небольшое изменение любого из этих параметров прекращает вращение. Чувствительность также подвержена влиянию температурных изменений. Для достижения наибольшей чувствительности требуется, чтобы небольшой шар s был в центре колбы L, так как в противном случае электростатическое воздействие стеклянной колбы будет препятствовать вращению. Шар s должен быть небольшим и одной толщины; его асимметричность, конечно, приведет к потере чувствительности.
Тот факт, что кисть вращается в постоянном магнитном поле в определенном направлении показывает, что в переменном токе высокой частоты положительные и отрицательные импульсы не равны, но один всегда больше другого.
Конечно, вращение в одном направлении может быть вызвано действием двух составляющих тока друг на друга, или действием поля, произведенного одним из элементов, на другое поле, как в сериесном моторе, причем необязательно, чтобы один импульс был сильнее другого. Тот факт, что кисть вращается в любом положении, говорит в пользу этого мнения. В таком случае она будет вращаться в любой точке земной поверхности. Но, с другой стороны, трудно объяснить, почему постоянный магнит реверсирует ее вращение, и приходится согласиться с мнением о преобладании импульсов одного вида.
Что же касается самого формирования кисти или потока, полагаю, это происходит вследствие электростатического воздействия колбы и асимметрии частей. Если бы маленькая колба s и большая колба L были абсолютно концентрическими сферами, а стекло имело во всех точках одинаковую толщину и качество, думаю, кисть не формировалась бы, так как со всех сторон имелась бы одинаковая тенденция к прохождению разряда. То, что создание потока объясняется неравномерностью, очевидно, следует из того факта, что он имеет тенденцию оставаться в одном положении, а вращение происходит только тогда, когда его выводят из равновесия под воздействием электростатического или магнитного поля. Когда, достигнув максимальной чувствительности, он находится в одном положении, с ним можно проводить любопытные опыты. Например, экспериментатор может, выбрав правильное положение, поднести руку на достаточно значительном расстоянии к лампе и заставить кисть передвинуться простым напряжением мышц. Когда она начинает вращаться и руки находятся на нужном расстоянии, нельзя сделать и малейшего движения, чтобы кисть не отреагировала. Металлическая пластина, соединенная с другим выводом катушки, воздействует на нее на большом расстоянии, замедляя вращение на один оборот в секунду.
Я полностью убежден, что такая кисть, когда мы научимся ее правильно формировать, послужит полезным инструментом в изучении природы сил, действующих в электростатических и магнитных полях. Если есть какое-либо движение в пространстве, которое можно измерить, то кисть поможет обнаружить его. Это, так сказать, луч света, движущийся без трения и лишенный инерции.
Полагаю, что это явление может найти практическое применение в телеграфии. При помощи такой кисти можно посылать сообщения, например, через Атлантику с любой скоростью, так как ее чувствительность может быть настолько велика, что любое изменение будет оказывать на нее воздействие. Если бы можно было сделать поток очень интенсивным и очень узким, то его отражения можно было бы легко сфотографировать.
Мне было интересно выяснить, вращается ли сам поток или в колбе происходит только передвижение заряда под напряжением. Для этих целей я установил небольшую слюдяную крыльчатку, чьи лопасти находились на пути щетки. Если движение потока есть, то крыльчатка завертится. Мне не удалось получить отчетливого вращения крыльчатки, хотя я повторял опыт снова и снова; но поскольку крыльчатка оказывала видимое влияние на поток, и очевидное вращение последнего не было достаточно удовлетворительным, эксперимент не привел к определенным выводам.
Мне не удалось получить это явление от разрядной катушки, хотя каждое второе такое явление с ее помощью можно получить — много и фактически гораздо лучше, чем от катушки, запитанной от генератора.
Возможно, можно получить кистевой разряд при помощи однонаправленных импульсов или от постоянного потенциала, в таком случае он будет более восприимчив к магнитным полям.
При работе с индукционной катушкой на токах высокой частоты мы с удивлением впервые понимаем, как важно соотношение емкости, самоиндукции и частоты для конечного результата. Воздействие емкости наиболее впечатляет, так как в этих опытах самоиндукция и частота очень высоки, а критическая емкость очень мала, и нужны небольшие изменения для получения впечатляющих изменений. Экспериментатор может прикоснуться к выводам вторичной обмотки или присоединить к одному или обоим выводам изолированные предметы небольшого объема, такие, как, например, лампочки, и может получить значительное увеличение или снижение напряжения, а также значительно повлиять на ток в первичной обмотке. В ранее показанном опыте, когда разряд щетки появляется на проводе, присоединенном к одному выводу катушки, и провод колеблется, когда экспериментатор прикасается изолированным предметом к другому выводу катушки, очевидно наблюдается внезапный рост потенциала.
Я могу показать вам, как катушка ведет себя по-иному, и это тоже интересно. Здесь у меня небольшая алюминиевая крыльчатка, присоединенная к игле и способная свободно вращаться на металлическом предмете, прикрученном к выводу катушки. Когда катушка включается, молекулы воздуха ритмично притягиваются и отталкиваются. Так как сила отталкивания больше силы притяжения, то на лопасти крыльчатки оказывается соответствующее сильное воздействие. Если бы крыльчатка была изготовлена из простой металлической пластины, то сила отталкивания была бы одинаковой для обеих ее сторон и не оказывала никакого действия. Но если одну из поверхностей экранировать, или бомбардировку этой поверхности ослабить тем или иным способом, сила отталкивания продолжает воздействовать на другую сторону, и крыльчатка начинает вращаться. Экранирование лучше всего осуществить, разместив на одной из сторон изолированное токопроводящее покрытие, или, если крыльчатка сделана в форме обычного пропеллера, разместив на одной из сторон, ближе к ней, изолированную металлическую пластину. Без статического экрана, однако, можно обойтись, воспользовавшись толщиной изолятора, прикрепленного к одной из сторон крыльчатки.
Для того чтобы показать поведение катушки, крыльчатку можно разместить на выводе и она сразу станет вращаться, когда через катушку пропускается ток очень высокой частоты. При постоянном потенциале, конечно, и даже при работе тока низкой частоты, она не будет вращаться, вследствие очень незначительного обмена воздуха и слабой бомбардировки; но в последнем случае она будет вращаться, если потенциал очень высок. Колесико на шпильке, наоборот, подтверждает правильность другого правила: оно вращается лучше всего при постоянном потенциале, а усилие тем меньше, чем выше частота. Итак, довольно легко настроить условия таким образом, чтобы потенциала было недостаточно для вращения крыльчатки, но чтобы при соединении другого вывода катушки с изолированным предметом он поднимался до значения, при котором крыльчатка вращается, и чтобы также было нетрудно остановить вращение, присоединив к выводу предмет других размеров, уменьшающий потенциал.
Вместо крыльчатки в этом опыте мы можем использовать «электрический» радиометр, который даст такой же эффект. Но в таком случае выясняется, что лопасти вращаются только при разрежении или обычном давлении; при небольшом повышенном давлении они вращаться не будут, так как воздух имеет высокие токопроводящие свойства. Это любопытное наблюдение было сделано совместно — мной и профессором Круксом. Я приписываю результат высокой токопроводящей способности воздуха, молекулы которого не ведут себя, как отдельные носители зарядов, но действуют как единый проводник. В таком случае, конечно, если вообще существует отталкивание молекул от лопастей, эта сила должна быть очень мала. Возможно, однако, что результат отчасти объясняется тем, что большая часть заряда проходит по подводящему проводу через газ-проводник вместо того, чтобы рассеиваться с проводящих лопастей.
При попытках воспроизвести описанный опыт с электрическим радиометром потенциал не должен превышать определенного значения, так как электростатическое притяжение между колбой и лопастями может быть настолько сильным, что вращение прекратится.
Самой любопытной особенностью переменных токов высокой частоты и напряжения является то, что они позволяют нам проводить опыты с одним проводом. Во многих отношениях эта особенность представляет огромный интерес.
В том типе мотора переменного тока, который я изобрел несколько лет назад, я добивался вращения путем индукции при помощи однофазного переменного тока, пропущенного через контур мотора, на массе мотора или в других его контурах, вторичных токов, которые, вместе с первичными, или индукционными токами, создавали движущее силовое поле. Простую и несколько грубоватую форму такого мотора можно получить, намотав на железный сердечник первичную обмотку, а рядом с ней вторичную, соединив концы последней, и поместив свободно вращающийся металлический диск в поле обеих обмоток. Железный сердечник применяется в силу очевидных причин, но это не принципиально для опыта. Для улучшения работы мотора, железный сердечник сделан так, что он охватывает якорь. Еще одно улучшение — вторичная обмотка частично наложена на первичную, с тем чтобы она не была свободна от ее индукционного воздействия и не отталкивала силовых линий ее поля. И еще одно улучшение — надлежащий сдвиг по фазе между первичным и вторичным токами достигается при помощи конденсатора, самоиндукции, сопротивления или соответствующих витков.
Я выяснил, однако, что вращение достигается при помощи одной обмотки и сердечника, и объясняю это явление тем, и это главная мысль при проведении опыта, что при намагничивании сердечника существует отставание по времени. Я помню, с каким удовольствием в записках профессора Эйртона, которые попали ко мне позже, я прочитал об идее временной задержки. Действительно ли это временная задержка или запаздывание происходит благодаря действию вихревых токов, циркулирующих в устройстве, — этот вопрос открыт, но фактом остается то, что если через обмотку, намотанную на железный сердечник, пропустить переменный ток, создается силовое движущее поле, способное привести якорь в движение. Интересно упомянуть, с связи с историческим опытом Араго, что в моторах, основанных на задержке или сдвиге по фазе, я добивался вращения в направлении, обратном направлению движения поля, что означает, что в том опыте магнит может не вращаться, а может вращаться в направлении, противоположном направлению вращения диска. Вот перед нами мотор (схематично показанный на рисунке 17), состоящий из обмотки и железного сердечника, а также свободно подвешенного медного диска, расположенного вблизи сердечника.
Для демонстрации новой и интересной особенности я выбрал, по причине, которую объясню, именно этот тип мотора. Когда концы обмотки соединяются с выводами генератора, диск начинает вращение. Но это не тот опыт, теперь уже хорошо известный, а показать хочу тот, где этот мотор вращается при помощи только одного подключенного вывода, то есть, один вывод мотора соединен с одним выводом генератора — в нашем случае со вторичной обмоткой индукционной катушки высокого напряжения, — другие выводы мотора и генератора изолированы и свободны. Для получения вращения обычно (но не абсолютно всегда) необходимо присоединить свободный конец обмотки мотора к изолированному предмету какого-либо размера. Тела экспериментатора более чем достаточно. Если он дотронется предметом, который держит в руке, до свободного вывода, то через обмотку пройдет ток и диск начнет вращение. Если к обмотке последовательно подключить вакуумную трубку, то она ярко засветится, указывая на наличие сильного тока. Вместо тела экспериментатора с тем же успехом можно использовать металлическую пластину, подвешенную на проводящем шнуре. В данном случае пластина действует как конденсатор, подключенный последовательно к обмотке. Она компенсирует самоиндукцию последней и позволяет прохождение сильного тока. В таком сочетании чем больше самоиндукция, тем меньше должна быть пластина, а это означает, что для работы мотора требуется более низкая частота, следовательно, и более низкое напряжение. Одна обмотка, намотанная на сердечник, имеет высокий показатель самоиндукции; в основном по этой причине данный мотор был выбран для проведения этого опыта. Если бы мы имели на сердечнике вторичную обмотку, то она уменьшала бы самоиндукцию, и нам потребовались бы высокая частота и напряжение. Ни то, ни другое нежелательно, так как высокий потенциал мог нанести вред изоляции небольшой первичной обмотки, а высокая частота привела бы к уменьшению вращательного момента.
Следует отметить, когда в таком моторе применяется замкнутая вторичная обмотка, совсем нелегко при высокой частоте получить вращение, поскольку вторичная обмотка почти полностью отсекает силовые линии первичной — и тем сильнее, чем выше частота, позволяя проходить только слабому току. В таком случае, если только вторичная обмотка не замкнута через конденсатор, крайне важно, чтобы добиться вращения, расположить первичную и вторичную обмотки более или менее внахлест.
Но у этого мотора есть и еще одна интересная особенность, а именно: между мотором и генератором вообще не требуется никаких соединений, может быть, только через землю, ибо изолированная пластина способна не только отдавать энергию в пространство, но и получать ее из переменного электростатического поля, хотя в последнем случае количество энергии намного меньше. В данном примере один из выводов мотора соединен с изолированной пластиной или предметом, находящемся в переменном электростатическом поле, а другой вывод предпочтительно заземлен.
Вполне возможно, однако, что такие «беспроводные», если их можно так назвать, моторы могут работать от передачи энергии через разреженный воздух с больших расстояний. Переменные токи, особенно высокочастотные, поразительно свободно проходят даже через слаборазреженные газы. Верхние слои воздуха разрежены. Для того чтобы продвинуться на несколько миль в пространстве, требуется преодолеть лишь механические трудности. Нет никакого сомнения в том, что при высоких потенциалах, которые можно получить при помощи высоких частот и масляной изоляции, светящиеся разряды могут преодолевать многие мили в разреженном воздухе, и что таким способом, используя энергию в несколько сот тысяч лошадиных сил, можно питать моторы и лампы на значительном расстоянии от стационарных источников. Но подобные схемы я упоминаю только как возможные. Нам вообще не потребуется передача энергии. Прежде чем сменятся несколько поколений, наши машины будут получать энергию в любой точке вселенной. Эта идея не нова. Человечество пришло к ней уже давно, ведомое разумом и инстинктом. Ее высказывали по-разному и в разных местах в древнейшей и новейшей истории. Мы находим ее в прекрасном мифе об Антее, который использует мощь Земли; мы находим ее в тонких размышлениях одного из ваших выдающихся математиков и во многих намеках и высказываниях мыслителей современности. Везде в космосе есть энергия. Она статическая'или кинетическая? Если статическая, то наши надежды напрасны; если кинетическая — а мы знаем, что это так, уверены в этом, — то только вопрос времени, когда же люди смогут подключиться к самой природной сети. Из всех, живых и мертвых, Крукс наиболее приблизился к решению. Его радиометр вращается при свете дня и во тьме ночи; он вращается везде, где есть тепло, а тепло есть везде. Но, к сожалению, его прекрасное маленькое устройство, что касается развития, а это и есть самое интересное, следует внести в список самых неэффективных машин, которые когда-либо создавались!
Описанный перед этим опыт только один из ряда равно интересных экспериментов, которые можно производить, применяя только один провод, с переменным током высокого потенциала и высокой частоты. Мы можем подключить изолированный провод к источнику такого тока, пропустить по нему ток малой силы, и в любой его точке получить сильный ток, способный расплавить толстый медный провод. Или можем, при помощи какого-нибудь устройства, разлагать раствор в любой электролитической ячейке, соединив один из полюсов банки с таким проводом или источником энергии. Мы также можем, присоединив к проводу или только приблизив к нему, зажечь лампу накаливания, вакуумную трубку или флюоресцентную колбу.
Каким бы неприемлемым ни казался этот план действий во многих случаях, он всё же практичен, и рекомендуется для производства света. Усовершенствованная лампа потребует небольшого количества энергии, и если провода вообще потребуются, мы должны будем научиться подавать такую энергию без обратного провода.
