Лекции

Какой бы отдаленной ни казалась возможность промышленного использования такого способа передачи тому, кто не опытен в экспериментах такого рода, она не покажется таковой тому, кто посвятил некоторое время исследованиям в данном направлении. И в самом деле, я не понимаю, почему такая схема может показаться непрактичной. Не вижу также, зачем обязательно надо применять токи высокой частоты, ибо если достичь потенциала в 30 000 В, передача через один провод может осуществляться и при низкой частоте, мною проводились опыты в этом направлении.

Когда частота очень высока, в лабораторных условиях оказалось довольно легко регулировать эффекты так, как показано на рисунке 17. Здесь мы имеем две первичные обмотки Р и Р, каждая из которых одним концом соединена с проводом заземления L, а другим — с пластинами конденсатора С и С соответственно. Рядом с ними помещаются другие пластины конденсатора С₁и С_я причем первая соединена с проводом L, а вторая с большой изолированной пластиной Р_гНа первичные обмотки намотаны вторичные из проволоки S и S₁соединенные с устройствами d и / соответственно. При изменении расстояния между пластинами С и С₁и С и C₁меняется сила

Рис. 18

тока на обмотках S и S_гИнтересна большая чувствительность устройства, при малейшем изменении расстояния пластин конденсатора сила тока в обмотках значительно меняется. Чувствительность можно довести до крайнего значения, так настроив частоту, что сама первичная обмотка, когда ничего не соединено с ее свободным концом, удовлетворяет, совместно с замкнутой вторичной, условиям резонанса. При таких условиях даже небольшое изменение емкости свободного вывода приводит к большим изменениям. Например, мне удалось так настроить устройство, что простое приближение человека к катушкам производит значительное изменение яркости накала ламп, соединенных со вторичной обмоткой. Такие наблюдения и опыты в настоящее время, конечно, имеют чисто научный интерес, но вскоре они смогут иметь и практическую пользу.

Очень высокие частоты, конечно, непрактичны для использования в моторах, так как требуют применения железного сердечника. Но можно использовать броски низкой частоты и так добиться преимущества применения высокочастотных токов, когда железный сердечник не перестанет чувствовать изменения и это не повлечет значительных затрат энергии в нем. Я обнаружил, что вполне практично при помощи таких низкочастотных бросковых разрядов эксплуатировать моторы переменного тока. Группа таких моторов была разработана мной несколько лет назад, они содержат замкнутые вторичные цепи и вращаются довольно резво, когда разряды направлены через возбуждающие катушки. Одной из причин, почему такой мотор хорошо работает при таких разрядах, является сдвиг по фазе между первичными и вторичными контурами в 90 градусов, чего не бывает при гармонических колебаниях низкочастотных токов. Мне будет небезынтересно продемонстрировать опыт с простым мотором такого типа, поскольку, по всеобщему убеждению, разряды не годятся для этих целей. Мотор показан на рисунке 18. Он состоит из железного сердечника i, имеющего пазы, в которые жестко вставлены медные шайбы СС. На небольшом расстоянии от сердечника расположен свободно вращающийся диск D. Сердечник имеет первичную возбуждающую обмотку С₁концы которой а и b соединены с выводами вторичной обмотки S обычного трансформатора, где первичная обмотка Р соединена с генератором G переменного тока низкой или умеренно низкой частоты. Выводы вторичной обмотки S соединены с конденсатором С, который разряжается через искровой промежуток dd, который в свою очередь можно включить последовательно или параллельно с обмоткой C₁. Если настройки произведены верно, диск D вращается со значительным усилием и сердечник i не сильно нагревается. Если ток получается от генератора высокой частоты, напротив, сердечник вскоре сильно нагревается, а диск не развивает достаточного усилия. Для правильного проведения опыта следует удостовериться в том, что диск D не вращается до тех пор, пока не произойдет разряд в промежутке dd. Желательно применять большой железный сердечник и конденсатор большой емкости, для того чтобы ослабить наложенные колебания или вовсе избавиться от них. Я обнаружил, что при соблюдении определенных элементарных правил очень практичным является использование последовательных или параллельных моторов постоянного тока, где применяются такие разряды, и это можно делать, используя или не используя обратный провод.

Явления сопротивления

Среди явлений, вызванных электрическим током, возможно, наиболее интересными являются те, что порождены сопротивлением проводника токами, меняющимися с высокой скоростью. В моей первой лекции, прочитанной в Американском институте электроинженеров, я описал несколько поразительных явлений такого характера. Так, я показал, что, когда такие токи или разряды пропускаются через толстый металлический брусок, на его поверхности могут возникнуть точки на расстоянии лишь нескольких дюймов друг от друга, между которыми имеется достаточная разница потенциалов, необходимая для поддержания яркого накала обычной нити лампы. Я также описывал любопытное поведение разреженного газа, окружающего проводник, вследствие таких внезапных бросков тока. Эти явления с той поры были изучены более тщательно, и несколько опытов было бы полезно привести сейчас.

