Лекции

В связи с проявлениями резонанса и проблемой передачи энергии по одном} проводу, о которой говорилось ранее, я бы хотел сказать несколько слов о предмете, который постоянно занимает меня и который касается благополучия всех людей. Я имею в виду передачу четких сигналов, а может быть и энергии, на любое расстояние без помощи проводов. С каждым днем я убеждаюсь в реальности такого плана; и хотя я полностью отдаю себе отчет в том, что абсолютное большинство ученых не поверят, что такого результата можно добиться на практике в короткий срок, всё же думаю, что объем работ в этой области свидетельствует о том, что необходимо поощрять исследования и эксперименты в этом направлении. Мое убеждение настолько укрепилось, что я больше не рассматриваю такой способ передачи энергии или разумных сигналов лишь как теоретически возможный, но как серьезную инженерную задачу, которая должна быть однажды решена. Идея передачи информации без проводов есть результат последних исследований в области электричества. Некоторые энтузиасты выражают убежденность в том, что передача телефонного сигнала на любое расстояние при помощи индукции по воздуху возможна. Мое воображение не простирается так далеко, но я твердо верю, что практически возможно при помощи мощных машин возбуждать электростатическое поле Земли и так передавать информацию или, может быть, энергию. На самом деле, что же может помешать воплощению такого плана? Теперь мы знаем, что электрические колебания можно передавать по одному проводу. Почему же не попытаться использовать для этого Землю? Не стоит пугаться расстояний. Для усталого путника, считающего верстовые столбы, Земля может показаться очень большой, но для счастливейшего из людей, для астронома, который смотрит на звезды и по их состоянию вычисляет размеры земного шара, он может показаться очень небольшим. Таким же он должен казаться и электрику, ибо, когда он думает о скорости электрического сигнала, с которой он пронизывает Землю, все его представления о расстоянии должны испариться.

Во-первых, очень важно было бы узнать, какова емкость Земли? И какой заряд она содержит при электризации? Хотя у нас нет положительных свидетельств тому, что рядом в пространстве есть другие тела, заряженные противоположным образом, вполне возможно, что Земля именно такое тело, ибо каков бы ни был процесс, результатом которого явилось отделение Земли — а именно таковы сегодня общепринятые взгляды на ее происхождение, — она должна была сохранить заряд, как это происходит во всех процессах механического деления. Если это заряженное тело, изолированное в пространстве, то его емкость должна быть крайне мала, менее одной тысячной фарады. Но верхние слои атмосферы — проводники, такой же может являться и среда за пределами атмосферы, а она может иметь противоположный заряд. Тогда емкость может быть несравнимо выше. В любом случае очень важно понять, какое количество электричества содержит Земля. Трудно сказать, получим ли мы когда-нибудь такие знания, но надеюсь, что получим, и именно при помощи электрического резонанса. Если мы когда-либо сможем установить, каков период колебаний Земли при возбуждении ее заряда по отношению к противоположно заряженному контуру, мы получим факт, скорее всего наиболее важный для благополучия всего человечества. Я предлагаю искать этот период при помощи электрического осциллятора, или источника переменного тока. Один из выводов, например, будет соединен с землей, или городским водопроводом, а другой с изолированным предметом больших размеров. Возможно, что верхние слои атмосферы или открытый космос, имеют противоположный заряд и вместе с Землей образуют конденсатор огромной емкости. В таком случае период колебаний может быть очень небольшим, и динамо-машина переменного тока могла бы отвечать целям эксперимента. Затем я бы преобразовал ток так, чтобы получить максимально возможный потенциал и соединил концы вторичной обмотки высокого напряжения с землей и изолированным телом. Варьируя частоту тока и тщательно выдерживая потенциал изолированного тела, а также наблюдая за возмущениями в различных соседних точках земной поверхности, можно обнаружить резонанс. Если, как и полагают большинство ученых, период достаточно мал, то динамо-машина не подойдет и придется построить соответствующий электрический осциллятор, и, возможно, такие быстрые колебания получить невозможно. Но возможно это или нет, имеет Земля заряд или нет, и каков бы ни был период ее колебаний, абсолютно точно возможно — и тому мы имеем свидетельства — произвести некие электрические возмущения, достаточно мощные для того, чтобы их зарегистрировали в любой точке земной поверхности при помощи соответствующих приборов.