Теперь признанным фактом является то, что тело можно накалить или заставить светиться, либо подключив его одним проводом, либо просто приблизив к источнику импульсов надлежащего характера, и что в таком случае количества света достаточно для того, чтобы изготовить практичный источник его. Следовательно, по меньшей мере, стоит постараться определить наилучшие условия и изобрести наилучшие приборы для достижения такой цели.
Некоторый опыт в этом направлении уже имеется. И я остановлюсь на нем подробнее в надежде на то, что эти эксперименты окажутся полезными.
Нагрев проводника, заключенного в колбу и присоединенного к источнику переменного тока большой частоты, зависит от стольких вещей различной природы, что трудно сформулировать общее правило, по которому происходит максимальный нагрев. Что касается размеров сосуда, то недавно я обнаружил, что при обычном или близком к обычному атмосферном давлении, когда воздух хорошо изолирует, и, следовательно, практически такое же количество энергии той же частоты и потенциала отдается предметом, неважно большая колба или маленькая, предмет хорошо нагревается, если его заключить в небольшую колбу, так как локализация тепла в этом случае выше.
При пониженном давлении, когда воздух более или менее проводит ток, или если воздух достаточно нагрет для того, чтобы стать проводником, тело накаляется сильнее в более просторной колбе, очевидно, потому, что при всех одинаковых условиях испытания, тело отдает больше энергии в большой колбе.
При высокой степени вакуумизации, когда вещество в колбе становится «лучистым», у большой колбы также имеется преимущество, но совсем небольшое.
И, наконец, при крайне высокой степени разряжения, которой нельзя достичь без применения специальной аппаратуры, за исключением случаев, когда сосуд очень мал, нет различимых отличий в степени нагрева.
Эти наблюдения явились результатом нескольких опытов, из которых один, который демонстрирует эффект размера колбы при высокой степени разряжения, можно описать, так как он имеет интересную особенность. Взяли три круглые колбы диаметром 2, 3 и 4 дюйма и в центре каждой поместили нить накаливания одинаковой длины и толщины. В каждой колбе часть нити была соединена с платиновым подводящим проводом, помещенным в стеклянную ножку, впаянную в колбу; при этом, конечно, прилагались все усилия для того, чтобы во всех трех случаях устройство было одинаковым. Каждая была заключена в трубку из полированного алюминия, которая удерживалась пружиной. Назначение этой алюминиевой трубки будет объяснено позже. В каждой колбе часть нити одинаковой длины выступала из металлической трубки. Теперь достаточно сказать, что при таких условиях нити одинаковой длины и толщины — иными словами тела одинакового объема — накаливались. Три колбы были припаяны к стеклянной трубке, соединявшейся с насосом Шпренгеля. При достижении высокой степени разряжения стеклянная трубка была запаяна. Затем был подан ток последовательно к каждой колбе и было обнаружено, что все нити накалились примерно одинаково, разве только самая маленькая колба, расположенная между двумя побольше, светилась немного ярче. Этот результат был ожидаем, так как, когда загоралась каждая из ламп, свечение проходило через две другие, поскольку все три колбы представляли собой один сосуд. Когда все три лампы соединили с катушкой параллельно, в самой большой нить горела ярче всех, в средней немного тусклее, а в самой маленькой нить была немного красной. Затем колбы запаяли и включали отдельно. Яркость нитей теперь была такова, какой должна была быть, исходя из предположения, что отдаваемая энергия пропорциональна поверхности колбы, причем эта поверхность в каждом случае представляет собой одну из пластин конденсатора. Соответственно, разница между самой большой и средней была меньше, чем разница между средней и маленькой колбами.
Во время этого опыта было сделано интересное наблюдение. Все три колбы подвесили на оголенном проводе, соединенном с выводом катушки, большую — на конце провода, маленькую — на некотором расстоянии, а среднюю — на таком же расстоянии от маленькой. Нити в обеих больших лампах горели, как и ожидалось, в то время как в маленькой она не добрала и ожидаемой степени свечения. Это наблюдение заставило меня сменить положение ламп, и тогда я обнаружил, что какая бы лампа ни оказалась в середине, она будет гореть тусклее, чем с краю. Этот загадочный результат, конечно, был отнесен на счет электростатического воздействия ламп друг на друга. Когда их поместили вдали друг от друга или в углах равнобедренного треугольника из медного провода, они горели соответственно своему размеру.
Что касается формы сосуда, то она тоже важна, тем более при высокой степени вакуумирования. Из всех возможных конструкций наиболее предпочтительна шарообразная с телом из тугоплавкого материала внутри. По опыту ясно, что в таком шаре тугоплавкий предмет определенных размеров значительно легче накалить, чем в колбе другой формы. Преимущество также заключается в придании телу накаливания формы шара, по очевидным причинам. В любом случае тело надо поместить в центр, где атомы, отскакивающие от стен, соударяются. Этой цели легче всего достичь в сферической колбе; но она достижима и в цилиндрическом сосуде, где нить или нити расположены на его оси, а возможно и в параболическом сосуде или сферическом, где тугоплавкие части помещены в его фокусе; хотя последнее вряд ли возможно, так как наэлектризованные атомы должны в любом случае нормально отталкиваться от поверхности, с которой они соударяются, если только скорости не крайние, тогда они, возможно, будут следовать общим правилам отражения. Неважно, какой формы сосуд, если воздух откачан слабо, нити, помещенные в любую точку, будут накаливаться одинаково; но если воздух откачан сильно и колба имеет сферическую или грушевидную форму, как обычно, то образуются фокальные точки и нить накаливается сильнее всего в этих точках или поблизости от них.
Для иллюстрации этого эффекта у меня имеются две небольшие одинаковые колбы с разной степенью вакуумирования. При подключении к катушке нить в той колбе, откуда воздух откачан слабо, накаливается одинаково по всей длине, в то время как в последней та часть нити, что расположена ближе к центру колбы, светится гораздо более интенсивно, чем остальные. Любопытно то, что это явление наблюдается, даже если две нити поместить внутрь и каждую соединить с выводом катушки, и, что еще более любопытно, если они расположены рядом, конечно, при условии, что воздух совсем откачан. Во время опытов я заметил, что нити перегорают в определенный момент, и вначале приписывал это качеству угля. Но когда это произошло несколько раз подряд, понял, почему это происходит.
Для того чтобы накалить тугоплавкое тело в колбе, желательно, по причине экономии, чтобы вся переданная в колбу от источника энергия достигла этого тела без потерь; оттуда, и только оттуда, она должна испускаться. Конечно, не подлежит сомнению, что нельзя достичь этой теоретической цели, но при помощи правильной конструкции осветительного прибора можно приблизиться к ее достижению.
По многим причинам накаливаемое тело помещают в центр колбы, обычно оно расположено на стеклянной ножке, через которую проходит подводящий провод. Поскольку потенциал на этом проводе переменный, то разреженный газ вокруг этой ножки подвергается индукции, она нагревается и подвержена бомбардировке. Таким образом, большая часть энергии, предназначенная для освещения, — особенно, когда используется высокая частота, — может теряться. Дабы избежать этих потерь,чили по крайней мере свести их к минимуму, я обычно экранирую разреженный газ от индукции провода, помещая его в трубку из проводника. Сомнений не вызывает, что из всех металлов для этой цели наиболее пригоден алюминий по причине своих многочисленных замечательных свойств. Единственный его недостаток в том, что он легкоплавкий и, следовательно, надо правильно разместить его по отношению к телу накаливания. Обычно изготавливается трубочка, диаметр которой немного меньше диаметра стеклянной ножки, и надевается на нее. Трубочка изготавливается путем оборачивания на токарном станке алюминиевой полосы нужного размера вокруг сердечника, при этом надо зажимать полоску плотно при помощи чистой замши или промокательной бумаги, а сердечник вращать очень быстро. Полоска плотно наматывается вокруг сердечника и таким образом получается двух- или трехслойная трубка. При надевании на ножку давления обычно хватает, чтобы трубочка не соскользнула, но для верности нижнюю кромку стоит загнуть внутрь. Верхний внутренний угол полоски — тот, что ближе всего к телу накаливания, — следует отрезать по диагонали, так как он, находясь ближе всего к источнику тепла, часто заворачивается и почти касается или даже касается подводящего провода или нити, поддерживающей тело накаливания. В таком случае большая часть поступающей в колбу энергии расходуется на нагревание трубочки, и лампа становится бесполезной. Алюминиевая трубочка должна выступать над стеклянной ножкой — на дюйм или два, — в противном случае стекло будет находиться слишком близко к раскаленному предмету, сильно нагреется и станет более или менее сносным проводником и вследствие своей проводимости установит электрический контакт между металлической трубкой и подводящим проводом, причем большая часть энергии, опять же, израсходуется на нагрев последнего. Посему лучше сделать верхний конец трубки диаметром в 1 дюйм или меньше. Для того чтобы еще уменьшить опасность, возникающую от нагревания стеклянной ножки, а также для того, чтобы предотвратить контакт между металлической трубкой и электродом, предпочитаю обернуть ножку несколькими слоями тонкой слюды, которая по ширине совпадает с металлической трубкой. В некоторых колбах я также применял внешний изолирующий колпачок.
Приведенные замечания предназначены для экспериментаторов на первых стадиях опытов, так как трудности, с которыми они встретятся в дальнейшем, каждый преодолеет по-своему.
Для иллюстрации эффекта экранирования я взял две лампы одинакового размера, размещение их стеклянных ножек, проводов подводки и соединенных с ними элементов накаливания должно быть абсолютно одинаковым. Ножка одной лампы имеет алюминиевый колпачок, на ножке другой его нет. Сначала обе лампы были соединены с насосом Шпренгеля. Когда был максимально откачан воздух, скачала отсоединили и запаяли основную трубку, затем обе лампы. Итак, уровень разряжения в обеих одинаков. Когда их поочередно соединяют с катушкой, дающей определенный потенциал, угольная нить той лампы, где есть металлический колпачок, сильно накаливается, в то время как нить другой лампы, при том же потенциале, даже не краснеет, хотя фактически получает больше энергии, чем первая. Если их вместе подключить к выводу катушки, разница станет еще заметнее, что демонстрирует важность экранирования. Металлический колпачок, надетый на стеклянную ножку с подводящим проводом, фактически выполняет две функции. Первая — он работает более или менее как электростатический экран, таким образом экономя энергию, подаваемую в лампу, и вторая — каким бы плохим экраном он ни был, он выполняет механическую задачу по предотвращению бомбардировки, и соответственно, интенсивного нагрева и возможного повреждения тонкой опоры элемента накаливания, или стеклянной ножки с подводящим проводом. Я говорю тонкой опоры, ибо очевидно, что для более полной локализации тепла на элементе накаливания его опора должна быть действительно тонкой, чтобы забирать как можно меньше тепла вследствие своей проводимости. Из всех опробованных опор я обнаружил, что наилучшая — это обычная нить накаливания, в основном потому, что из всех проводников она может выдерживать наибольшую степень нагрева.
Эффективность металлической трубки, как электростатического экрана, зависит от степени разряжения.
При крайне высокой степени разряжения, которая достигается с трудом при помощи насоса Шпренгеля, когда вещество внутри колбы в состоянии крайне высокой излучательной способности, трубка действует наиболее эффективно. Тень от верхнего края трубки ясно проступает на колбе.
При немного меньшей степени разряжения, которую можно назвать обычным «неударным» вакуумом, и когда частицы вещества в основном движутся по прямой, экран всё еще хорошо работает. Для того чтобы пояснить предыдущее высказывание, необходимо сказать, что то, что есть «неударный» вакуум для катушки, работающей, как обычно, от импульсов, или тока низкой частоты, не является даже близко таковым, когда катушка работает от тока очень высокой частоты. В таком случае разряд очень свободно может пройти через разреженный газ, через который может не пройти низкочастотный разряд, даже если потенциал будет гораздо выше. При нормальном атмосферном давлении имеет место противоположное правило: чем выше частота, тем меньше вероятность пробоя искры между выводами, особенно если это разрядные головки или шары определенного размера.
И наконец, при низкой степени разряжения, когда газ хорошо проводит ток, металлическая трубка не только не действует, как электростатический экран, но и является недостатком конструкции, усиливающим боковое рассеивание энергии от подводящего провода. Этого, конечно, следует ожидать. В данном случае металлическая трубка хорошо контактирует с подводящим проводом и большая часть бомбардировки направлена на трубку. Если электрический контакт слаб, то трубка всё-таки полезна, хотя она, может быть, и не экономит энергию, но всё же защищает опору элемента накаливания, а также служит для концентрации энергии на нем.
Если алюминиевая трубка призвана выполнять функцию экрана, то ее полезность ограничивается степенью откачки воздуха, когда она изолирована от электрода, то есть, когда газ в целом не проводник, и молекулы или атомы действуют как независимые отдельные носители зарядов.
В дополнение к работе в качестве эффективного экрана, в истинном понимании этого слова, токопроводящая трубка или покрытие могут также играть роль, по причине своей токопроводимости, компенсатора или демпфера во время бомбардировки стеклянной ножки. Предположим следующую ситуацию: при ритмической бомбардировке проводящей трубки, по причине ее несовершенства как экрана, обязательно должно случиться так, что некоторые молекулы или атомы ударят по трубке ранее других. Те, что ударятся первыми, отдадут свой избыточный заряд, и трубка наэлектризуется, причем электризация моментально распространится по ней. Но это должно уменьшить количество энергии, теряемой при бомбардировке по двум причинам: первая — заряд, отданный атомами, распространяется по большому участку поверхности, следовательно, электрическая плотность в любой точке уменьшается и атомы отталкиваются с меньшей энергией, чем если бы они ударились о хороший изолятор; вторая — так как трубка наэлектризована атомами, которые первыми вступили с ней в контакт, продвижение следующих атомов к трубке затрудняется отталкивающей силой, с которой трубка должна воздействовать на одинаково заряженные атомы. Эта сила должна оттолкнуть значительное количество атомов от трубки и, во всяком случае, уменьшить энергию их удара. Ясно, что чем ниже уровень разреженности, тем лучшим проводником является газ, и ни один из вышеуказанных эффектов не может иметь место, а, с другой стороны, чем меньше количество атомов, тем с большей скоростью они движутся; иными словами, чем тщательнее откачан воздух, до определенного предела, тем более отчетливыми будут оба явления.
То, что я сейчас сказал, может служить объяснением явлению, наблюдавшемуся профессором Круксом, а именно: разряд в колбе гораздо сильнее, когда в ней находится изолятор, а не проводник. По моему мнению, проводник служит демпфером для движущихся атомов двумя указанными способами, поэтому для того чтобы сформировать видимый разряд, требуется гораздо более высокий потенциал, если в колбе проводник, имеющий значительную площадь поверхности.
Для того чтобы разъяснить эти высказывания, я должен обратиться к рисункам 18, 19 и 20, на которых показаны различные конструкции широко применяемых ламп.
На рисунке 18 показана в разрезе сферическая лампа L со стеклянной ножкой 5, содержащей подводящий провод w, соединенный с нитью накаливания l, которая в свою очередь служит опорой для элемента накаливания т в центре лампы. М ~ это тонкая полоса слюды, в несколько слоев намотанная на ножку s, а а — это алюминиевая трубка.
На рисунке 19 показана такая же лампа, но уже усовершенствованная. Металлическая трубка S приклеена к горловине трубки. В самой трубке укреплена пробка Р, изготовленная из изоляционного материала, по центру которой проходит металлический вывод / для соединения с подводящим проводом w. Этот вывод должен быть хорошо изолирован от металлической трубки S, следовательно, если клей токопроводящий, — а в большинстве случаев так и бывает, — то пространство между пробкой Р и горловиной колбы надо заполнить хорошим изолятором, например слюдяным порошком.
