Лекции

Полый металлический шкив Р (рисунок 4а) был укреплен на валу а, который вращался со значительной скоростью при помощи соответствующего механизма. Внутри шкива, но не соприкасаясь с ним, был установлен тонкий диск h (показанный толстым для ясности рисунка) из твердой резины с впрессованными металлическими сегментами ss, имеющими металлические выступы ее, к которым привинчены провода tt, покрытые тонким слоем резины t₁t₁. Резиновый диск h с металлическими сегментами ss был обработан на токарном станке и вся его поверхность тщательно отполирована для того, чтобы уменьшить трение при вращении в жидкости. В полый шкив было залито масло так, чтобы заполнить все пространство вплоть до отверстия, оставленного во фланце / на передней части шкива, которое тщательно завинтили. Выводы tt соединили с противоположными слоями батареи конденсаторов так, чтобы разряд происходил в жидкости. При вращении шкива жидкость прижималась к ободу и создавалось значительное давление. Таким простым способом искровой промежуток заполнялся средой, которая вела себя практически как твердое тело и имела свойство мгновенно восстанавливаться после разрыва и, кроме того, циркулировала в искровом промежутке с огромной скоростью. При помощи таких разрядников с жидким прерывателем были получены очень мощные явления, причем эти разрядники были созданы в нескольких вариантах. Было обнаружено, как и ожидалось, что при данной длине провода можно получить более длинную искру, если применять для прерывания воздух. В целом скорость, а следовательно, и давление жидкости, были ограничены трением жидкости в описанном разряднике, но скорости, получаемой на практике, было более чем достаточно для производства разрядов, приемлемых для обычных цепей. В таких случаях металлический шкив Р изнутри имел зубцы и тогда возникало несколько пробоев, количество которых можно было высчитать, исходя из скорости вращения шкива. Эксперименты проводились с использованием жидкостей с разной изолирующей способностью с целью снижения потерь в дуге. Если изолирующую жидкость немного подогреть, потери в дуге снижаются.

Во время опытов с такими разрядами был отмечен интересный момент. Например, было обнаружено, что в то время, как условия опыта были подобраны таким образом, чтобы получать искру наибольшей длины, ток, полученный таким способом, не лучшим образом подходил для получения световых эффектов. Опыт, несомненно, показывает, что в таких случаях предпочтительнее иметь гармоническое колебание потенциала. Неважно — накаляется твердое тело до состояния свечения или энергия передается конденсатором сквозь стекло, — можно с уверенностью сказать, что гармонично повышающийся и понижающийся потенциал оказывает менее разрушительное действие, и что вакуум поддерживается гораздо дольше. Это можно легко объяснить, если бы было установлено, что процесс, имеющий место в вакуумном сосуде, имеет электролитическую природу.