Предположим, что источник переменного тока соединен, как на рисунке 21, одним из своих выводов с землей (удобнее всего заземлить конец на водопровод), а другим — с предметом большой площади Р. Когда устанавливаются электрические колебания, электричество будет двигаться в обоих направлениях через предмет Р, а переменные токи будут проходить через землю, расходясь или сходясь в точке С, где сделано заземление. Таким образом будут возмущаться соседние точки на земной поверхности, расположенные в круге с неким радиусом. Но возмущение будет ослабевать по мере удаления, и расстояние, на котором этот эффект всё еще можно будет зарегистрировать, будет зависеть от количества электричества, приведенного в действие. Поскольку предмет Р изолирован, для того чтобы привести в движение значительное количество электричества, потенциал источника должен быть крайне высоким, так как площадь поверхности предмета Р ограничена. Параметры устройства можно настроить так, что источник S будет порождать такое же движение электричества, как если бы его цепь была замкнута. Так, конечно, практически возможно наложить электрические колебания определенного низкого периода на Землю при помощи надлежащей аппаратуры. На каком расстоянии эти колебания можно принять, можно только предполагать. По другому поводу мне пришлось поразмышлять над тем, как Земля может реагировать на электрические возмущения. Нет никакого сомнения в том, что во время такого эксперимента электрическая плотность у поверхности может быть очень мала, учитывая размеры Земли, и воздух не будет выступать как возмущающий фактор, а также не будет больших потерь энергии в воздухе, как могло быть, если бы плотность была высокой. Тогда теоретически не потребуется огромного количества энергии для производства возмущений, которые можно прочитать на очень большом расстоянии, если не по всему земному шару. Итак, совершенно очевидно, что в любой точке в пределах определенного круга, центром которого служит источник S, можно при помощи резонанса заставить работать прибор индуктивности и емкости. Но можно сделать не только это, но включить еще один источник 5 (рисунок 21), подобный источнику S, или любое количество источников, работающих синхронно с первым, и таким образом усилить вибрацию и распространить ее на большой площади, или получить электрический ток из источника или к источнику S, если его фаза будет противоположной фазе источника 5". Не сомневаюсь, можно эксплуатировать электрические приборы по всему городу через заземление или систему водоснабжения при помощи резонанса от одного электроосциллятора, установленного в центральной точке. Но практическое решение этой задачи будет несравнимо менее важным для человека, чем передача информации или энергии на любое расстояние через Землю или окружающую ее среду. Если это вообще возможно, то расстояние не имеет значения. Для начала надо построить надлежащие приборы, с помощью которых попытаться решить задачу, и я довольно долго над этим размышлял. Я твердо уверен в том, что это можно сделать, и мы доживем до того момента, когда это будет сделано.

О световых явлениях, полученных при помощи высокочастотных токов высокого напряжения

И ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ПО ЭТОМУ ВОПРОСУ

Возвращаясь теперь к световым явлениям, которые были основным предметом исследований, хотелось бы заметить, что все эти явления можно разделить на четыре класса: 1. Накал твердого вещества. 2. Фосфоресценция. 3. Накаливание или фосфоресценция разреженного газа. 4. Свечение газа при обычном давлении. Первый вопрос таков: как получаются эти световые эффекты? Для того чтобы ответить на этот вопрос, удовлетворяя всем современным требованиям и учитывая приобретенный мной опыт, а также для того, чтобы сделать демонстрацию интересной, я расскажу о некоей особенности, которой придаю огромное значение, поскольку она обещает, кроме всего прочего, пролить больше света на природу явлений, произведенных высокочастотными электрическими токами. Как-то я уже указывал на важность присутствия разреженного газа, или атомарной среды в целом, вокруг проводника, через который протекает переменный ток высокой частоты, когда речь идет о нагреве проводника протекающим током. Мои опыты, описанные ранее, показали, что чем выше частота и разность потенциалов тока, тем более важным становится газ, в который помещен проводник, для его нагрева. Однако разность потенциалов, как я тогда указывал, элемент более важный, чем частота. Когда оба эти параметра достаточно высоки, нагрев может происходить целиком за счет присутствия разреженного газа. Следующие эксперименты продемонстрируют важность разреженного газа, газа при обычном или ином давлении для накаливания или иных световых эффектов, производимых токами этого типа.

Я беру две одинаковые 50-вольтовые лампы по 16 свечей, которые одинаковы во всём, за исключением того, что одна лампа была вскрыта сверху, и ее заполнил воздух, а вторая находится в обычном состоянии вакуума, как обычные коммерческие лампы. Когда я присоединяю вакуумную лампу к выводу индукционной катушки, которую я уже использовал в опытах, проиллюстрированных на рисунке 15а, и включаю ток, нить, как вы уже не раз убеждались, сильно накаляется. Когда я присоединяю вторую лампу, наполненную воздухом, нить всё же светится, но не так ярко. Этот эксперимент только частично демонстрирует истинность предыдущих высказываний. Важность того, что нить помещена в разреженный газ, наглядно показана, но не так отчетливо, как хотелось бы. Причина тому — вторичная обмотка этой катушки рассчитана на низкое напряжение и имеет всего лишь 150 витков, следовательно, разность потенциалов на выводах лампы мала. Если бы я взял другую катушку с большим количеством витков, результат был бы виден более рельефно, так как он частично зависит от напряжения, как указывалось ранее. Но так как он таким же образом зависит и от частоты, то правильнее было бы сказать, что он зависит от периода изменения разности потенциалов.