На рисунке 20 показана лампа, изготовленная в экспериментальных целях. В этой лампе алюминиевая трубка снабжена внешним выводом для изучения поведения колпачка в различных условиях. О ней пойдет речь при описании дальнейших опытов.
Поскольку бомбардировка ножки, по которой проходит подводящий провод, происходит благодаря индуктивному воздействию провода на разреженный газ, было бы полезным уменьшить величину воздействия в практичных пределах, применив тонкий провод, изолированный толстым слоем стекла или другого материала, и как можно более сократить ту часть провода, которая проходит сквозь газ. Для выполнения этих условий я применил большую трубку Т (рисунке 21), которая немного выступает внутрь колбы, и имеет на вершине очень короткую стеклянную ножку s, в которой запаян подводящий провод w, а верхнюю часть ножки я защитил от нагревания небольшой алюминиевой трубкой а, а под ним слоем слюды, как обычно. Провод w, выходящий наружу сквозь большую трубку, должен быть хорошо изолирован, например стеклянной трубкой, а пространство внутри следует заполнить каким-либо отличным изолятором. Из всех изолирующих порошков, которые я испробовал, наилучшим является слюдяной. Если не принять эту меру предосторожности, то трубка Т, выступающая внутри колбы, непременно треснет вследствие нагрева кистевым разрядом, который имеет тенденцию появляться в верхней части трубки, там, откуда откачан воздух, в особенности, если вакуумирование высокое, и, следовательно, необходимый для работы лампы потенциал очень высок.
На рисунке 22 показана подобная конструкция, где большая трубка Т выступает внутрь колбы и несет элемент накаливания пг. В данном случае подводящий провод снаружи внутрь колбы отсутствует, а энергия поступает с покрытий конденсатора СС. При такой конструкции изолятор Р должен плотно прилегать к стеклу и быть довольно толстым, в противном случае разряд может миновать провод w, который соединяет внутреннюю пластину конденсатора с элементом накаливания т.
Молекулярная бомбардировка стеклянной ножки внутри колбы доставляет много неприятностей. Для примера я опишу явление, которое наблюдал часто и с большим неудовольствием. Можно взять колбу, лучше большую, и хороший проводник, например угольный, укрепить его внутри на платиновом проводе в стеклянной ножке. Из колбы можно откачать воздух, довольно сильно, когда появляется свечение. Когда лампу подключают к катушке, угольный элемент, если он мал, сначала накаляется, но его яркость немедленно уменьшается, а затем где-то в середине ножки проходит разряд в форме ярких искр, несмотря на то, что платиновый провод находится в хорошем контакте с разреженным газом через угольный элемент или металл сверху. Первые искры очень ярки, и напоминают искры, получаемые на чистой поверхности ртути. Но по мере нагревания ими стекла, они, конечно, теряют свою яркость и прекращаются, когда стекло в месте излома накаляется или становится достаточно теплым для того, чтобы проводить ток. Когда наблюдаешь это впервые, явление кажется очень любопытным, оно показывает, как резко меняется поведение переменного тока, или импульсов высокой частоты по сравнению с постоянным током или током низкой частоты. В случае низкочастотных токов это явление, конечно, не возникло бы. Когда мы имеем частоту, полученную от механического источника, я думаю, стекло трескается вследствие бомбардировки, которая нагревает его и снижает изолирующие качества, но при высокой частоте, которую мы получаем от конденсатора, без сомнения, стекло может треснуть и без нагрева. Хотя на первый взгляд это и может показаться чрезвычайно необычным, но всё же этого следовало ожидать. Энергия, поступающая на подводящий провод, частично расходуется элементом накаливания, а частично — сквозь стекло благодаря действию индукции. Этот случай, таким образом, аналогичен тому, когда конденсатор при помощи проводника включается параллельно в цепь с источником переменного тока. При низкой частоте наибольшую нагрузку получает проводник, а конденсатор остается в сохранности; но при крайне высокой частоте, роль проводника может стать ничтожной. В последнем случае разность потенциалов на выводах конденсатора может стать такой высокой, что наступит пробой диэлектрика, несмотря на то, что выводы шунтированы проводником низкого сопротивления.
Конечно, необязательно, когда требуется накалить заключенное в колбу тело при помощи таких токов, чтобы оно было проводником, так как даже и совершенный изолятор может быстро накаляться. Для этого достаточно обернуть электрод изолирующим материалом, как, например, в лампе, показанной на рисунке 21, где тонкая нить накаливания обернута изолятором и поддерживает элемент такого же материала на своей верхушке. В начале бомбардировка идет за счет индукции через диэлектрик до тех пор, пока он не нагреется достаточно для того, чтобы стать проводником, и тогда бомбардировка продолжается как обычно.
В лампах, сконструированных, как показано на рисунке 23, применяется другой метод. В данном случае диэлектрик т укреплен на некотором расстоянии над угольным элементом. Угольный элемент соединен с подводящим проводом, который проходит сквозь стеклянную ножку, обернутую в несколько слоев слюды. Алюминиевая трубка а, как обычно, применяется для экранирования. Она устроена так, чтобы выступать на высоту угольного элемента и только диэлектрик т возвышается над ней. Бомбардировке в начале подвергается верхняя часть угольного элемента, а нижнюю часть защищает алюминий. Однако, как только диэлектрик т нагревается, он становится хорошим проводником и тогда превращается в центр бомбардировки, так как он более всего открыт для нее.
Во время таких опытов я сконструировал много ламп с одним проводом или без внутреннего электрода, в которых излучение проецировалось или фокусировалось на элементе накаливания. На рисунке 24 показана одна из таких ламп. Она состоит из сферической колбы L, у которой есть длинная горловина п сверху для усиления действия в некоторых случаях при помощи внешнего проводникового покрытия. Колба L внизу имеет небольшую круглую головку Ъ, которая служит для того, чтобы крепко ее удерживать в гнезде S, изготовленном из изоляционного материала, куда колба вклеена. Тонкая нить накаливания f, соединенная с проводом w проходит через центр колбы L. Нить накаляется в середине, где бомбардировка, исходящая снизу, наиболее интенсивна. Нижняя часть колбы до того уровня, куда достает край гнезда S, сделана токопроводящей при помощи фольги или чего-то подобного, а внешний электрод соединен с выводом катушки. Конструкция, показанная на рисунке 24, оказалась несовершенной для накаливания нити или элемента накаливания, находившихся в центре колбы, но хорошо работала, когда стояла цель — получить свечение.
Во время многих опытов, когда различные предметы устанавливались в колбах, как например, на рисунке 23, были сделаны интересные наблюдения.
Помимо прочего выяснилось, что независимо от того, где начиналась бомбардировка, как только достигалась высокая температура, оказывалось, что один предмет принимает на себя основную часть ударов, а другой предмет или другие предметы были разгружены. Это качество зависит в основном от точки плавления и от способности тела к «испарению» или к расщеплению — под последним термином понимается не только испускание атомов, но и распад на более крупные частицы. Это наблюдение соответствовало общепринятым понятиям. В колбе, откуда почти полностью откачан воздух, электричество истекает от электрода при помощи независимых носителей, которыми могут быть атомы и молекулы остатков воздуха, а могут быть атомы, молекулы и более крупные частицы самого электрода. Если электрод состоит из материалов различного характера и один из этих материалов более подвержен распаду, чем остальные, то по большей части носители тока происходят от этого материала, который легче нагревается, а, нагреваясь быстрее, быстрее и распадается.
Мне кажется, что подобный процесс имеет место и в лампах с однородным электродом, и я полагаю, что это основная причина распада. Должны быть какие-нибудь неровности, даже если поверхность отшлифована, что, конечно, невозможно в случае большинства тугоплавких материалов, которые применяются в качестве электродов. Предположим, что кончик электрода нагревается, тут же основная часть разряда начинает проходить через эту точку и небольшой кусочек электрода плавится и испаряется. Теперь возможно, что вследствие этого быстрого разрушения в точке атаки падает температура или возникает контрсила, как в дуге; в любом случае местный распад сталкивается с ограничениями, характерными для опыта, и тот же процесс происходит в другом месте. Нам электрод кажется равномерно светящимся, но на нем есть точки, которые постоянно перемещаются, в которых температура гораздо выше средней, и это значительно усиливает процесс распада. То, что нечто подобное происходит, по крайней мере когда температура электрода немного ниже, можно подтвердить следующим опытом. Хорошенько откачаем воздух из колбы, так, чтобы при довольно высоком потенциале разряд не мог пройти, то есть не светящийся, ибо слабый, невидимый разряд происходит всегда, при любых условиях. Теперь медленно увеличим потенциал, включая ток в первичной обмотке не более чем на мгновение. В какой-то момент в колбе появятся две, три или полдюжины светящихся точек. Эти места на стекле очевидно подвергаются более интенсивной бомбардировке, чем остальные, а это объясняется неравномерностью электрической плотности, что вызвано острыми выступами или, в общем, неровностями электрода. Но светящиеся участки постоянно перемещаются, что особенно хорошо видно, если удается их создать, а это говорит о том, что форма электрода постоянно меняется.
Из этих опытов я делаю вывод: для наибольшей износоустойчивости элемент накаливания в колбе должен иметь круглую форму и поверхность его должна быть хорошо отшлифована. Такой маленький шарик можно изготовить из алмаза или другого кристалла, но лучше всего оплавить при высокой температуре какой-либо оксид, например двуокись циркония, так, чтобы он принял вид капли, а затем поместить его в колбу при температуре ниже его точки плавления.
Интересные и полезные результаты можно без сомнения получить в направлении крайней степени нагрева. Как можно получить такие высокие температуры? Как они достигаются в природе? При столкновениях небесных тел, при высоких скоростях и ударах. При столкновении можно достичь любой степени нагрева. Во время химического процесса мы ограничены. При соединении кислорода и водорода, они, образно говоря, падают с определенной высоты. Мы не можем достичь высокой температура при помощи газовой горелки, так же, как и при помощи печи, но в вакуумной колбе мы можем сконцентрировать любое количество энергии на маленьком элементе. Оставим практичность воплощения в стороне, и станет понятно, что таким способом, я полагаю, мы можем получить самую высокую температуру. Но тут мы сталкиваемся с огромной проблемой, а именно: тело распадается прежде, чем оплавится и образует каплю. Эта проблема существует в основном применительно к оксидам, таким, как двуокись циркония, так как их нельзя сжать настолько, чтобы они быстро не распались. Я неоднократно пытался оплавить двуокись циркония, помещая его в чашку или в угольную дугу, как показано на рисунке 23. Он светился очень ярко, и частицы, испускавшиеся из угольной чашки были заметно белого цвета; но независимо от того, был ли он сжат слоями или растерт в порошок с углем, он улетучивался раньше, чем плавился. Угольная чашка с двуокисью циркония помещалась очень низко в горловине большой колбы, так как нагрев стекла испускаемыми частицами оксида бал настолько быстрым, что во время первой попытки колба треснула мгновенно, как только пустили ток, нагрев стекла испускаемыми частицами всегда был сильнее, когда в угольной чашке содержалось вещество, которое быстро улетучивалось, полагаю потому, что в таких случаях, при одинаковом потенциале, достигаются более высокие скорости, а также потому, что за единицу времени улетучивается большее количество вещества — то есть, большее количество частиц ударяется о стекло.
С указанной трудностью, однако, не столкнешься, если в угольную чашку поместить вещество, устойчивое к разрушению. Например, если оксид сперва расплавить в кислородной горелке, а затем поместить в колбу, он быстро плавился и принимал форму капли.
В целом во время плавки были замечены прекрасные световые эффекты, которые трудно описать. Рисунок 23 должен проиллюстрировать эффект, наблюдавшийся с рубиновой каплей. Сначала можно наблюдать узкий столб белого света, который проецировался на верхнюю часть колбы и образовывал неровное световое пятно. Когда кончик рубина оплавляется, свечение становится очень мощным; но по мере того, как всё больше атомов испускается с поверхности капли, стекло нагревается и «устает» и теперь светится только кромка пятна. Таким образом формируется очень яркая и четко очерченная линия, соответствующая внешним очертаниям капли, и начинает медленно распространяться по колбе по мере того, как капля растет. Когда эта масса начинает кипеть, образуются пузырьки и небольшие пустоты, дающие на поверхности колбы темные пятна. Колбу можно, не боясь, перевернуть вверх дном, так как капля обладает вязкостью.
Здесь я могу упомянуть еще одну интересную особенность, которую заметил в процессе проведения этих опытов, хотя это наблюдение и не переросло в уверенность. Мне показалось, что под воздействием ударов молекул, вызванных частыми колебаниями потенциала, элемент оплавился и оставался в таком состоянии в вакуумной колбе при температуре более низкой, чем была при нормальном давлении и нагреве в обычных условиях, по крайней мере, так мне показалось при том освещении. Один из опытов можно привести как иллюстрацию этого явления. Небольшой кусочек пемзы прикрепили к платиновому проводу и сперва приварили его газовой горелкой. Затем провод поместили между двух кусочков древесного угля и с помощью горелки создали интенсивный нагрев для того, чтобы расплавить кусочек пемзы до состояния стеклоподобной головки. Платиновый провод должен быть достаточно толстым, чтобы выдержать нагрев. При нагреве древесным углем и в пламени горелки пемза очень ярко светилась. Затем провод с головкой поместили в колбу и, откачав воздух, стали подавать ток, медленно наращивая его силу, чтобы не треснула головка. Головка нагрелась до точки плавления, и когда она расплавилась, она уже не светилась так ярко, как раньше, что говорит о более низкой температуре. Не беря в расчет возможную, и даже вероятную, ошибку наблюдателя, ставим вопрос, можно ли трансформировать предмет из твердого состояния в жидкое при меньшем количестве выделяемого света?
Когда потенциал предмета часто колеблется, его структура непременно вибрирует. Если потенциал очень высок, хотя вибрации могут быть нечастыми, скажем, 20 000 в секунду, воздействие на структуру может быть значительным. Предположим, что путем постоянного энергетического воздействия рубин плавится в каплю. Когда формируется капля, она испускает видимые и невидимые волны, которые находятся в четком взаимодействии, а глазу будет видно, что капля обладает определенной яркостью. Предположим, что мы сократим до любого предела количество подаваемой энергии, а вместо этого будем подавать энергию, которая волнообразно изменяется в соответствии с определенным законом. Теперь, когда формируется капля, из нее будут испускаться три вида вибраций — обычные видимые и два вида невидимых волн, то есть обычные темные волны разных длин и вдобавок — волны вполне определенного характера. Последние не существуют при постоянной энергии, и всё же они помогают расшатать и ослабить структуру. Если бы было так, то рубиновая капля испускала бы сравнительно меньше видимых и больше невидимых волн, чем раньше. Так, кажется, когда платиновый провод плавится под воздействием переменного тока высокой частоты, он испускает в точке плавления меньше света и больше невидимого излучения, чем когда на него воздействует постоянный ток, хотя количество энергии, потребленное в процессе плавки, одинаково. Или другой пример, нить накаливания в лампе не способна работать так же долго при токах крайне высокой частоты, как при постоянных токах, при условии, что она одинаково ярко светится. Это означает, что при работе с переменным током, нить должна быть короче и толще. Чем выше частота, то есть чем больше разница между постоянным и переменным воздействием, тем хуже для нити. Но если бы требовалось продемонстрировать правдивость этого высказывания, то ошибочным был бы вывод о том, что такой элемент накаливания, какой используется в этих лампах, быстрее разрушается токами высокой частоты, чем низкой. По опыту могу сказать, что верно как раз обратное: головка лучше выдерживает бомбардировку токами высокой частоты. Это объясняется тем фактом, что высокочастотный разряд проходит сквозь разреженный газ гораздо свободнее, чем разряд низкочастотный или постоянного тока, и это говорит о том, что с первым мы можем работать при более низком потенциале, который производит более слабый удар. Таким образом, если газ для нас не имеет значения, постоянный или низкочастотный ток для нас предпочтительнее; но если действие газа желательно и важно, то требуются высокие частоты.