На рисунке 19а В и B_f — толстые медные бруски, нижние концы которых соединены с пластинами конденсатора Си С₍ соответственно, пластины конденсатора в свою очередь соединены с выводами вторичной обмотки S трансформатора высокого напряжения, первичная обмотка которого Р запи-тана от низковольтной динамо-машины G или обычной сети. Конденсатор, как обычно, разряжается через промежуток dd. Установив быстрые колебания, мне удалось провести следующий любопытный эксперимент. Бруски В и В₁сверху соединялись низковольтной лампой немного ниже помещалась на клеммах СС еще одна 50-вольтовая лампа 1₂; а еще ниже — 100-вольтовая лампа L; и, наконец, на некотором расстоянии ниже вакуумная трубка Т. После тщательной выверки положения всех устройств стало возможным поддерживать в них соответствующий уровень свечения. И всё же они все были параллельно соединены многочисленными дугами с медными брусками и требовали разного напряжения. Этот эксперимент требует, конечно, тщательной настройки, но после этого его вполне легко поставить.

На рисунках 196 и 19в показаны два других опыта, не требующие столь тщательной настройки параметров. На рисунке 196 показаны две лампы l_i и 1₂, первая — на 100 вольт, а вторая — на 50, размещенные на определенном расстоянии одна над другой, причем 100-вольтовая лампа располагается ниже. Когда в искровом промежутке формируется дуга и через бруски ВВ₁ подаются броски тока, 50-вольтовая лампа, как правило, горит с максимальной яркостью, или, по крайней мере, этого нетрудно добиться, в то время как 100-вольтовая остается темной (рисунок 196). Теперь можно соединить бруски BB_fтолстым поперечным бруском В₂сверху и становится возможным поддерживать полный накал в 100-вольтовой лампе, а 50-вольтовая остается темной (рисунок 19в). Результаты не стоит приписывать полностью частоте, но скорее скорости изменения колебаний, которая может быть высокой даже при низкой частоте. Таким образом, можно получить много интересных результатов, в особенности для тех, кто привык работать только с постоянным током, и эти результаты дают ценные ключи к разгадке многих секретов электрического тока.

В предыдущих опытах я имел возможность показать некоторые световые явления и теперь было бы правильным исследовать их детально; но чтобы сделать эти исследования наиболее полными, я полагаю необходимым вначале высказаться относительно электрического резонанса, поскольку это явление всегда наблюдается во время таких опытов.