Блок-схема на рисунке 1, к которой мы уже обращались, демонстрирует наиболее вероятные случаи. От источника подается либо постоянный, либо переменный ток. В лабораторных условиях удобнее всего применять устройство G, показанное на рисунке, способное давать оба типа тока. В таком случае также предпочтительно использовать многоконтурную машину, так как во многих опытах предпочтительнее и удобнее иметь разнофазные токи. На схеме D означает цепь постоянного, а А — переменного тока. Каждая часть имеет по три групповые цепи, каждая из групп имеет линейный выключатель ssssss. Сперва рассмотрим преобразование постоянного тока; вариант 1а самый простой. Если эдс генератора достаточна для пробоя сквозь небольшой промежуток, заполненный воздухом, по крайней мере, если последний нагрет или его изолирующие свойства ослаблены иным способом, нетрудно поддерживать колебания довольно экономично, осторожно подстраивая емкость, самоиндукцию и сопротивление в цепи L, имеющей устройства Пт. В данном случае магнит NS может удачно сочетаться с воздушным промежутком. Разрядник dd с магнитом можно поместить любым способом, как показано сплошной или пунктирной линией. Контур 1а со всеми клеммами и устройствами должен быть таких размеров, чтобы успешно поддерживать колебания. Но обычно эдс в контуре 1а устанавливается на уровне 100 В или около, этого недостаточно для пробоя через искровой промежуток, заполненный воздухом. Для решения этой проблемы и повышения эдс в промежутке можно использовать много разных средств. Самое простое, вероятно, включить последовательно с цепью L большую катушку самоиндукции. Когда дуга устанавливается, как в разряднике на рисунке 2, магнит разрушает ее в самый момент формирования. Тогда через промежуток резко устремляется дополнительный ток пробоя, имеющий высокую эдс, и для тока динамо-машины вновь устанавливается цепь низкого сопротивления, что приводит к резкому броску тока от машины при ослаблении или затухании дополнительного тока пробоя. Этот процесс очень быстро повторяется, и таким способом мне удавалось поддерживать колебания при напряжении в промежутке всего лишь 50 В. Но преобразование тока по такой схеме не рекомендуется по причине большой силы тока в промежутке и сильного нагрева электродов; кроме того, получаемая частота очень низка вследствие высокой самоиндукции, обязательно возникающей в цепи. Желательно, во-первых, иметь как можно более высокую эдс для повышения экономии при преобразовании, а во-вторых, высокую частоту. Разность потенциалов при электрических колебаниях, конечно, соответствует силе растяжения пружины при механических колебаниях. Для получения очень быстрых колебаний в цепи с высокой инерцией требуется большая сила растяжения или разность потенциалов. Соответственно, если эдс высока, конденсатор, включенный в цепь, должен иметь небольшую емкость, имеются и другие преимущества. В целях повышения эдс до значения в несколько раз выше того, что мы имеем в обычных бытовых сетях, применяется вращающийся трансформатор д, как показано на рисунке 1а, либо генератор G питает отдельную машину, выдающую высокое напряжение. Последний вариант, вообще-то, более предпочтителен, поскольку он более гибкий. Схема подключения к обмотке высокого напряжения похожа на ту, что показана на рисунке 1а за исключением того, что регулируемый конденсатор С включен в цепь высокого напряжения. Обычно в таких экспериментах применяется катушка самоиндукции, включенная в цепь последовательно. При высоком напряжении тока магнит, работающий в разряднике, имеет небольшую ценность, поскольку нетрудно подобрать такие габариты контура, чтобы поддерживать колебания. Применение постоянной эдс при высокочастотном преобразовании дает некоторые преимущества по сравнению с переменной эдс, так как легче регулировать цепь и контролировать ее работу. Но, к сожалению, существует ограничение по напряжению. Часто выходит из строя обмотка вследствие сильного искрения между секторами якоря или преобразователя, когда устанавливаются сильные колебания. Кроме того, такие трансформаторы дороги. Практика показала, что лучше всего использовать схему Ilia. Здесь вращающийся преобразователь д используется для преобразования низковольтного постоянного тока в низкочастотный переменный ток, желательно также низкого напряжения. Напряжение затем повышается стационарным трансформатором Т. Вторичная обмотка этого трансформатора соединена с регулируемым конденсатором С, который разряжается через промежуток dd, размещенный любым из указанных способов, через первичную обмотку Р разрядной катушки, причем ток высокого напряжения снимается со вторичной обмотки s_fэтой катушки, как указывалось ранее. Это, без сомнения, наиболее дешевый и удобный способ преобразования постоянного тока.

Три групповые цепи контура А представляют собой наиболее частые случаи практического применения преобразователей переменного тока. На рисунке lb конденсатор С, обычно большой емкости, включен в цепь L, содержащую устройства //, тт. Устройства mm должны иметь высокую самоиндукцию, для того чтобы более или менее уравнивать частоту контура с частотой динамо. В данном случае разрядник dd должен выдавать в секунду количество разрывов, вдвое превышающее частоту динамо. Следует помнить, что преобразование и получение тока высокого напряжения происходит и тогда, когда разрядник dd, показанный на схеме, не применяется. Но эффекты, производимые токами, которые резко возрастают, как при пробойном разряде, совершенно отличаются от тех, которые мы имеем, когда сила тока повышается и понижается гармонично. Так, например, в каком-либо случае разрядник dd может давать число разрывов и соединений, вдвое превышающее частоту динамо, или, иными словами, может наблюдаться то же число базовых колебаний, которое бы имелось при отсутствии искрового промежутка, и даже могут отсутствовать наложенные колебания; и всё же разность потенциалов в разных точках контура, сопротивление и другие явления не будут иметь ничего общего в обоих случаях. Так, при работе с разрядными токами в расчет надо принимать не частоту, как могут думать некоторые исследователи, а скорость изменения за единицу времени. При низких частотах, в определенной мере, можно наблюдать те же явления, что и при высоких, при условии, что скорость изменения достаточно высока. Так, если ток низкой частоты преобразовать до напряжения, скажем, 75 000 В, и высоковольтный ток пропустить через ряд нитей накаливания, важность наличия разреженного газа вокруг нити станет очевидной; или, если низкочастотный ток силой в несколько тысяч ампер пропустить через металлический брусок, можно наблюдать поразительные явления, вызванные сопротивлением, так же, как и в случае с током высокой частоты. Но очевидно, что при низкой частоте невозможно получить такую скорость изменения за единицу времени, как при высокой частоте, а поэтому и эффекты, производимые высокочастотными токами, более рельефны. На всё вышесказанное было необходимо обратить ваше внимание, так как многие из приведенных явлений неосознанно ассоциировались с высокой частотой. Частота сама по себе на самом деле ничего не значит, за исключением того случая, когда речь идет о спокойном гармоническом колебании.