В процессе проведения этих опытов было сделано много попыток работы с углеродными головками. Электроды, изготовленные из обычных углеродных головок, были определенно более прочными, если их делали с применением высокого давления. Электроды, которые получались хорошо известными способами, не давали таких результатов: от их воздействия колбы вскоре чернели. По результатам многих опытов я могу судить, что нити накаливания, изготовленные такими методами, хороши при работе только с постоянным или низкочастотным переменным током. Некоторые типы углерода такие прочные, что для того, чтобы довести их до точки плавления, головки приходилось делать очень маленькими. В таком случае очень трудно вести наблюдение по причине интенсивного нагревания. Тем не менее нет никакого сомнения в том, что все типы углерода плавятся при молекулярной бомбардировке, но в жидком состоянии он очень нестабилен. Из всех опробованных элементов два доказали свою наивысшую прочность — алмаз и карборунд. Их характеристики примерно одинаковы, но последний более предпочтителен по многим причинам. Поскольку, скорее всего, этот материал широко не известен, я позволю себе привлечь к нему ваше внимание.
Его недавно изобрел г-н Е.-Г. Ачесон из города Мононгахила (штат Пенсильвания, США). Он предназначен для того, чтобы заменить алмазный порошок при шлифовке драгоценных камней и т. д. и мне сообщили, что он справляется с этой задачей вполне успешно. Я не знаю, почему его назвали «карборунд», может быть, есть что-то в процессе его изготовления. Благодаря любезности изобретателя, мне удалось недавно получить некоторое количество этого материала, который я намеревался испытать, изучив его способность к свечению и устойчивость к высоким температурам.
Карборунд бывает двух видов — в виде кристалла и виде порошка. Первый темный, но очень яркий; второй почти такого же цвета, как алмазный порошок, но более мелкий. При осмотре под микроскопом образцы переданных мне кристаллов вроде бы не имели определенной формы, скорее напоминали кусочки яичной скорлупы отличного качества. Большинство из них были матовыми, но некоторые были прозрачными и разноцветными. Кристаллы похожи на углерод с вкраплениями; они очень твердые и долгое время выдерживают даже пламя кислородной горелки. Когда на них направлено пламя горелки, они сначала образуют слоистую компактную структуру, по-видимому, вследствие вкраплений. Эта масса долгое время может выдерживать пламя без последующего плавления; но по мере дальнейшей обработки выделяется стекловидный осадок, который, как я полагаю, есть расплавленный глинозем. При сильном сжатии кристаллы показывают хорошие качества, по не такие, как настоящий углерод. Порошок, который каким-то образом получают из кристаллов, практически не проводит ток. Это превосходный материал для шлифовки камней.
У меня было слишком мало времени, чтобы провести удовлетворительные исследования свойств этого материала, но за несколько недель я получил достаточный опыт, чтобы сказать, что он обладает некоторыми замечательными свойствами. Он выдерживает крайне высокие температуры, слабо распадается при молекулярной бомбардировке и не пачкает колбу, как обычный углерод. Единственная сложность, с которой я столкнулся при его использовании во время опытов, — мне трудно было отыскать крепежный материал, который так же хорошо выдерживал бы нагрев и бомбардировку, как карборунд.
Здесь у меня несколько ламп, в которых головки из карборунда. Для того чтобы изготовить такие головки, я поступаю следующим образом: я беру обычную нить накаливания и обмакиваю ее конец в деготь или иную вязкую жидкость, которая быстро обугливается. Затем я продеваю нить через кристаллы и держу вертикально над горячей пластиной. Деготь размягчается и образует каплю на конце нити, а кристаллы прилипают к капле. Регулируя расстояние до пластины, я высушиваю деготь, и головка становится твердой. Затем я еще раз обмакиваю головку в деготь и снова держу над пластиной, пока деготь не испарится, оставляя после себя только твердую субстанцию, которая крепко связывает кристаллы. Если требуется головка побольше, я повторяю процедуру несколько раз, а также покрываю нить кристаллами пониже головки. Когда головка помещается в колбу, при хорошей степени вакуумирования, сначала слабый, а потом сильный разряд пропускается через колбу для обугливания дегтя и устранения всех газов, а затем головка сильно накаляется.
При использовании порошка лучше всего действовать так: я развожу плотный раствор карборунда и дегтя и пропускаю через него нить. Стерев после этого большую часть раствора при помощи замши, я держу нить над горячей плитой, пока деготь не испарится и покрытие не станет твердым. Я повторяю этот процесс столько раз, сколько надо, чтобы достичь нужной толщины покрытия. На конце нити я делаю головку так, как уже рассказал.
Нет сомнения в том, что такая головка — правильно изготовленная под большим давлением — из карборунда, особенно из порошка хорошего качества, выдержит бомбардировку не хуже любого известного материала. Проблема в том, что крепежный материал не выдерживает и карборунд медленно уносится через некоторое время. Поскольку он нисколько не затемняет колбу, его полезно было бы использовать для покрытия нитей накаливания в обычных лампах, и я думаю, что из него даже можно изготавливать нити или стержни, которые заменят обычные нити накаливания. Покрытие из карборунда кажется более прочным, чем остальные, не только потому, что этот материал может держать высокую температуру, но и потому, что он, кажется, хорошо соединяется с углеродом, лучше, чем все остальные известные мне материалы. Покрытие из циркония или иного оксида разрушается гораздо быстрее. Я изготавливал головки из алмазной пыли таким же образом, как из карборунда, и они по прочности почти приблизились к нему, но связующий материал не выдержал гораздо быстрее; хотя это я склонен объяснить размером и неровностями зерен алмазов.
Было интересно выяснить, обладает ли карборунд свойством фосфоресценции. Здесь, конечно, надо быть готовым к столкновению с двумя проблемами: во-первых, что касается сырья — кристаллов, они хорошие проводники, а как известно, проводники не светятся; во-вторых, порошок, если он очень мелкий, вряд ли хорошо продемонстрирует это свойство, поскольку мы знаем, что когда кристаллы, даже такие, как алмаз или рубин, растерты в мелкий порошок, они в значительной степени теряют способность к свечению.
Здесь встает вопрос, может ли проводник фосфоресцировать? Что в теле, например в металле, есть такого, что лишает его способности к свечению, если только это не сама способность проводить ток? Ибо факт, что большинство светящихся предметов теряют эту способность, когда они нагреты достаточно, чтобы стать проводником. Тогда, если металл в основном, а может быть, и полностью, лишить этого свойства, он станет способен светиться. Следовательно, возможно, что при очень высоких частотах, когда он ведет себя как диэлектрик, металл или другой проводник, может демонстрировать способность к свечению, даже если он совершенно не способен светиться под воздействием низкочастотного разряда. Есть, однако, еще один способ, при котором проводник может демонстрировать, по крайней мере, кажущееся свечение.
В настоящее время еще существуют значительные сомнения по поводу того, что такое свечение, или фосфоресценция, и все ли явления, объединенные этим понятием, вызваны одинаковыми причинами. Предположим, что в вакуумной колбе под ударами молекул поверхность металлического предмета или другого проводника сильно светится, но в то же время оказывается, что он относительно прохладный, можно ли такое свечение назвать фосфоресценцией? Такой результат, хотя бы и теоретически, возможен, так как это всего лишь вопрос потенциала и скорости. Предположим, что потенциал электрода, а следовательно, и скорость испускаемых атомов, достаточно высоки, тогда поверхность металлического тела, о которое ударяются атомы, станет раскаленной, поскольку процесс выработки тепла пойдет несравнимо быстрее, чем процесс излучения и отвода его с поверхности удара. На первый взгляд наблюдателя один удар атома вызовет мгновенную вспышку, но если удары будут повторяться с достаточной скоростью, они будут оказывать постоянное воздействие на сетчатку глаза, и тогда поверхность металла будет казаться постоянно раскаленной, равномерно интенсивно светящейся, в то время как на самом деле свет будет иметь прерывистый характер или, по крайней мере, будет периодически менять интенсивность. Металлический предмет нагреется до предела равновесия, до того уровня, когда энергия, которая излучается постоянно, будет равна энергии, подаваемой скачкообразно. Но подаваемой энергии может не хватить при таких условиях для того, чтобы довести нагрев до температуры выше среднего значения, особенно если частота ударов атомов очень низка и ее хватает только на то, чтобы глазу была незаметна флуктуация интенсивности излучаемого света. Тогда тело, соответственно характеру получаемой энергии, будет излучать сильное свечение, но находиться при этом на сравнительно низком температурном уровне. Как же может назвать наблюдатель свечение, происходящее при таких обстоятельствах? Даже если анализ света и даст ему что-то определенное, всё же он отнесет это явление к разряду фосфоресценции. Вероятно, таким образом и проводники и диэлектрики могут находиться в состоянии свечения определенной интенсивности, но количество энергии, необходимой для этого, будет варьироваться в зависимости от свойств материала.
Эти и последующие высказывания приводятся для того, чтобы обозначить любопытные свойства переменного тока или электрических импульсов. С их помощью мы можем заставить тело излучать больше света при определенной средней температуре, чем если бы оно излучало при постоянной подаче энергии; а также мы можем довести тело до точки плавления и заставить его излучать меньше света, чем если бы это происходило при подаче энергии обычными средствами. Всё зависит от того, как мы подаем энергию и какие возбуждаем колебания: в одном случае колебаний больше, в другом — меньше, их количество соотносим с возможностями нашего зрения.
Некоторые эффекты, ранее мной не наблюдавшиеся, полученные при первых опытах с карборундом, я приписывал фосфоресценции, но в последующих экспериментах выяснилось, что он лишен этого свойства. Кристаллы обладают интересным качеством. В колбе с одним электродом в форме небольшого металлического диска, например, при достижении определенного уровня вакуума электрод покрывается тонкой пленкой молочного цвета, которая отделена от свечения, наполняющего колбу, темным пространством. Если металлический диск покрыть кристаллами карборунда, то пленка имеет более интенсивный снежно-белый оттенок. Как я позже выяснил, это всего лишь свойство яркой поверхности кристаллов, ибо когда алюминиевый электрод хорошо отшлифован, он демонстрирует такие же качества. Я провел ряд опытов с полученными кристаллами в основном потому, что, было бы интересно обнаружить их способность к фосфоресценции по причине их токопроводи-мости. Я не смог получить отчетливое свечение, но вынужден сказать, что нельзя делать окончательных выводов до тех пор, пока не будут поставлены дальнейшие опыты.
Порошок в ходе некоторых экспериментов вел себя так, как будто он содержал глинозем, но характерного красного оттенка не было. Его мертвенно-бледный цвет становится значительно ярче под ударами молекул, но теперь я убежден, что он не светится. И всё-таки окончательный вывод делать рано, так как порошкообразный карборунд ведет себя не как, например, флюоресцентный сульфид, который можно растереть в порошок, не лишив его таким способом свойства фосфоресцентности; карборунд ведет себя, скорее, как порошкообразный рубин или алмаз, и, следовательно, для того чтобы принять какое-то решение, надо получить его в форме большого куска и отполировать поверхность.
Карборунд оказывается полезным в связи с этими и другими опытами, а его основное достоинство в том, что он хорош для производства покрытий, тонких проводников, головок и других электродов, способных выдерживать высокую температуру.
Производство небольшого электрода, способного выдерживать громадные температуры, я рассматриваю как задачу чрезвычайной важности при получении света. Мы сможем при помощи токов высокой частоты получать в 20 раз большее количество света, чем то, которое мы получаем сейчас с помощью ламп накаливания, при том же уровне расходуемой энергии. Может показаться, что я преувеличиваю, но на самом деле ничуть. Так как это высказывание может быть неверно истолковано, я полагаю необходимым четко очертить проблему, с которой мы сталкиваемся, работая в этом направлении, и обозначить пути ее решения.
Любой, кто начинает изучать эту проблему, склонен думать, что в лампе с электродом нам надо достичь высокой степени накала последнего. Это ошибка. Высокая степень накала головки — это необходимое зло, но на самом деле нам нужна высокая степень свечения газа вокруг головки. Иными словами, задача в том, чтобы заставить газ светиться как можно ярче. Чем ярче свечение, тем быстрее средняя вибрация и тем больше экономия при производстве света. Но для того чтобы поддерживать высокую интенсивность свечения газа в стеклянном сосуде, нам нужно изолировать его от стекла; то есть сконцентрировать его как можно плотнее в центре колбы.
Во время одного из опытов, показанных нынче вечером, в середине провода формировался кистевой разряд. Эта кисть была пламенем, источником света и тепла. Она не вырабатывала много тепла и не светилась ярким светом, но стало ли от этого ее пламя меньше и не жгло мне руку? Меньше ли ее пламя от того, что яркость не слепит мои глаза? Задача в том, чтобы внутри колбы получить такое пламя, меньшее по размеру, но несравнимо более мощное. Если бы у нас были средства для производства электрических импульсов высокой частоты и их передачи, от колбы можно было бы отказаться, может быть, оставив ее только для защиты электрода или экономии энергии при помощи концентрации тепла. Но поскольку таких средств нет, то приходится заводить вывод внутрь лампы и разряжать в ней воздух. Это делается только для того, чтобы устройство могло функционировать так, как оно не может при обычном давлении. Внутри лампы мы можем усилить процесс до любой степени — настолько, что кисть начнет излучать мощный свет.
Интенсивность света зависит от частоты и потенциала импульсов, а также от электрической плотности на поверхности электрода. Очень важно использовать самую маленькую головку, чтобы максимально увеличить плотность. Интенсивные удары молекул газа, конечно, очень сильно нагревают маленький электрод, но вокруг него создается воспламененная фотосфера, объемом в сотни раз больше него. Если применяются алмазные, карборундовые или циркониевые головки, то фотосфера может превышать объем головки в тысячу раз. Некоторые могут подумать, что при отсутствии отражения доведенный до крайней степени накала электрод испарится. Но по размышлении, можно прийти к выводу, что теоретически этого не должно случиться, и в этом факте, который, кстати, экспериментально доказан, заключается основное достоинство этой лампы в будущем.
В начале бомбардировки большая часть воздействия оказывается на головку, но когда вокруг нее формируется проводящая фотосфера, нагрузка с головки частично снимается. Чем выше степень накала фотосферы, тем более она по проводимости приближается к электроду и, следовательно, газ и твердый проводник образуют единое целое. В результате — чем далее развивается накаливание, тем большее воздействие оказывается на газ и меньшее — на проводник. Формирование фотосферы, следовательно, и есть средство защиты электрода. Эта защита, конечно, относительна, и не следует думать, что чем выше степень накала, тем меньше портится проводник. И всё же, теоретически, при крайне высоких частотах этот результат должен быть Достигнут, но, возможно, при температуре более высокой, чем та, которую способны выдерживать все известные нам элементы накаливания. Тогда, при наличии такого электрода, который может выдерживать крайне высокую степень бомбардировки и внешнего напряжения, он будет в безопасности независимо от того, насколько запредельными будут нагрузки. В лампе накаливания действуют другие правила. Здесь газ не имеет значения: вся нагрузка ложится на нить, и срок службы лампы уменьшается настолько быстро по мере увеличения степени накала, что мотивы экономии заставляют нас эксплуатировать ее при низкой степени накала. Но если лампа накаливания работает на высокой частоте, то действием газа нельзя пренебрегать, и правила наиболее экономичного режима работы должны меняться.