Об электрическом резонансе

Эффекты, порождаемые резонансом, всё чаще замечаются инженерами и приобретают всё большую важность при работе с любой аппаратурой переменного тока. Следовательно, надо сделать несколько замечаний по поводу этих эффектов. Ясно, если нам удастся практически использовать эффекты электрического резонанса при эксплуатации электроприборов, обратный провод, само собой, станет бесполезным, так как электрические колебания можно передавать при помощи одного провода так же хорошо, как и при помощи двух. Значит, сначала надо ответить на вопрос: «А можно ли производить такие эффекты?» Теория и эксперименты показывают, что в природе это невозможно, так как по мере возрастания колебаний потери в колеблющемся теле и окружающей его среде быстро растут и обязательно останавливают колебания, которые иначе могли бы вырасти бесконечно. Это большая удача, что резонанс в чистом виде получить нельзя, ибо, если бы это было возможно, трудно было бы предугадать, какие опасности поджидали бы бедного экспериментатора. Но до определенной степени резонанс получить возможно, причем степень его проявлений ограничена несовершенством проводника, недостаточной эластичностью среды, или, говоря в общем, фрикционными потерями. Чем меньше эти потери, тем более впечатляют его проявления. То же самое происходит и при механических колебаниях. Толстый металлический брусок может колебаться под воздействием падающих на него с определенным интервалом капель воды; а в случае со стеклом, которое еще более эластично, проявления резонанса еще более значительны, ведь стеклянный бокал можно разбить, если пропеть в него ноту определенного тона. Электрический резонанс получается тем сильнее, чем меньше сопротивление участка цепи и чем лучше изолирующие свойства диэлектрика. При разрядах лейденской банки через толстый многожильный провод с тонкими жилами эти требования удовлетворены наилучшим образом, и резонанс проявляется наиболее выпукло. Так не происходит, однако, в динамо-машинах, цепях трансформатора или в целом в коммерческих устройствах, где наличие сердечника затрудняет проявление резонанса или делает его вовсе невозможным. Что же касается лейденских банок, при помощи которых эффекты резонанса часто демонстрируются, я бы сказал, что они часто приписываются действию резонанса, а не являются его следствием, ибо в этом случае очень легко допустить ошибку. Это убедительно можно проиллюстрировать следующим опытом. Возьмем, к примеру, две изолированные металлические пластины или два шара А и В, расположим на определенном небольшом расстоянии друг от друга и зарядим их при помощи фрикционной машины или электрофорного генератора до такого потенциала, что даже небольшое его изменение вызывает пробой воздушной подушки или изоляции между телами. Этого легко добиться путем предварительных попыток. Теперь, если еще одну пластину, — закрепленную на изолирующей рукоятке и соединенную с одним из выводов вторичной обмотки катушки индуктивности высокого напряжения, которую питает генератор (желательно высокочастотный), — поднести к одному из заряженных тел А или В, причем ближе к одному из них, между ними обязательно произойдет разряд; по крайней мере, он произойдет, если потенциал пластины достаточно высок. Это явление легко объясняется тем фактом, что поднесенная пластина индуктивно воздействует на заряженные предметы А и В, вызывая искру между ними. Когда возникает эта искра, заряды, которые были ранее переданы предметам, должны теряться, так как между ними устанавливается связь через сформированную дугу. Итак, эта дуга образуется вне зависимости от того, есть резонанс или нет. Но даже если искра не образуется, всё же между предметами имеет место эдс, когда пластину подносят; следовательно, приближение пластины, даже если фактически и не вызовет, то, во всяком случае, будет иметь тенденцию к пробою промежутка вследствие индуктивного воздействия. Вместо пластин или шаров А и В мы можем с таким же успехом взять пластины лейденской банки, а вместо машины — желательно, чтобы это был высокочастотный генератор, так как он лучше подходит для проведения опыта или для его обоснования, — мы можем взять еще одну лейденскую банку или несколько. Когда такие банки разряжаются через цепь низкого сопротивления, ее пронизывают токи очень высокой частоты. Теперь внешнюю пластину можно соединить с одной из пластин второй банки, и когда ее подносят ближе к первой банке, заряженной перед этим до высокого потенциала при помощи электрофорного генератора, результат получается тот же, что и ранее, и первая банка разряжается через узкий промежуток, когда на вторую банку оказывается воздействие. Но обе банки и не требуется приближать на расстояние, более близкое, чем самая низкая басовая нота по отношению к писку комара, так как в промежутке уже возникнут небольшие искры или, по крайней мере, воздух в промежутке будет значительно напряжен вследствие возникшей благодаря индукции эдс в тот момент, когда одна из банок начинает разряжаться. Может быть допущена и другая ошибка подобного свойства. Если цепи двух банок установлены параллельно и близко друг от друга, и экспериментатор разряжает одну из них при помощи второй, а после добавления к одной из цепей витого провода опыт не удается, вывод о том, что цепи не настроены, будет далек от истины. Так как эти контуры работают, как конденсатор, а добавление витков провода эквивалентно замыканию его в месте включения витков небольшим конденсатором, а он в свою очередь, не дает произойти пробою, уменьшая эдс, действующую в искровом промежутке. Можно привести и многие другие замечания, но, дабы не углубляться в обсуждение, далекое от нашего предмета, с вашего позволения, не прозвучат; эти же сделаны лишь для того, чтобы предостеречь ничего не подозревающего исследователя от того, чтобы у него не сформировалось неверное мнение о его способностях, когда он увидит, что каждый его опыт удачен; эти замечания ни в коем случае не претендуют на новизну в глазах опытных экспериментаторов.

