Лекции

Если вместо того, чтобы подключать катушку, как в двух последних опытах, мы подключим ее к высокочастотному генератору переменного тока, как в следующем опыте, то систематическое исследование явлений значительно упростится. В этом случае, изменяя силу и частоту тока в первичной обмотке, мы можем наблюдать пять отчетливых форм разряда, которые я описал в своей лекции, прочитанной перед аудиторией Американского института электроинженеров 20 мая 1891 г. [8]

Нам потребуется много времени, и мы сильно отклонимся от предмета нашей сегодняшней беседы, если будем воспроизводить все эти формы разрядов, но мне кажется желательным показать вам одну из них. Это кистевой разряд и он интересен по многим причинам. Если рассматривать его вблизи, он напоминает струю газа, вырывающуюся под большим давлением. Мы знаем, что это явление объясняется возбужденным состоянием молекул возле вывода, и ожидаем, что при ударе молекул о вывод и друг о друга вырабатывается некоторое количество тепла. И действительно, мы обнаруживаем, что кисть горячая, а немного поразмыслив, можно прийти к выводу: если бы мы могли достичь высокой частоты, то получили бы кисть, которая дает достаточно тепла и света, и которая во всех деталях подобна пламени, за исключением того, возможно, что оба явления не имеют общей первопричины, что химическое сродство может и не иметь электрической природы.

8

См. «The Electrical World», 11 июля 1891 г.

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 Т₁Т₂соединены 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 Т₁Т₁также выведены из масла через толстые резиновые трубки t₁t₁. Первичная и вторичная обмотки заизолированы при помощи хлопка, и толщина изоляции, естественно, пропорциональна разности потенциалов между витками разных слоев. Каждая половина первичной обмотки имеет четыре слоя, по 24 витка, итого — 96 витков. Когда обе половины соединены последовательно, это дает коэффициент преобразования примерно 1:2,7, а если первичные обмотки соединены параллельно — 1:5,4, но когда частота очень высокая, этот коэффициент не дает даже приблизительного представления об эдс в первичном и вторичном контурах. Катушка установлена в масле на деревянных планках, толщина слоя масла вокруг — примерно 5 см. В тех случаях, когда масло не применяют, пространство вокруг заполняется деревянными опилками, и именно для этой цели служит деревянный ящик В.

Конструкция, показанная здесь, конечно, не самая лучшая с точки зрения общих принципов, но я полагаю, она удобна для получения требуемых эффектов при работе с высоким напряжением и маленькой силой тока.

Применительно к катушке, пользуюсь либо обычным, либо модифицированным разрядником. В обычном я сделал несколько изменений, которые дают некоторые очевидные преимущества. Если я и упоминаю о них, то только в надежде на то, что какой-либо экспериментатор сочтет их полезными.

Одно из изменений состоит в том, что подвижные головки А и В (рисунок 4) разрядника крепятся между медными щёчками J J под давлением пружины, что позволяет передвигать их и таким образом избежать утомительного процесса частой полировки.

Другое изменение заключается в использовании сильного электромагнита NS, который крепится так, что его ось проходит под прямым углом к линии, соединяющей головки А и В и создает между ними мощное магнитное поле. Полюсные наконечники магнита подвижны и выполнены так, чтобы выступать между медными головками, с тем чтобы сделать магнитное поле наиболее интенсивным; но для предотвращения попадания разряда на магнит, полюсные наконечники покрыты слоем слюды ММ достаточной толщины. v_fv₍и s₂s₂ — это зажимы для проводов. На каждой стороне один винт для толстого, другой — для тонкого провода. LL — это винты для крепления штоков RR, поддерживающих головки.

В другой конструкции с магнитом я создаю разряд между округлыми полюсными наконечниками, которые изолированы, и желательно, чтобы они имели полированные медные колпачки.

Применение интенсивного магнитного поля дает принципиальное преимущество в том случае, когда в индукционной катушке или трансформаторе работает ток очень низкой частоты. В этом случае количество базовых разрядов между головками может быть настолько мало, что ток, возникающий во вторичной обмотке, непригоден для многих опытов. Напряженное магнитное поле тогда служит для того, чтобы сдувать дугу, формирующуюся между головками, и разряд происходит чаще.

Вместо магнита может успешно применяться поток воздуха, более или менее сильный. В таком случае лучше формировать дугу между головками АВ (рисунок 2), а головки аЬ можно или соединить, или вовсе устранить, так как в такой конфигурации дуга длинная и нестабильная и легко поддается воздействию потока воздуха.

Когда для прерывания дуги применяется магнит, предпочтительнее вариант соединения, указанный на рисунке 5, поскольку в этом случае токи, формирующие дугу, более мощные, а магнитное поле оказывает более сильное влияние. Применение магнита позволяет, однако, заменить дугу вакуумной трубкой, но я при работе с такой трубкой столкнулся с большими трудностями.