Для того чтобы довести лампу с одним или двумя электродами до совершенства, необходимо использовать высокочастотные импульсы. Среди прочего — высокая частота обеспечивает два основных преимущества, влияющих на экономичное производство света. Во-первых, разрушение электрода замедляется вследствии того, что мы задействуем много слабых ударов вместо нескольких сильных, которые быстро подрывают структуру материала; во-вторых, облегчается формирование фотосферы.
Для того чтобы свести к минимуму разрушение электрода, желательно получить гармонические вибрации, ибо любая внезапность ускоряет процесс разрушения. Срок службы электрода гораздо больше, если в состоянии накала он поддерживается токами, получаемыми от генератора переменного тока, обеспечивающего более или менее гармонические колебания, чем те, что дает разрядная катушка. В последнем случае наибольший вред наносят внезапные разряды.
Одна из составляющих потерь в такой лампе — это бомбардировка колбы. Так как потенциал очень высок, испускаемые молекулы движутся с огромной скоростью; они ударяются о стекло и обычно вызывают сильную фосфоресценцию. Производимый эффект обычно очень красив, но с точки зрения экономии возможно стоило бы предотвратить или хотя бы свести к минимуму бомбардировку колбы, так как в таком случае, как правило, цель заключается не в фосфоресценции. Эти потери в основном зависят от потенциала импульсов и электрической плотности на поверхности электрода. При использовании очень высоких частот потери энергии от бомбардировки сильно уменьшаются, ибо, во-первых, потенциал, необходимый для выполнения определенной работы, гораздо ниже; а во-вторых, когда вокруг электрода формируется фотосфера, это имеет такой же результат, как если бы электрод был гораздо больше, что означает меньшую электрическую плотность. Но в силу ли уменьшения потенциала или плотности, результат достигается в направлении избегания сильных ударов, которые деформируют стекло за пределами его эластичности. Если бы частоту можно было достаточно увеличить, то потери, связанные с недостаточной эластичностью стекла, можно было бы считать ничтожными. Потери от бомбардировки колбы можно, однако, уменьшить применив два электрода вместо одного. В этом случае каждый электрод можно соединить с одним из выводов; или, если предпочтительнее использовать один провод, один электрод можно соединить с выводом, а второй с землей или с каким-то предметом определенной площади, например абажуром лампы. В последнем случае, если не обдумать всё заранее, один из электродов будет светиться ярче другого.
Но в целом я считаю более целесообразным при работе с высокой частотой использовать только один провод и один электрод. Я убежден, что осветительный прибор ближайшего будущего для своей работы не потребует более одного соединительного провода, и в конечном счете не будет иметь подводящего провода, поскольку необходимая энергия может передаваться сквозь стекло. В опытных лампах подводящий провод в основном применяется для удобства, поскольку использование конденсирующих покрытий так, как показано на рисунке 22, например, связано с трудностью установки деталей, но она преодолима, если будут изготовлены тысячи ламп, иначе энергию можно передавать сквозь лампу точно так же, как и по проводу, при высоких частотах потери очень малы. Такие осветительные приборы, несомненно, потребуют высоких потенциалов, и в глазах практичных людей это может выглядеть как недостаток. На самом же деле использование высокого потенциала — это ни в коем случае не недостаток, если это касается безопасности прибора.
Есть два способа обеспечить безопасность электроприбора. Первый — использовать низкий потенциал, второй — таким образом определить габариты устройства, что оно будет безопасным независимо от того, насколько высокий потенциал в нем применяется. Из этих двух последний кажется мне наилучшим, так как в этом случае достигается абсолютная безопасность, и она не зависит от стечения обстоятельств, которые могут даже прибор низкого напряжения сделать опасным для жизни и собственности. Но практичность требует не только разумного определения габаритов аппарата, но необходимости использования правильного вида энергии. Нетрудно, к примеру, построить трансформатор, способный выдавать при работе от низковольтового генератора, скажем, 50 000 вольт, что требуется для свечения вакуумной трубки, так что, несмотря на высокий потенциал, она абсолютно безопасна, и ее удар не причиняет никаких неудобств. Всё же такой трансформатор был бы очень дорогим и сам по себе неэффективен, а кроме того тот тип энергии, который он вырабатывает, непригоден для экономичного производства света. Экономия требует применения энергии крайне частых колебаний. Проблема производства света подобна проблеме получения высокой ноты при помощи колокола. Назовем ее еле слышной нотой; и даже эти слова не дадут точного значения, настолько удивительна чувствительность глаза. Мы можем наносить сильные удары с большими промежутками, израсходовать много энергии, и всё-таки не получить того, чего хотели; а можем держать ноту при помощи частых легких шлепков и приблизиться к цели больше, расходуя энергии меньше. При производстве света, что касается осветительных приборов, применимо только одно правило, а именно: использовать как можно более высокую частоту, но средства производства и передачи импульсов такого характера накладывают на нас, по крайней мере в настоящее время, большие ограничения. Если принято решение использовать высокую частоту, обратный провод становится не нужен и вся аппаратура упрощается. С применением очевидных средств достигается такой же результат, как если бы использовался обратный провод. Для этого достаточно прикоснуться в лампе или поднести к ней изолированный предмет определенной площади. Конечно, площадь его тем меньше, чем выше частота и потенциал; и тем выше экономия срока службы лампы или другого устройства.
К этому способу работы мы сегодня неоднократно обращались. Так, например, при достижении накала головки, когда до лампы дотрагивались рукой, тело экспериментатора служило усилителем действия. Использовавшаяся лампа была похожа на ту, что показана на рисунке 19, а потенциал на катушке был невелик, недостаточен для того, чтобы накалить головку лампы, висящей на проводе; и кстати, для того чтобы провести опыт более показательно, была использована такая большая головка, что потребовалось время, чтобы она накалилась после того, как лампу взяли в руки. Контакт с лампой, конечно, был необязателен. Нетрудно, используя довольно большую лампу с необычно малым электродом, создать такие условия, что электрод раскаляется при приближении экспериментатора на несколько футов к лампе, а при отступлении накал уменьшается.
Во время другого опыта, когда вызывалась фосфоресценция, применялась подобная лампа. И снова потенциала было недостаточно для возбуждения свечения до тех пор, пока действие не было усилено — в данном случае, однако, по-другому — прикосновением металлического предмета к гнезду. Электродом в лампе служила углеродная головка настолько большая, чтобы не вызвать накаливания и не испортить таким образом эффекта фосфоресценции.
В других ранних опытах применялась лампа такая, как показано на рисунке 12. В данном примере, прикладывание к колбе двух пальцев вызывало на стекле одну или две тени в форме ножки, при этом прикосновение пальцев вызывало такой же эффект, как применение в обычных условиях внешнего электрода. Во всех опытах действие усиливалось путем наращивания мощности на том конце провода, который соединялся с катушкой. Как правило, нет необходимости прибегать к таким методам и при более высоких частотах; но когда это требуется, колба или трубка могут быть Рис. 25 легко приспособлены для этих целей.
На рисунке 24, например, показана экспериментальная колба L, имеющая сверху горловину п для размещения покрытия из фольги, которое можно соединить с внешним предметом большой площади. Лампа, показанная на рисунке 25, также может светиться от присоединения жестяной фольги на горловине п к выводу, а подводящего провода w к изолированной пластине. Если лампа установлена в гнезде прямо, как показано на разрезе, то в горловину п можно установить экран из проводника, с помощью которого действие усилится.
Более совершенная конструкция лампы показана на рисунке 26. В данном случае конструкция такая, какая продемонстрирована на рисунке 19. Цинковая пластина Z с цилиндрическим выступом Т надета на металлическое гнездо S. Лампа свисает на проводе t, причем цинковая пластина Z выполняет двоякую функцию усилителя и отражателя. Отражатель отделен от вывода t выступом изоляционной пробки Р.
Похожая конструкция флюоресцентной трубки показана на рисунке 27. Трубка Т изготовлена из двух коротких трубок разного диаметра, закупоренных на концах. Снизу размещено проводящее покрытие С, соединенное с проводом w. Провод на верхнем конце имеет крепежную петлю и проходит по центру тонкой трубки, заполненной плотно набитым изолятором. С внешней стороны трубки Т есть еще одно проводящее покрытие C f на которое надет металлический отражатель Z, который должен быть отделен от провода w толстым слоем изоляции.
Экономичное использование отражателя или усилителя требует, чтобы вся энергия, подаваемая на воздушный конденсатор, была возместима, иными словами не должно быть потерь ни в газообразной среде, ни благодаря ее действию где бы то ни было. Это далеко не так, но, к счастью, потери можно свести к любому желаемому значению. По этому поводу следует сделать несколько пояснений, чтобы расставить все точки над i в опытах, предпринятых для исследования этого направления.
Допустим, что небольшая спираль, как в опыте на рисунке 17, одним концом соединена с одним из выводов катушки индуктивности, а вторым — с металлической пластиной или, для простоты, с шаром, изолированным в пространстве. Когда катушка начинает работать, потенциал шара меняется и небольшая спираль ведет себя так, как будто ее свободный конец соединен с другим выводом катушки. Если внутрь спирали поместить железный провод, он сразу раскалится, а это значит, что через спираль проходит сильный ток. Как ведет себя в данном случае металлический изолированный шар? Он может быть конденсатором, накапливающим и отдающим энергию, а может быть просто стоком энергии, и условия опыта определяют, чем он больше является в настоящее время. Когда шар находится под высоким напряжением, он индуктивно действует на окружающий его воздух или иной газ. Молекулы или атомы, находящиеся вблизи шара, естественно, притягиваются сильнее, и проходят большее расстояние, чем те, что дальше от него. Когда ближайшие молекулы ударяются о шар, они отталкиваются, и по всей зоне действия индукции происходят столкновения. Теперь ясно, что если потенциал постоянен, то таким образом потери энергии будут очень малы, ибо молекулы, находящиеся ближе всего к шару, получив от удара дополнительный заряд, не притягиваются до тех пор, пока не избавятся если не от всего, то хотя бы от большей части дополнительного заряда, что достигается многими столкновениями. На основании того факта, что в сухом воздухе очень мало потерь энергии, можно прийти к такому выводу. Когда потенциал шара не постоянный, а переменный, условия в корне меняются. В таком случае происходит ритмическая бомбардировка, независимо от того, теряют ли молекулы заряд после удара или нет; более того, если заряд теряется, столкновения становятся более сильными. Всё же, если частота импульсов невелика, потери, вызванные ударами и столкновениями, будут большими, если только потенциал не крайне высок. Но при высоких частотах и более или менее высоких потенциалах потери могут быть огромными. Количество энергии, утраченное за единицу времени, пропорционально произведению количества столкновений в секунду, или частоты, и количеству энергии, потраченной при каждом столкновении. Но энергия столкновения должна быть пропорциональна квадрату электрической плотности шара, так как заряд, переданный молекулам, пропорционален этой плотности. Из этого следует вывод, что общее количество потерянной энергии пропорционально произведению частоты и квадрата электрической плотности; но этот закон требует экспериментального подтверждения. Если предположить, что приведенные высказывания верны, то, часто меняя потенциал тела, помещенного в изолирующую газообразную среду, можно рассеять любое количество энергии. Большее количество энергии тогда, полагаю я, не рассеивается в форме длинных эфирных волн, перемещающихся на большие расстояния, как многие полагают, но потребляется, как, например, в случае с изолированным шаром — в процессе потерь в результате ударов и столкновений и вблизи шара. Для уменьшения рассеивания необходимо добиться небольшой электрической плотности — тем меньшей, чем выше частота.
Но поскольку на основании ранее выдвинутого предположения потери уменьшаются пропорционально квадрату плотности, и так как токи высокой частоты при передаче по проводам вызывают большие потери, следует, что в целом лучше пользоваться одним проводом, а не двумя. Следовательно, если моторы, лампы или иные приборы усовершенствуются и их можно будет эксплуатировать при помощи токов высокой частоты, экономические причины будут диктовать нам использование только одного провода, особенно если расстояния огромны.
Когда энергия адсорбируется конденсатором, он ведет себя так, как будто его емкость увеличилась. Это явление всегда имеет место, в большей или меньшей степени, но оно невелико и не имеет последствий, если частота невысока. При использовании крайне высокой частоты, и обязательно в данном случае высокого потенциала, адсорбция — или то, что в нашем случае, в частности, называется потерей энергии вследствие присутствия газообразной среды, — это важный фактор, который надо учитывать, так как энергия, потерянная в воздухе, может составлять любую часть затраченной энергии. Может показаться, что по измеренной или вычисленной емкости конденсатора очень трудно определить его действительную емкость или период колебаний, особенно если конденсатор имеет маленькую поверхность и высокий потенциал. Так как многие важные результаты зависят от точности предположения, этот предмет требует тщательного исследования другими экспериментаторами. Для уменьшения шансов на ошибку в указанных опытах я бы посоветовал использовать шары или пластины большой площади, дабы уменьшить электрическую плотность. В противном случае, если это возможно практически, следует пользоваться масляным конденсатором. По видимому, в масле или других жидких диэлектриках, таких потерь, как в газообразной среде, не происходит. Если есть возможность полностью выгнать газ из конденсаторов с твердым диэлектриком, то их следует помещать в масло только лишь по соображениям экономии; тогда они могут получать наивысший потенциал и оставаться холодными. В лейденских банках потери в воздух практически малы, так как покрытия из фольги большие, расположены близко друг к другу и заряженные поверхности не открыты напрямую; но когда потенциалы высоки, потери могут быть значительны на верхнем крае фольги или около него, там, где на воздух оказывается самое сильное воздействие. Если банку поместить в олифу, то она сможет выполнять работу, в четыре раза превышающую то же самое количество, выполненное за единицу времени при обычных условиях, и потери при этом будут ничтожны.
Не следует думать, что тепловые потери в воздушном конденсаторе обязательно связаны с образованием видимых потоков или кистей. Если небольшой электрод, помещенный в колбу с воздухом, соединить с выводом катушки, можно заметить потоки, исходящие от него, а воздух в колбе нагреется; если вместо электрода туда поместить большой шар, то потоков не будет, но воздух нагреется.
Также не следует думать, что температура воздушного конденсатора может дать представление о потерях при нагреве, так как в таком случае теплота должна выделяться гораздо быстрее: в дополнение к обычному излучению происходит очень интенсивный отток тепла с независимыми носителями, поскольку не только устройство, но и воздух на некотором расстоянии от него нагреваются из-за возможных столкновений.
Благодаря этому в экспериментах с катушкой повышение температуры можно отчетливо наблюдать только, когда предмет, соединенный с ней, достаточно мал. Но если аппарат больших размеров, даже большой предмет нагреется, например, человеческое тело; и я думаю, что опытным врачам полезно последить за такими опытами, которые при правильной конструкции устройств не представляют никакой угрозы для здоровья.