Для получения надежных результатов при наблюдении резонанса желательно, да и необходимо, применять генератор, подающий гармонические колебания, так как при разрядном токе результатам наблюдений не всегда можно доверять, поскольку многие явления, которые зависят от скорости изменений, можно получать при различных частотах. Даже при использовании такого генератора можно допустить ошибку. Когда контур соединен с генератором, мы имеем бесконечно большое число значений емкости и самоиндукции, которые в различных соотношениях отвечают условиям резонанса. Как и в механике может быть бесконечное множество камертонов, которые отзываются на ноту определенного тона, или нагруженных пружин, имеющих определенную амплитуду колебаний. Но резонанса можно определенно добиться в том случае, когда движение происходит с наибольшей свободой. Итак, в механике, когда речь идет о колебаниях в обычной среде, то есть в воздухе, большой разницы нет, имеет ли один камертон размер больше, чем другой, поскольку потери в воздухе незначительны. Можно, конечно, поместить камертон в вакуумный сосуд и, таким образом сведя к минимуму потери от трения о воздух, добиться наибольшего резонанса. И всё же разница будет невелика. Но она будет огромной, если камертон поместить в ртуть. При электрических колебаниях очень важно обеспечить наибольшую свободу движения. Количественный показатель резонанса, в остальном при одинаковых условиях, зависит от количества электричества, приведенного в действие, или от силы тока, движущегося в цепи. Но цепь сопротивляется прохождению тока по причине ее импеданса и, следовательно, для получения наилучшего результата надо свести сопротивление к минимуму. Невозможно избавиться от него совсем, но частично возможно. Когда же частота импульсов очень высока, протекание тока практически определяется самоиндукцией. Самоиндукцию можно преодолеть, связав ее с емкостью. Если соотношение между ними таково, что они гасят друг друга, то есть имеют такие значения, что они удовлетворяют условиям резонанса, и через внешнюю цепь протекает наибольшее количество электричества, мы имеем наилучший результат. Проще всего и надежнее, когда конденсатор включен в цепь последовательно с индуктивностью. Конечно, ясно, что в таких сочетаниях, при определенной частоте, и учитывая только базовые колебания, мы будем иметь наилучшие значения, когда конденсатор включен с катушкой самоиндукции параллельно, и таких значений будет больше, чем при последовательном включении. Но выбор определяется требованиями практики. В последнем случае при проведении опыта можно взять небольшую катушку и большую емкость или большую катушку и маленькую емкость, но последнее более предпочтительно, так как неудобно настраивать большую емкость мелкими шагами. Если взять катушку с очень большой самоиндукцией, то критическая емкость падает до очень малого значения, и емкости самой катушки может быть достаточно. Нетрудно, при помощи некоторых приспособлений, намотать катушку, которая понизит импеданс до омического сопротивления и для каждой катушки, естественно, существует частота, при которой через нее протекает максимальный ток. Соблюдение соотношения между самоиндукцией, емкостью и частотой становится особенно важным при эксплуатации устройств переменного тока, таких, как трансформаторы или моторы, поскольку при опытной настройке частей аппаратуры применение дорогостоящего конденсатора становится необязательным. Так, при обычных условиях через обмотку мотора переменного тока можно пропускать ток нужной силы с низкой эдс и полностью избавиться от ложных токов, и чем больше мотор, тем проще это практически сделать, но для этого надо использовать токи высокого потенциала и частоты.

На рисунке 20 I показана схема, которая применялась при исследовании явления резонанса с помощью высокочастотного генератора. C_f — это мно-говитковая катушка, которая поделена на небольшие участки для удобства настройки. Окончательная настройка производилась при помощи нескольких тонких железных проводов (хотя это и не всегда желательно) или при помощи замкнутой вторичной обмотки. Катушка С одним концом замкнута на провод L, ведущий к генератору G, а другим — на одну из пластин конденсатора СС, причем пластина его соединена с еще большей пластиной Р. Таким способом и емкость, и индуктивность настраивались на частоту динамо-машины.

Что касается повышения потенциала через резонансное действие, конечно теоретически, то он может подняться до любого значения, поскольку зависит от индуктивности и сопротивления, а эти величины могут иметь какое угодно значение. Но на практике величина ограничена, и, кроме того, есть и другие факторы. Можно начать, скажем, с 1 000 вольт и увеличить величину эдс в 50 раз, но нельзя начать с 100 000 вольт и поднять эту цифру в 10 раз, так как потери в окружающей среде высоки, особенно при высокой частоте. Должно быть возможно, например, начать с двух вольт в контуре высокой или низкой частоты динамо-машины и поднять эдс в несколько сотен раз. Так, катушки надлежащих габаритов можно соединить одним концом с питающим проводом машины с низкой эдс, и хотя контур машины не будет замкнут в обычном понимании этого термина, она может сгореть, если мы получим нужный резонанс. Мне не удавалось получить и не удавалось наблюдать при токах, полученных от динамо-машины, такого скачка потенциала. Возможно или даже вероятно, что при токах, полученных от машин, содержащих железный сердечник, возмущающее действие последнего и есть причина, что теоретически существующие возможности не реализуются на практике. Но если так, то я отношу это единственно к запаздыванию фаз и к потерям от токов Фуко в сердечнике. Обычно приходилось работать на повышение, когда эдс была низка, и применялась обычная катушка, но иногда было удобно использовать схему, показанную на рисунке 20 П. В данном случае катушка С разбита на очень много участков, некоторые из них служат первичной обмоткой. Таким образом, и первичная и вторичная обмотки поддаются настройке. Один конец катушки соединен с проводом L, идущим к генератору переменного тока, а другой провод L соединен со средней частью катушки. Такая катушка, с настраиваемой первичной и вторичной обмотками, также может быть удобна во время опытов с разрядами. Когда достигается настоящий резонанс, пик волны должен, конечно, находиться на свободном конце катушки, или, например, на выводе люминесцентной лампы В. Это легко подтвердить, измерив потенциал на конце провода w возле катушки.