В контуре III amp; показана конструкция, похожая на контур 16, с той лишь разницей, что токи, разряжающиеся через промежуток dd, используются для наведения токов во вторичной обмотке s трансформатора Т. В данном случае вторичная обмотка должна быть соединена с регулируемым конденсатором для настройки ее на первичную обмотку.

Схема lib демонстрирует образец преобразования переменного тока высокой частоты, применяется наиболее часто и признана самой удобной. Об этой схеме я говорил в предыдущих лекциях и не стоит на ней задерживаться.

Некоторые из результатов были получены с использованием высокочастотного генератора. Описание этих машин можно найти в моей лекции, прочитанной в Американском институте электроинженеров, и периодических изданиях того времени, в частности, в журнале «Electrical Engineer» от 18 марта 1891 года.

Теперь я перейду к описанию экспериментов.

О явлениях, производимых электростатической силой

Первая группа явлений, которые я хочу вам продемонстрировать, — это явления, производимые электростатической силой. Это та самая сила, которая управляет движением атомов, заставляет их сталкиваться и отдавать энергию, которая дает нам тепло и свет, необходимые для жизни, и заставляет их соединяться бесчисленным множеством способов, согласно изобретательным замыслам Природы, и образовывать те удивительные формы, которые мы наблюдаем вокруг; фактически, если наши взгляды на мир верны, это для нас самая важная в природе сила, которую надо изучать. Поскольку термин «электростатическая» подразумевает некое электрическое постоянство, следует заметить, что в этих опытах сила не постоянна, она меняется со скоростью, которую можно назвать умеренной, примерно миллион раз в секунду или около того. Это позволяет мне получать эффекты, невозможные при условии постоянной силы.

Когда два тела изолированы и наэлектризованы, мы говорим, что между ними действует электростатическая сила. Эта сила проявляется в притяжении, отталкивании и напряжении внутри тел и пространстве или окружающей их среде. Напряжение в воздухе или окружающей среде может быть настолько велико, что эта среда может не выдержать, и мы наблюдаем искры или пучки света или так называемые стримеры. Эти потоки образуются в изобилии, когда сила, действующая в воздухе, быстро изменяется. Я продемонстрирую действие электростатической силы в новом опыте, где я задействую индукционную катушку, о которой уже рассказывал. Катушка помещается в ванночке с маслом, находящейся под столом. Два конца провода вторичной обмотки пропущены через две толстые резиновые изолирующие трубки, концы которых выступают над столом. Необходимо хорошо изолировать концы обмотки толстым слоем твердой резины, так как даже сухое дерево не может служить достаточным изолятором, когда работают токи такого высокого напряжения. К одному из выводов катушки я присоединил большой шар из листовой меди, который, в свою очередь, соединен с еще большей медной пластиной, что, как вы увидите, позволит мне произвести опыт при надлежащих условиях. Теперь я включаю катушку и подношу к свободному выводу зажатый в руке металлический предмет, чтобы избежать ожога. Когда я подношу руку на расстояние 8-10 дюймов, с конца провода вторичной обмотки срывается неистовый поток искр, который проходит сквозь резиновую изоляцию. Искрение прекращается, когда металлический предмет в моей руке касается провода. Мою руку при этом пронизывает мощный ток, колеблющийся с частотой в несколько миллионов раз в секунду. Вокруг меня чувствуется действие электростатической силы, а молекулы воздуха и частицы пыли, на которые она воздействует, отчаянно бьют по моему телу. Частицы настолько возбуждены, что если выключить свет, то вы сможете заметить потоки слабого света на некоторых частях моего тела. Когда образуется такой стример, или поток, он дает ощущение покалывания. Если бы потенциал был достаточно высок, а частота довольно низка, кожа, скорее всего, не выдержала бы и лопнула под воздействием огромного напряжения, а кровь устремилась бы наружу тонкими струями, настолько тонкими, что их не различить глазом, подобно маслу, если его поместить на положительный полюс машины Хольца. Прорыв кожи, хотя это и кажется невозможным, на первый взгляд, скорее всего, имел бы место, поскольку ткани под кожей гораздо лучшие проводники. По крайней мере, это кажется правдоподобным, исходя из некоторых наблюдений.