Здесь возникает интересный вопрос, в основном, для метеорологов. Как ведет себя Земля? Земля — это воздушный конденсатор, но он совершенен или нет, или является просто стоком энергии? Нет почти никаких сомнений, что во время таких возбуждений, которые происходят во время опытов, Земля — совершенный конденсатор. Но всё может быть иначе, когда ее заряд начинает колебаться под влиянием каких-то небесных воздействий. В таком случае, как указывалось ранее, видимо, только небольшое количество энергии будет передано в космос в форме длинных эфирных волн, но наибольшее количество энергии, я думаю, истратится при молекулярных и атомных столкновениях, и уйдет в космос в форме коротких тепловых и, возможно, световых волн. Так как частота колебаний заряда и потенциал, по всей вероятности, крайне велики, преобразованная в теплоту энергия может быть значительна. Поскольку электрическая плотность распределяется неравномерно, как по причине неровностей земного рельефа, так и из-за различных атмосферных явлений, полученный эффект будет разным в разных местах. Значительные изменения в температуре и атмосферном давлении вследствие этого могут происходить в разных местах планеты. Изменения могут быть постепенными или внезапными, соответственно природе возбуждения, и могут вызывать ливни и грозы, или локально изменять погоду так или иначе.
Из приведенных замечаний можно сделать вывод о том, каким важным фактором становятся потери в воздухе, окружающем заряженные поверхности, когда электрическая плотность велика, а частота импульсов чрезмерна.
Но в соответствии с нашими объяснениями выходит, что воздух — изолятор, то есть он состоит из независимых носителей зарядов, погруженных в изолирующую среду. Так получается, когда воздух находится под обычным или немного выше, или очень малым давлением. Когда же воздух немного разрежен и проводит ток, тогда настоящие потери проводника также имеют место. В таком случае, конечно, значительное количество энергии может быть рассеяно в воздухе даже при постоянном потенциале, или импульсах низкой частоты, если плотность очень большая.
Когда газ находится под очень небольшим давлением, электрод нагревается сильнее, так как достигаются более высокие скорости. Если газ вокруг электрода сильно сжат, то смещения, а соответственно и скорости, очень малы, и нагрев незначителен. Но если в таком случае повысить частоту, то электрод нагреется до высокой температуры, точно так же, как он бы нагрелся, если бы газ находился под низким давлением; на самом деле откачка воздуха необходима, потому что мы не можем получить (и возможно передать) токи требуемой частоты.
Возвращаясь к теме электродной лампы, хорошо было бы как можно больше сконцентрировать тепло возле электрода путем предотвращения циркуляции воздуха в колбе. Если взять очень маленькую колбу, то в ней тепло будет концентрироваться лучше, чем в большой, но ее емкость может не позволить ей работать от катушки, но если это произойдет, стекло будет сильно греться. Проще всего усовершенствовать конструкцию, взяв лампу нужного размера и поместив внутрь нее небольшую колбу, диаметр которой точно выверен, расположив ее над тугоплавкой головкой накаливания. Эта конструкция показана на рисунке 28.
Колба L в данном случае имеет горловину п, достаточно широкую для того, что через нее прошла маленькая колба Ъ. В противном случае конструкция будет такой же, как показано на рисунке 18. Маленькая колба размещена на стеклянной ножке s, на которой есть тугоплавкая головка т. От алюминиевой трубки а ее отделяют несколько слоев слюды М для того, чтобы не допустить трещин стеклянной ножки вследствие резкого нагревания алюминиевой трубки при внезапном включении катушки. Если требуется производить свет только за счет накаливания электрода, то внутренняя колба должна быть как можно меньше. Если желательно вызвать фосфоресценцию, то она должна быть побольше, иначе она может нагреваться и свечение прекратится. В такой конструкции обычно только в маленькой колбе возникает фосфоресценция, так как внешняя колба практически не подвергается бомбардировке.
В некоторых лампах, показанных на рисунке 28, маленькие трубки были выкрашены фосфоресцирующей краской и получались прекрасные световые эффекты. Вместо того чтобы увеличивать размер внутренней колбы и избежать преждевременного нагрева, целесообразно взять больший электрод т. Это ослабит бомбардировку по причине меньшей электрической плотности.
Много ламп было изготовлено по схеме, изображенной на рисунке 29. Здесь маленькая колба Ь, содержащая тугоплавкую головку т, после того как в ней создали вакуум, была закупорена в большой лампе L, из которой воздух был немного откачан. Она также закупорена. Принципиальное отличие этой конструкции в том, что она позволяет достичь высокой степени вакуума и в то же время использовать большую колбу. В процессе опытов, проводимых с такими лампами, выяснилось, что лучше всего делать ножку 5 возле пробки е очень толстой, а подводящий провод w тонким, так как случалось такое, что ножка в этом месте нагревалась и колба трескалась. Часто получалось так, что вакуума в большой колбе было достаточно лишь для того, чтобы проходил разряд, а пространство между колбами было малинового цвета, давая любопытные эффекты. В некоторых случаях, когда вакуум был небольшой и воздух хорошо проводил ток, чтобы сильно накалить головку т, желательно было в верхней части горловины колбы поместить жестяную фольгу, замкнутую на изолированный предмет, землю или другой вывод катушки, так как хорошо проводящий ток воздух немного ослаблял эффект, возможно, потому, что на него индуктивно действовал провод w там, где он входил в колбу в точке е. Еще одна трудность, которая, однако, всегда присутствует, когда тугоплавкую головку помещают в небольшую колбу, обнаружилась в конструкции, показанной на рисунке 29, а именно: вакуум в колбе Ь снижался за короткое время.
Основная идея обеих конструкций — сосредоточить тепло в центральной части лампы, прекратив циркуляцию воздуха. Этого удалось добиться, но вследствие нагрева внутренней колбы и постепенного испарения стекла трудно поддерживать вакуум, даже если выбрать конструкцию, помещенную на рисунке 28, где колбы сообщаются.
Но, конечно, идеальный путь — это достижение достаточно высокой частоты. Чем выше частота, тем медленнее воздухообмен и, я полагаю, можно достичь такой частоты, когда циркуляция совсем прекратится, независимо от того, сколько молекул воздуха окружают вывод. Тогда мы сможем получить пламя, при котором не будет потерь материала, и это будет странное пламя, так как оно будет твердым! При такой высокой частоте в игру вступит инерция частиц. Так как кисть, или пламя, получит твердость в силу инерции частиц, то их обмен прекратится. Это случится обязательно, так как с ростом числа импульсов уменьшается потенциал каждого из них, и в конце концов установятся только атомарные колебания, а передвижение сквозь измеримое пространство прекратится. Так, у обычной газовой горелки, соединенной с источником переменного потенциала можно повысить мощность до определенного уровня по двум причинам — за счет придания дополнительной вибрации, а также вследствие замедления процесса расхода материала. Но, поскольку обновление затруднится, а оно необходимо для поддержания горения, постоянный рост частоты импульсов, — если предположить, что они передаются напрямую пламени, — приведет к «гашению» его, при этом под данным термином мы понимаем прекращение химического процесса.
Я, однако, думаю, что в случае с электродом, помещенным в жидкую изолирующую среду и окруженным независимыми носителями зарядов, на которые он действует индуктивно, достаточно высокая "частота приведет к возникновению притяжения к электроду. Для этого только надо предположить, что независимые тела имеют неправильную форму; тогда они поворачиваются к электроду стороной, имеющей наибольшую электрическую плотность, а это то положение, при котором сопротивление, которое жидкость оказывает при приближении, меньше того, что она оказывает при отходе.
Нет сомнения, что общее мнение таково, что нет никакой возможности получить такие частоты, которые позволят — при допущении того, что некоторые из высказанных взглядов верны — прийти хотя бы к некоторым результатам из тех, что я только что обрисовал как возможные. В ходе исследований, наблюдая за этими явлениями, я пришел к убеждению, что эти частоты могут быть значительно ниже расчетных. В пламени мы вызываем небольшие колебания, заставляя молекулы или атомы сталкиваться. Но каков коэффициент этих столкновений и вызываемых вибраций? Конечно, он будет меньше коэффициента ударов колокола и звуковых вибраций или коэффициента разрядов и колебаний конденсатора. Мы можем заставить молекулы газа сталкиваться при помощи переменных электрических импульсов высокой частоты; также мы можем инициировать процесс в пламени; а из опытов с частотами, которые мы можем в настоящее время получать, я думаю, можно получить результат с импульсами, которые можно передать по проводу.
Рассуждая подобным образом, мне показалось интересным продемонстрировать твердость вибрирующего газового столба. Хотя с такой низкой частотой, как 10 000 колебаний в секунду, которую я без труда сумел получить от специально созданного генератора, задача сначала выглядела безнадежной, я всё же провел ряд опытов. Опыты с воздухом при обычном давлении не дали результатов, но когда я немного разредил воздух, мне кажется, получил несомненное опытное подтверждение искомого свойства. Так как такой результат может привести умелых экспериментаторов к важным выводам, я опишу один из опытов.
Хорошо известно, что когда из трубки немного откачан воздух, разряд может пройти в форме тонкой светящейся нити. Когда он вызывается током низкой частоты, полученным от катушки, работающей как обычно, эта нить инертна. Если поднести к ней магнит, то ближайшая ее часть притягивается или отталкивается, в зависимости от того, как направлены силовые линии магнита. Мне пришла мысль, что если такую нить получить от тока высокой частоты, то она должна быть более или менее твердой, а так как это можно увидеть, то можно и изучить. В соответствии с этим я приготовил трубку диаметром 1 дюйм и длиной 1 метр с покрытием на обоих концах. В трубке был создан вакуум до такой степени, что при небольшой нагрузке можно было получить нитевидный разряд. Надо сказать, что общий вид трубки и степень вакуумирования отличаются от того, какими они бывают при работе с обычными низкочастотными токами. Так как предпочтительнее работать с одним выводом, приготовленная трубка была подвешена на проводе, соединенном с одним выводом катушки через жестяное покрытие, к нижнему концу с покрытием иногда присоединялась изолированная пластина. Когда образовывалась нить, она тянулась через верхнюю часть трубки и терялась внизу. Если она обладала твердостью, то выглядела не как эластичный шнур, натянутый между двумя опорами, а как шнур, подвешенный на опоре с небольшим грузом на нижнем конце. Когда полюс магнита подносили к верхнему концу светящейся нити, она в этом месте меняла положение под магнитным или электростатическим воздействием; когда раздражитель быстро убирали, получался аналогичный результат, как будто подвешенный шнур оттянули, а потом быстро отпустили рядом с точкой подвешивания. При этом светящаяся нить начинала вибрировать и на ней образовывались два видимых и один неотчетливый узел. Вибрации продолжались полных восемь минут, постепенно затухая. Скорость колебаний часто ощутимо менялась, и можно было заметить электростатическое воздействие стекла на колеблющуюся нить; но было ясно, что электростатика не являлась причиной колебаний, ибо нить обычно была стабильна, а иногда колебания вызывались быстрым приближением пальца к верхней части трубки.
При помощи магнита нить можно было разбить на две части и обе вибрировали. Поднеся руку к нижней части трубки или к изолированной пластине можно было ускорить колебания; это можно было сделать, насколько я заметил, увеличив частоту и потенциал. Так, увеличение частоты или прохождение более сильного разряда той же частоты, соответствовало натяжению шнура. Я не получил опытного подтверждения при разрядах конденсатора. Световая полоса, возбуждаемая в трубке периодическими разрядами лейденской банки, должна обладать твердостью, и если ее деформировать и внезапно отпустить, должна вибрировать. Но, вероятно, количество вибрирующего вещества было настолько мало, что, несмотря на крайне высокую скорость, инерция не могла проявиться. Кроме того, наблюдение в таких случаях очень трудно производить по причине собственных колебаний.
Демонстрация того факта, который всё еще нуждается в экспериментальном подтверждении, что вибрирующий газовый столб имеет упругость, может сильно изменить взгляды мыслителей. Когда можно заметить это свойство при низких частотах и незначительном потенциале, то как же будет вести себя газообразная среда под воздействием огромного электростатического напряжения, которое может иметь место в межзвездном пространстве, и которое может колебаться с непостижимой скоростью? Существование такой электростатической, ритмично колеблющейся силы — электростатического поля — показало бы возможный путь формирования твердых веществ из ультрагазообразного правещества, а также как поперечные и другие типы колебаний могут передаваться сквозь газообразную среду, наполняющую всю Вселенную. Тогда эфир может быть настоящей жидкостью, лишенной упругости и находящейся в состоянии покоя, причем это необходимое звено в цепи взаимодействия. Что определяет упругость тела? Это должны быть скорость и количество движущегося вещества. В газах скорость может быть значительной, но плотность крайне мала; в жидкости скорость скорее всего мала, хотя плотность может быть значительной; и в обоих случаях инерционное сопротивление, оказываемое смещению, практически равно нулю. Но поместите столб газа (или жидкости) в напряженное, часто колеблющееся электростатическое поле, и инерционное сопротивление не заставит себя долго ждать. Тело может более или менее свободно двигаться сквозь вибрирующую массу, но в целом она будет упругой.
Есть тема, которой я должен коснуться в связи с этими опытами: высокий вакуум. Это предмет не только очень интересный, но и полезный, так как его изучение может привести к результатам огромной важности. В потребительских устройствах, таких, как лампы накаливания, которые питаются от обычных систем распределения, более высокая степень вакуумирования не принесет большой пользы. В таком случае вся нагрузка ложится на нить, а газ почти не причем; усовершенствование, следовательно, будет ничтожным. Но когда мы начинаем использовать очень высокие частоты и потенциалы, действие газа становится очень важным, и вакуум серьезно изменяет результаты. До тех пор, пока применялись обычные, даже очень большие катушки, изучение предмета было ограничено, так как именно в тот момент, когда это стало наиболее интересным, изучение прекратилось по причине того, что достигнут «неударный» вакуум. Но в настоящее время мы можем получить от разрядной катушки потенциалы гораздо более высокие, чем были способны дать самые большие катушки, и, что еще более важно, мы можем заставить потенциал меняться с огромной скоростью. Оба эти достижения позволяют нам пропускать световые разряды через вакуум любой степени, и поле наших исследований значительно расширилось. Я полагаю, что из всех возможных направлений разработки практичного осветительного прибора, направление высокого вакуума кажется наиболее многообещающим. Но для получения крайней степени вакуума приборы должны быть значительно усовершенствованы, и абсолютного совершенства мы не достигнем, пока не заменим механическую помпу усовершенствованной электрической. Молекулы и атомы могут быть вытеснены из лампы под воздействием огромного потенциала: таков будет принцип вакуумной помпы будущего. В настоящее же время мы должны получить наилучший результат механическими средствами. В этом плане не лишними окажутся несколько слов о методе и устройстве для получения крайне высокой степени вакуума, которые я создал в процессе моих исследований. Очень вероятно, что и другие исследователи могли пользоваться подобными установками, но так как, возможно, в описании этой будет нечто интересное, несколько замечаний, которые позволят обрисовать изыскания более полно, я всё же сделаю.
Устройство показано на рисунке 30. 5 — это насос Шпренгеля, который был изготовлен специально для этой работы. Запорный кран не использовался, а вместо него в горловину резервуара R был вмонтирован полый клапан 5. Этот клапан имеет небольшое отверстие h, через которое поступает ртуть; размер выxoднoгo отверстия о тщательно выверен и подогнан под сечение трубки r, которая припаяна к резервуару, а не соединена с ним обычным способом. В этом устройстве удалось избежать проблем и недостатков, которые часто возникают вследствие использования запорного крана на резервуаре и соединения последнего с вертикальной трубкой.
Помпа соединяется U-образной трубкой Т с большим резервуаром Rf. С особой тщательностью были пригнаны поверхности кранов р и р р обе они, а также ртутные чашки над ними сделаны особенно "длинными. После того, как U-образная трубка была пригнана и установлена на место, ее нагрели, чтобы снять напряжение неплотно пригнанных частей. U-образная трубка имеет запорный кран С и два отвода д и д 1 — один для маленькой колбы Ь, где находится едкое кали, а другой — для приемника r, где надо создать вакуум.
Резервуар R 1 посредством резинового шланга соединяется с резервуаром R 2 который немного больше, и оба они снабжены запорными кранами C 1 и С 2 , соответственно. Резервуар R2, может при помощи штатива опускаться и подниматься таким образом, что, когда он заполнен ртутью и клапан С 2 закрыт, так чтобы в поднятом положении в нем создавался вакуум Торричелли, его можно поднять так высоко, чтобы ртуть в резервуаре R 1 поднялась выше запорного крана C1 а когда этот кран закрыт, а резервуар R2 внизу и вакуум Торричелли образуется в резервуаре R 1 его можно было опустить так низко, чтобы ртуть полностью перетекла из резервуара R 1 в резервуар R 2 и встала чуть выше запорного крана С 2
Емкость помпы и сочленений меньше соответственно вместимости резервуара R1, так как степень вакуума зависит от соотношения этих величин.
При помощи этого устройства я собрал воедино все средства производства высокого вакуума, применявшиеся в предыдущих опытах, в частности едкое кали. Позволю себе сказать касательно его использования: можно сэкономить значительное количество времени и усовершенствовать работу помпы, расплавив и доведя до кипения это вещество, как только, или даже раньше, чем помпа установится. Если этого не сделать, то едкое кали, как обычно при низких оборотах, может выделить влагу и помпа будет много часов работать, не давая высокого вакуума. Едкое кали я нагревал спиртовкой, попускал через него разряд или пропускал ток через провод, находящийся в нем. Преимущество последнего способа в том, что таким образом нагрев можно быстро повторить.
В целом процесс откачки воздуха выглядел так: вначале, когда запорные краны С и C1 открыты, а все остальные сочленения закрыты, резервуар R2 был поднят так высоко, что ртуть заполнила резервуар R 1 и узкую часть U-образной трубки. Когда помпа начинала работать, ртуть, конечно, быстро поднималась в трубке, а резервуар R2, опускался, причем исследователь удерживал ртуть примерно на том же уровне. Резервуар R2 уравновешивался длинной пружиной, которая облегчала эту работу, а трения частей было до-статочно, чтобы удерживать его в любом положении. Когда насос Шпренгеля заканчивал свою работу, резервуар R2 опускался еще ниже и уровень ртути в R1 опускался и она заполняла R2, после чего клапан С2 закрывался. Воз-дух, прижатый к стенкам R1, и воздух, поглощенный ртутью, выпускался, и чтобы освободить ртуть от всего воздуха, резервуар R2 много раз опускался и поднимался. Во время этого процесса некоторое количество воздуха, которое собиралось под запорным краном С2, выгонялось из R2 путем опускания его достаточно низко и открывания крана; кран закрывался перед тем, как поднять сосуд. Когда весь воздух был удален из ртути и больше не скапливался в R2, его опускали и прибегали к помощи едкого кали. Теперь резервуар R2 был снова поднят, пока ртуть в R 1 не устанавливалась выше крана С1 Поташ плавили и кипятили, и влага частично устранялась насосом, а частично реадсорбировалась; и этот процесс нагрева и охлаждения повторялся много раз, и каждый раз после того, как влага впитывалась или выгонялась, резервуар R2 много раз поднимали и опускали. Таким образом из ртути удалялась вся влага и оба резервуара были готовы к работе. Тогда резервуар R2 поднимался в верхнее положение и помпу включали на длительный срок. Когда достигалась наивысшая степень вакуума, колба с поташ ем оборачивалась хлопковой тканью, пропитанной эфиром, для того, чтобы держать ее при низкой температуре, затем резервуар R2 опускали и, после того как резервуар R1 опустел, приемник г быстро закупоривали.
Когда вставляли новую колбу, ртуть поднималась выше крана C 1 , который был закрыт для того, чтобы оба резервуара и ртуть находились в наилучшем состоянии, и ртуть никогда не удалялась из R f , за исключением тех случаев, когда достигалась наивысшая степень откачки. Необходимо соблюдать это правило, чтобы устройство хорошо работало.
Применяя такую конструкцию, я работал очень быстро, а когда устройство было в абсолютном порядке, можно было получить флюоресценцию в небольшой колбе менее чем за 15 минут, что, конечно, очень быстро для небольшой лабораторной установки, которая потребляет примерно 100 фунтов ртути. При работе с небольшими колбами соотношение емкости насоса, приемника и сочленений и резервуара R было примерно 1-20, а уровень достигаемого вакуума обязательно очень высокий, хотя и не могу назвать точные цифры и уверенно сказать, насколько высок уровень.
Исследователя в процессе опытов более всего впечатляет поведение газов, подвергнутых воздействию высокочастотного электростатического напряжения. Но его не должно покидать сомнение: можно ли наблюдаемые эффекты отнести именно на счет молекул или атомов газа, чей химический анализ происходит перед ним, или в игру вступает другое газообразное вещество, имеющее в своем составе атомы или молекулы, погруженные в жидкость, заполняющую пространство. Такая среда обязательно должна существовать, и я убежден, что, например, даже при отсутствии воздуха поверхность и пространство вокруг предмета нагревались бы от быстро колеблющегося потенциала тела; но такого нагрева поверхности и окружающего пространства не может произойти при удалении всех свободных атомов, если бы осталась однородная, несжимаемая и эластичная жидкость — какой должен быть эфир, — ибо тогда не было бы ни ударов, ни столкновений. В таком случае, что касается самого тела, могут происходить только внутренние потери от трения.
Поразительным является то, что разряд сквозь газ проходит тем легче, чем больше частота импульсов. В этом случае его поведение диаметрально противоположное металлическому проводнику. В последнем случае с повышением частоты роль импеданса возрастает, но газ ведет себя скорее как цепь конденсаторов: возможность прохождения заряда через него, видимо, зависит от скорости изменения потенциала. Если это так, тогда в вакуумной трубке любой длины, неважно какова сила тока, самоиндукция будет ничтожно мала. Тогда мы имеем проводник в виде газа, способный передавать электрические импульсы любой частоты которую мы сможем получить. Если бы частоту удалось поднять до достаточно высокого уровня, тогда можно было бы реализовать любопытную систему распределения электроэнергии, которая заинтересовала бы газовые компании: металлические трубы, заполненные газом, где металл — это изолятор, а газ — проводник. Конечно, можно изготовить полый медный стержень, разрядить в нем газ, и пропуская импульсы достаточно высокой частоты через контур вокруг него, довести газ внутри до высокой степени накала; но что касается сил, то весьма сомнительно, будет ли при таких импульсах медный стержень действовать как статический экран. С такими парадоксами и очевидно невозможными ситуациями мы сталкиваемся на каждом шагу в нашей работе, и именно в них в большой степени и заключается основная привлекательность исследований.
Здесь у меня короткая широкая трубка, из которой откачан воздух, покрытая толстым слоем бронзы, не дающей свету поступать внутрь. Металлический зажим для подвешивания трубки укреплен посередине и касается трубки. Теперь я хочу зажечь газ внутри, подвесив трубку на проводе, соединенном с катушкой. Любой, кто проводит этот опыт впервые, скорее всего пожелает остаться в одиночестве, дабы не стать посмешищем для ассистентов. И всё же трубка освещается, несмотря на металлическое покрытие, и свет ясно виден сквозь него. Длинная трубка, покрытая алюминиевой бронзой, довольно ярко загорается, если ее держать в одной руке, а другой касаться вывода катушки. Мне могут возразить, что покрытия недостаточно хорошие проводники; однако, даже если они имели бы большое сопротивление, они должны экранировать газ. Конечно, они экранируют газ, находясь в состоянии покоя, но не так хорошо, когда на них волнообразно воздействуют. Потери энергии в трубке, несмотря на экран, происходят благодаря газу. Если бы мы взяли полый металлический шар и заполнили его абсолютно несжимаемым жидким диэлектриком, внутри шара не было бы потерь, и, соответственно, можно было бы сказать, что содержимое прекрасно экранировано, хотя потенциал и быстро меняется. Даже если шар заполнить маслом, потери всё равно были бы меньше в сравнении с газом, так как в последнем случае сила порождает смещения, а это означает удары и столкновения.
Неважно, под каким давлением находится газ, он становится важным фактором нагрева проводника, когда электрическая плотность велика, а частота высокая. То, что для нагрева проводника путем светящегося разряда воздух является очень важным элементом, так же точно, как экспериментально доказанный факт. Можно проиллюстрировать действие воздуха при помощи следующего опыта: я беру короткую трубку с небольшим вакуумом внутри, по центру которой от одного конца до другого проходит платиновый провод. По нему пропускаю постоянный или низкочастотный ток и он равномерно нагревается по всей длине. Нагрев происходит вследствие проводимости, или фрикционных потерь, а газ вокруг провода, как видим, не выполняет никакой функции. Но теперь позвольте мне пропустить прерывистые разряды или высокочастотный ток. И снова провод нагревается, но только в этот раз в основном на концах и меньше всего в середине; и если частота импульсов, или скорость изменения, достаточно высока, то провод можно даже перерезать посередине, так как весь нагрев происходит благодаря разреженному газу. Здесь газ может выступать только как проводник, не имеющий сопротивления, отводящий ток от провода, поскольку сопротивление последнего сильно возрастает, при этом лишь нагревая концы провода, так как они сопротивляются прохождению разряда. Но совсем необязательно, чтобы газ в трубке был проводником; давление его может быть крайне низким, и всё же концы провода нагреются, как доказано опытом, только в данном случае эти два конца не будут иметь электрического контакта через газообразную среду. Итак, то что происходит при высоких частотах и потенциалах в вакуумной трубке, происходит и при разряде молнии при обычном давлении. Нам необходимо лишь помнить об одном из фактов, которые мы обнаружили во время этих исследований, а именно: в ответ на высокочастотные импульсы газ при обычном давлении ведет себя так, как будто он разрежен. Я думаю, что во время разрядов молнии часто провода или предметы-проводники испаряются только из-за того, что присутствует воздух, и что если бы проводник был погружен в изолирующую жидкость, он был бы в безопасности, так как тогда энергия была бы потрачена где-то в другом месте. Исходя из поведения газов в ответ на внезапные импульсы высокого потенциала я склонен сделать вывод, что не может быть более верного пути отвода разряда молнии, чем дать ему пройти через некий объем газа, если только это можно практически осуществить.
Есть еще два свойства, на которых, я считаю, необходимо остановиться в связи с данными опытами, — «лучистое состояние» и «неударный вакуум».
Каждый, кто изучал труды Крукса, должен находиться под впечатлением, что «лучистое состояние» — это свойство газа, неотделимое от высокой степени вакуума. Но следует помнить, что явления, наблюдаемые в вакуумном сосуде, ограничены характером и емкостью применяемого устройства. Я думаю, что в колбе молекулы или атомы двигаются по совершенно прямой линии не потому, что не встречают препятствия, а потому, что скорость, переданная им, достаточна для того, чтобы двигаться по прямой. Средняя длина прямого пути — это одно, а скорость — количество энергии, связанное с движущимся телом, — совсем другое, и при обычных обстоятельствах, я полагаю, это всего лишь вопрос потенциала или скорости. Катушка с разрядником, когда потенциал очень высок, вызывает флюоресценцию и отбрасывает тени при сравнительно низком вакууме. При разряде молнии материя движется по прямой при нормальном давлении, когда средняя длина свободного пробега крайне мала, и часто изображения проводов или иных металлических предметов проецируются частицами, резко отброшенными по прямой линии.
Для того чтобы экспериментально продемонстрировать правильность приведенных высказываний, я приготовил лампу. В колбе L (рисунок 31) на нити накаливания f я укрепил кусочек извести i. Нить накаливания соединена с проводом, идущим в лампу, конструкция которой показана на рисунке 19. Когда лампа подключается к проводу, соединенному с выводом катушки, а последняя начинает работать, кусок извести i и выступающая часть нити f начинают подвергаться бомбардировке. Степень откачки воздуха такова, что потенциала катушки достаточно для начала флюоресценции, которая исчезает по мере ухудшения вакуума. Так как известь содержит влагу, которую отдает при нагревании, флюоресценция длится несколько мгновений. Когда известь достаточно нагрета, влаги отдается столько, сколько нужно, чтобы уничтожить вакуум. Так как бомбардировка продолжается, одна часть куска извести нагревается больше, чем другие, и в результате почти весь разряд проходит через эту точку, которая сильно нагревается, и белый поток частиц извести (рисунок 31) испускается из этой точки. Этот поток состоит из «лучистой материи», хотя уровень вакуума низкий. Частицы движутся по прямой, так как скорость, сообщенная им, велика, и это происходит по трем причинам — большой электрической плотности, высокой температуры небольшого участка, и того, что частицы извести легко отрываются и уносятся — гораздо легче частиц углерода. При тех частотах, которые мы можем получить, частицы ощутимо отрываются и отбрасываются на значительное расстояние, но при достаточно высоких частотах такого не произойдет: в этом случае будет распространятся только напряжение или через колбу будут передаваться вибрации. Нечего и говорить о том, чтобы достичь такой высоты, если предположить, что атомы движутся со скоростью света; но я полагаю, что такое невозможно — для этого потребуется огромный потенциал. При тех потенциалах, которые мы можем получить, даже от катушки с разрядником, скорость не должна быть важна.
Что касается «неударного вакуума» следует отметить, что он имеет место только при низкочастотных импульсах и является необходимым в силу невозможности отвода достаточного количества энергии такими импульсами в высоком вакууме, так как те немногие атомы, которые находятся рядом с выводом, вступая с ним в контакт, отталкиваются от него и держатся на расстоянии сравнительно долго, и поэтому не выполняется достаточно работы, чтобы эффект стал виден для глаза. Если разницу потенциалов на выводах поднять, то диэлектрик пробивается. Но при очень высокой частоте импульсов такого пробоя не произойдет, так как любое количество работы может быть выполнено путем постоянного возбуждения атомов в вакуумном сосуде. Нетрудно — даже при той частоте, которую мы получаем от нашего генератора, — достичь той стадии, когда разряд не проходит между двумя электродами в узкой трубке, причем каждый электрод соединен с выводом катушки, но трудно достичь того момента, когда световой разряд не формируется вокруг каждого электрода.
Естественно, в связи с высокочастотными токами возникает мысль, о том, чтобы использовать их мощную электродинамическую индукцию для получения световых эффектов в запаянной стеклянной колбе. Подводящий провод — один из недостатков современных ламп накаливания, и если не будут сделаны другие шаги вперед, то хотя бы от этого недостатка надо избавиться. И потому я провел несколько опытов в разных направлениях, некоторые из которых описал в своих прошлых публикациях. Здесь хочу упомянуть одно или два направления, в которых я двигался.
Много ламп было создано, как показано на рисунках 32, 33.