Я могу сделать так, чтобы эти потоки стали видны всем, прикоснувшись металлическим предметом одного из выводов, а другую руку поднеся к металлическому шару, который соединен с другим выводом катушки. По мере приближения руки воздух между ней и шаром, а также вокруг, возбуждается более интенсивно, и вы видите, как потоки света устремляются с моих пальцев и со всей ладони (рисунок 5). Если бы я поднес руку ближе, возникло бы мощное искрение, что могло бы привести к травме. Стримеры не причиняют боли, за исключением того, что на кончиках пальцев чувствуется жжение. Не стоит путать эти потоки с теми, что образуются от электрофорного генератора, так как во многом те и другие ведут себя по-разному. Я присоединил шар и пластину к одному из выводов для того, чтобы избежать образования видимых потоков на этом выводе, а также чтобы предотвратить искрение на большом расстоянии. Кроме того, с такой конструкцией катушка работает лучше.

Световые потоки, которые вы наблюдали, когда они срывались с моей руки, образуются вследствие огромного потенциала, примерно в 200 000 В, колеблющегося с неравномерными интервалами около миллиона раз в секунду. Вибраций такой амплитуды, но в четыре раза быстрее, для поддержания которых требуется потенциал в 3 000 000 В, было бы достаточно, чтобы мое тело было охвачено пламенем. Но это пламя не сожгло бы меня; как раз наоборот, по всей вероятности, я даже не был бы ранен. И всё же сотой части этой энергии, направленной иначе, вполне достаточно, чтобы убить человека.

Количество энергии, которое таким способом можно передать в тело человека, зависит от частоты и потенциала тока, и установив их на очень высокой отметке, телу можно передать громадное количество энергии, не причинив никакого неудобства, за исключением, возможно, руки, которую пронизывает настоящий ток проводника. Причиной, по которой тело не чувствует боли и ему не причиняется вреда, является то, что везде, если представить себе, что по телу течет ток, он направлен под прямым углом к поверхности; следовательно, тело экспериментатора имеет большое сечение, и плотность крайне мала, за исключением руки, в которой плотность может быть значительной. Но если только небольшую долю этой энергии передать таким образом, что ток, пронизывающий тело, уподобится низкочастотному току, можно получить смертельный удар. Постоянный или низкочастотный переменный ток смертелен, я полагаю, потому, что его распределение в организме неоднородно, он должен делиться на небольшие потоки огромной плотности, при этом некоторые органы смертельно поражаются. В том, что такой процесс имеет место, я нисколько не сомневаюсь, хотя этому нет никаких свидетельств, или экспериментальных подтверждений. Вероятнее всего ранит и убьет постоянный ток, но наиболее болезнен переменный ток низкой частоты.

Мое выражение этих взглядов, которые есть результат долгих экспериментов и наблюдений как постоянного, так и переменного тока, вызвано интересом, проявленным к этому предмету, а также очевидно ошибочными идеями, которые предлагаются на обсуждение в профильных журналах.

Я могу проиллюстрировать действие электростатической силы еще одним поразительным опытом, но прежде я бы хотел обратить ваше внимание на несколько фактов. Я уже говорил о том, что когда среда между двумя противоположно заряженными телами испытывает чрезмерное напряжение, она пробивается и, выражаясь популярным языком, два противоположных электрических заряда соединяются и нейтрализуют друг друга. Этот пробой среды в целом происходит, когда сила, действующая между телами, постоянна пли меняется с умеренной скоростью. Если бы скорость этого изменения была достаточно высокой, то такого разрушительного пробоя не произошло бы, неважно, как велика эта сила, ибо в таком случае вся энергия тратилась бы на излучение, конвекцию и механическую и химическую работу. Таким образом, длина искры или наибольшее расстояние, при котором между двумя наэлектризованными телами возникнет искра, тем меньше, чем больше амплитуда изменений или временные промежутки таковых. Но это правило верно только в общем, при сравнении очевидно разных скоростей.