На рисунке 32 широкая трубка Т плотно соединена с меньшей по размеру W-образной трубкой U из фосфоресцентного стекла. В трубке Т располагается обмотка С из алюминиевого провода, на концах которого имеются маленькие алюминиевые шарики t и t', размещенные в трубке U. Трубка Т установлена в гнезде, содержащим первичную обмотку, через которую обычно пропускались разряды лейденских банок, а разреженный газ в маленькой трубке U возбуждался до яркого свечения токами высокого напряжения, наведенными в обмотке С. Когда, для того чтобы индуцировать токи в обмотке С, использовались разряды лейденской банки, выяснилось, что необходимо плотно набить трубку Т изолирующим порошком, так как между витками обмотки часто возникали разряды, особенно когда первичная обмотка толстая и промежуток, через который разряжались банки, большой — всё это доставило много хлопот.
На рисунке 33 показана лампа другой конструкции. На этот раз трубка Т запаяна в колбе L. Трубка содержит обмотку С, которая проходит сквозь маленькие трубки t и t, которые припаяны к трубке Т. Две тугоплавкие головки m и m укреплены на нитях накаливания, соединенных с концами проводов, проходящих через стеклянные трубочки t и t f . В целом в лампах, изготовленных по этой схеме, колба L сообщалась с трубкой Т. Для этой цели концы трубочек t и t 1 были немного оплавлены горелкой, чтобы держать провод, но не мешать сообщению. Трубка Т с маленькими трубками и проводами в них и тугоплавкие головки m и m 1 были сначала приготовлены, а затем запаяны в колбу L, после чего внутрь была помещена обмотка С и к ее концам присоединены провода. Затем трубка была плотно набита изолирующим порошком, закрыта и на конце оставлено лишь небольшое отверстие, куда досыпали порошок, а потом и его закрыли. Обычно в лампах, изготовленных в соответствии с рисунком 33, на кончики s трубок t и t f надевались алюминиевые трубочки а для защиты от нагрева. Головки т и т 1 можно было довести до любой степени накала, пропуская по обмотке С разряды лейденских банок. В таких лампах с двумя головками происходит любопытный эффект образования теней каждой головки.
Еще одно направление, по которому я неутомимо продвигался, — возбудить при помощи электродинамической индукции ток или световой разряд в вакуумной трубке или колбе. Этот предмет получил такую тщательную разработку у профессора Дж. Дж. Томсона, что я вряд ли могу что-нибудь добавить, даже если бы сделал его темой сегодняшней лекции. И всё же, поскольку опыты постепенно привели меня к определенным результатам и взглядам, этой теме следует посвятить несколько слов.
Многим, конечно, приходило в голову, что если вакуумную трубку сделать длиннее, то эдс на единицу длины трубки, необходимой для прохождения через нее заряда, постоянно уменьшается; так что даже при низкой частоте световой разряд можно возбудить в такой трубке, замкнутой на себя. Такую трубку можно пустить вокруг зала или по потолку и тут же получится источник хорошего освещения. Но такой прибор нелегко изготовить и трудно им управлять. Не получится сделать трубку из коротких отрезков, так как при обычной частоте на покрытии будут значительные потери, и, кроме того, если применять покрытия, лучше подавать ток напрямую в трубку, соединив покрытия с трансформатором. Но если удастся справиться со всеми этими препятствиями, всё-таки при низких частотах преобразования света будут неэффективны, как я уже говорил. При использовании крайне высоких частот длину вторичной обмотки — иными словами, размер сосуда — можно уменьшить, и эффективность преобразования света возрастает, если только придумать методы продуктивного получения таких частот. Так мы приходим из теоретических и практических соображений к необходимости применения высоких частот, а это значит — высокой эдс и малого тока в первичной обмотке. Когда мы работаем с зарядами конденсатора — а они в настоящее время являются единственным известным средством получения крайне высоких частот, — мы получаем эдс в несколько тысяч вольт на один виток первичной обмотки. Мы не можем увеличить в несколько раз электродинамический индуктивный эффект, намотав больше витков первичной обмотки, так как приходим к выводу, что лучше всего работать с одним витком, хотя от этого правила иногда приходится отступать, и нам приходится довольствоваться тем, что мы можем получить от одного витка. Но прежде чем мы проведем много опытов с крайне высокими частотами, необходимыми для получения в лампе эдс в несколько тысяч вольт, мы поймем огромную важность электростатических эффектов, а они усиливаются соответственно электродинамическим по мере роста частоты.
Итак, если нам что-то и нужно, так это увеличение частоты, а это плохо отразится на электродинамических эффектах. С другой стороны, можно усилить электростатическое воздействие, добавив витков во вторичной обмотке или соединив самоиндукцию и емкость для увеличения потенциала. Следует также помнить, что, понизив до минимума силу тока и увеличив потенциал, можно гораздо проще передавать электрические импульсы высокой частоты по проводнику.
Эти и подобные мысли вселили в меня решимость посвятить больше внимания электростатическим явлениям и попытаться получить как можно более высокие и как можно более быстро меняющиеся потенциалы. Тогда я обнаружил, что могу возбудить вакуумную трубку на значительном расстоянии при помощи проводника, соединенного с правильно сконструированной катушкой, и, преобразовав колеблющийся ток от конденсатора в больший потенциал, сформировать переменные электростатические поля, которые действовали на всём пространстве комнаты, зажигая трубку независимо от того, где ее держали. Я понял, что сделал шаг вперед и держался этого направления; но хочу сказать, что со всеми, влюбленными в науку и прогресс, делю одно желание — достичь полезного результата, действуя в любом направлении, куда ведет меня мысль или эксперимент. Я думаю, что выбрал правильное направление, так как не вижу, наблюдая за явлениями, которые проявляются по мере увеличения частоты, что еще может действовать между двумя цепями, по которым проходят импульсы с частотой, к примеру, несколько сотен миллионов колебаний в секунду, как не электростатические силы. Даже при ничтожно малых частотах энергия почти вся будет потенциальной, и я укрепился в убеждении, что какова бы ни была природа движения света, он происходит от огромного электростатического напряжения, вибрирующего с крайне высокой скоростью.
Из всех этих явлений с токами, или электрическими импульсами высокой частоты, самыми поразительными для аудитории являются, несомненно, те, которые происходят в электростатическом поле, действующем на значительном расстоянии, и начинающему лектору лучше всего начать и закончить выступление демонстрацией этих удивительных эффектов. В одной руке я держу трубку и перемещаю ее, а она загорается в любом месте; на всём пространстве действуют невидимые силы. Но беру другую трубку, и она может не загореться, так как вакуум очень высок. Я возбуждаю ее при помощи катушки с разрядником, и теперь она светится в электростатическом поле. Могу отложить ее на несколько недель или месяцев и всё же она не утратит способности возбуждаться. Какие изменения я произвел в трубке, возбудив ее? Если атомам сообщается движение, то трудно понять, как оно может продолжаться так долго, не затухая от фрикционных потерь; и если создать напряжение в диэлектрике, как это происходит при простой электризации, то нетрудно увидеть, как оно бесконечно существует, но очень трудно понять, почему такое состояние способствует возбуждению, когда мы имеем дело с часто меняющимся потенциалом.
Так как я демонстрировал эти явления впервые, я обнаружил некоторые интересные эффекты. Например, я получил накал головки, нити или провода, заключенных в трубку. Для получения такого результата необходимо было экономить энергию, полученную от поля, и направить ее на небольшой предмет, который надо было накалить. Поначалу задача казалась трудной, но накопленный опыт позволил мне быстро добиться результата. На рисунках 34 и 35 показаны две такие трубки, которые специально приготовлены для такого случая. На рисунке 34 короткая трубка Т р припаянная к еще одной длинной трубке Т, имеет стеклянную ножку s с платиновым проводом в ней. Очень тонкая нить накаливания / соединена с этим проводом, а наружу выводится при помощи медного провода w. Трубка имеет внешнее и внутреннее покрытия С и С/( соответственно, и заполнена до уровня покрытий и немного выше изолирующим порошком. Эти два покрытия служат для проведения всего лишь двух опытов с трубкой, а именно: для получения желаемого эффекта при соединении с телом экспериментатора или другим предметом провода w, или с индуктивным действием сквозь стекло. Ножка s снабжена алюминиевой трубкой а, для чего, объяснялось ранее, и только небольшая часть нити выступает из этой трубки. Если держать трубку Щ в любом месте электростатического поля, то нить накаляется.
Более интересное устройство изображено на рисунке 35. Конструкция его такая же, как и прежде, но здесь вместо нити накаливания небольшой платиновый проводок р запаян в стеклянную ножку s и согнут над ней кольцом, а затем соединен с внутренним покрытием С. Небольшая снабжена иголкой, на конце которой свободно закреплена крыльчатка v из тонкой слюды. Для того чтобы крыльчатка не упала, тонкая стеклянная ножка д надлежащим образом согнута и соединена с алюминиевой трубкой. Если стеклянную трубку держать в любом месте электростатического поля, то платиновый провод быстро накаляется и слюдяная крыльчатка начинает быстро вращаться.
Интенсивное свечение в лампе можно вызвать, просто соединив ее с пластиной внутри поля, и при этом пластине не обязательно по размеру быль больше абажура лампы. Фосфоресценция, вызываемая этими токами, несравненно более мощная, чем та, что вызывается обычным устройством. Небольшая фосфоресцентная лампа, если ее соединить с катушкой, излучает достаточно света, чтобы читать шрифт обычного размера на расстоянии пяти-шести шагов. Мне было интересно понаблюдать, как некоторые из фос-форесцентных ламп профессора Крукса будут вести себя с этими токами, и он оказал мне любезность, предоставив в мое распоряжение несколько таких ламп. Полученные эффекты замечательны, особенно при использовании сульфида кальция и сульфида цинка. От катушки с разрядником они светятся очень интенсивно, даже если их держать в руке, а другой касаться вывода катушки.
К каким бы результатам ни вели эти исследования, основной интерес заключается в производстве эффективного осветительного прибора. Ни в одной из отраслей электроиндустрии прогресс так не желателен сейчас, как в производстве света. Каждый думающий человек, когда он размышляет над варварскими методами, которые сейчас применяются, над прискорбными потерями, имеющими место в наших лучших системах производства света, должен спросить себя: а что же такое свет будущего? Это твердый элемент накаливания, как теперь, или светящийся газ, или светящееся тело, или что-то вроде горелки, но гораздо более эффективное?
Вряд ли удастся серьезно усовершенствовать газовую горелку, скорее всего не потому, что изобретательный человек ломал над этим голову несколько столетий без каких-либо радикальных шагов вперед, — хотя и этот аргумент не лишен оснований, — но потому, что в горелке вибрации более высокой частоты не могут быть получены, если не начать с низких вибраций. Ибо как еще образуется пламя, если не путем падения поднятого груза? Такой процесс нельзя поддерживать без обновления, а обновление повторяется переходом от низких к высоким колебаниям. Видимо, есть только один способ усовершенствовать горелку — постараться получить более высокий уровень накала. Больший накал означает более быструю вибрацию, и как следствие — больше света из того же материала и большая экономия. В этом направлении сделано несколько усовершенствований, но прогресс замедляется несколькими ограничениями. Оставив в стороне горелку, у нас остается три упомянутых способа, которые по природе своей электрические.
Допустим, что освещение будущего будет основано на накале твердого элемента. Тогда, не правда ли, лучше использовать маленькую головку вместо хрупкой нити? Из многих соображений следует, что головка способна давать большую экономию, если предположить, что трудности, связанные с эксплуатацией такой лампы, успешно преодолены. Но для работы такой лампы требуется высокий потенциал, а для его экономного получения нам требуются высокие частоты.
Такие рассуждения более подходят к теме производства света при помощи накаливания газа, или флюоресценции. В любом случае нам требуются высокий потенциал и высокая частота. Эти мысли посетили меня уже давно.
Кстати, при работе с высокими частотами, мы получаем много выгод, например, экономию при производстве света, возможность работать с одним проводом, возможность отказаться от подводящего провода и т. д.
Вопрос в том, насколько высокие частоты использовать? Обычные проводники быстро теряют способность передавать электрические импульсы, когда частота резко возрастает. Предположим, что производство импульсов огромной частоты доведено до совершенства, каждый тогда задастся вопросом: как передавать импульсы, если возникнет необходимость?
При передаче таких импульсов через проводники мы должны помнить, что имеем дело с давлением и потоком в обычном понимании этих терминов. Увеличьте давление до огромного значения и, соответственно, уменьшите поток, тогда такие импульсы — а они всего лишь варианты давления — без сомнения, можно передавать по проводу, даже если их частота — много сотен миллионов колебаний в секунду. Нет, конечно, и разговора о том, чтобы передавать такие импульсы по проводу, находящемуся в газообразной среде, даже если он защищен толстым слоем самого лучшего изолятора, так как большая часть энергии будет потрачена на бомбардировку и, соответственно, нагрев. Конец провода, соединенный с источником, будет нагреваться, а другой конец получит ничтожную долю передаваемой энергии. Основная задача, следовательно, заключается в следующем: чтобы использовать такие импульсы, нужно найти средство для уменьшения рассеивания.
Первая мысль — использовать тончайший провод в толстой изоляции. Следующая мысль — применить электростатический экран. Оплетка провода может быть покрыта тонким проводящим слоем, замкнутым на землю. Но это не подойдет, так как тогда вся энергия через экран уйдет в землю и мы ничего не получим на другом конце провода. Если ставить заземление, то только через провод с огромным сопротивлением или через низкоемкостный конденсатор. Это, однако, не решает других проблем.
Если длина волны импульсов намного меньше, чем длина провода, тогда соответствующие короткие волны возбуждаются в покрытии и получается то же самое, как если бы оно было заземлено. Следовательно, надо, чтобы покрытие состояло из отрезков меньшей длины, чем длина волн. Такая конструкция не дает абсолютного экранирования, но всё же это в десятки тысяч раз лучше, чем никакого. Я полагаю, что покрытие лучше поделить на отрезки, даже если длина волны больше, чем покрытия.
Если провод укрыт абсолютным электростатическим экраном, это то же самое, как если бы все предметы были удалены от него на бесконечно большое расстояние. Емкость тогда бы уменьшилась до емкости провода, то есть очень малой величины. Тогда стало бы возможным посылать по этому проводу электрические вибрации очень высокой частоты на огромные расстояния, не оказывая большого влияния на характер вибраций. Абсолютный экран — это, конечно, невозможно, но я полагаю, что с тем экраном, который я только что описал, передача телефонных вызовов через Атлантику стала бы возможной. Исходя из моей идеи, провод, изолированный гуттаперчей, имеет третье проводящее покрытие, поделенное на участки. Поверх всего этого надо опять поместить слой гуттаперчи и другого изолятора, а затем армировать провод. Но такой провод не будет создан, пока информация, передаваемая без проводов, не будет пульсирующим сигналом пронизывать всю планету как живой организм. Удивительно то, что при нынешнем уровне знаний и накопленного опыта, не делаются попытки возбудить электростатическое и магнитное поля Земли для передачи, если уж нечего больше передавать, информации.
Моей целью сегодня было представить вам явления и новые свойства и выдвинуть идеи, которые, я надеюсь, послужат отправной точкой для новых открытий. Моим желанием было показать вам несколько новых занимательных опытов. Ваши аплодисменты, звучавшие часто и подолгу, убедили меня, что я своей цели достиг.
В заключение позвольте мне сердечно вас поблагодарить за вашу любезность и внимание, и заверить, что возможность обратиться к такой именитой аудитории и удовольствие представить свои идеи перед обществом таких опытных исследователей — а среди вас есть такие, в чьих трудах многие годы я находил свет озарения и истинное наслаждение, — никогда не будут мною забыты.