Чем больше это изменение, тем важнее становится газ как фактор нагрева. Я могу воспроизвести и гораздо большую скорость изменений, но по-иному, и этот способ, к слову сказать, имеет то преимущество, что после него вряд ли возникнут возражения, которые могли появиться после демонстрации предыдущего эксперимента, даже если обе лампы включить последовательно или параллельно, а именно: исходя из реакции между первичной и вторичной обмотками, сделанные выводы ненадежны. Такого результата я добиваюсь, заряжая батарею конденсаторов от обычного трансформатора, запитанного от подстанции переменного тока, и разряжаю их прямо через контур с небольшой самоиндукцией, как показано на рисунках 19а, 196 и 19в.

На рисунках 22а, 226 и 22в тяжелые медные бруски ВВ₁соединены с противоположными пластинами батареи конденсаторов, или, в целом, таким образом, что внезапные разряды высокой частоты пронизывают их. Сначала я присоединяю к брускам при помощи клемм СС обычную 50-вольтовую лампу. Когда через лампу проходят разряды, нить накаливается, хотя сила тока очень мала и при обычных условиях ее бы не хватило для свечения лампы. Теперь вместо нее я присоединяю другую лампу, такую же, как и первая, но ее герметичность нарушена и она заполнена воздухом при обычном давлении. Когда нить пронизывают разряды, она не накаляется. Но этот результат все же можно отнести к действию одного из факторов. Тогда я включаю обе лампы параллельно, как показано на рисунке 22а. При пропускании разрядов через нити накаливания наблюдаем, что нить в вакуумной лампе / ярко горит, в то время как нить негерметичной лампы L_; остается темной. Но не следует полагать, будто эта лампа потребляет только малую часть энергии, напротив, она может потреблять значительную ее часть и стать даже очень горячей, горячее, чем другая нить, которая горит ярко. Во время данного эксперимента разность потенциалов на выводах ламп меняет знак, теоретически, три или четыре миллиона раз в секунду. Концы нитей заряжаются соответственно, и газ в колбах сильно возбуждается, а большая часть энергии, подаваемой на нити, переходит в тепло. В негерметичной лампе, где количество молекул газа в несколько миллионов раз больше, чем в вакуумной, бомбардировка, наиболее сильная на концах нити в горловине колбы, забирает большую часть энергии, не производя видимого эффекта. Причиной тому — большое число молекул, когда бомбардировка количественно более значительна, но удары не такие сильные вследствие невозможности разгона. В вакуумной колбе, напротив, скорости частиц огромны и удары их сильны, а следовательно, производят соответствующий эффект. Кроме того, конвекционная теплоотдача в первой лампе больше. В обеих лампах сила тока, пронизывающего нити, очень мала, несравнимо меньше, чем им понадобилось бы при обычных условиях в низкочастотном контуре. Разность потенциалов, однако, на концах нитей очень велика и может равняться 20 000 вольт или более, если бы нити были прямыми и концы их расходились далеко. В обычной лампе обычно проскакивает искра между концами нити или внешнего платинового провода задолго до того, как будет достигнуто такое напряжение.

Могут возникнуть предположения, что во время опыта вакуумная лампа могла потреблять ток большей силы и полученный результат можно отнести не только к действию газа в лампах. Такие соображения поутихнут, если я соединю с тем же успехом лампы последовательно. Сделав это, пропускаем заряды через нити и вновь отмечаем, что нить в негерметичной лампе /_/ остается темной, в то время как в вакуумной / светится даже сильнее, чем при нормальных условиях (рисунок 226). В соответствии с общепринятыми взглядами, сила тока в нитях сейчас должна была бы быть одинаковой, если бы не изменилась под воздействием газа в колбах.

На этом этапе лекции мне бы хотелось коснуться еще одной интересной особенности, которая демонстрирует эффект скорости изменения потенциала тока. Теперь я оставлю лампы соединенными последовательно с брусками BB_f, как и в предыдущем опыте (рисунок 226), но значительно понижу частоту тока, которая в предыдущем опыте была очень высокой. Этого я могу добиться, включив последовательно в цепь разряда катушку индуктивности или нарастив емкость конденсаторов. Когда я теперь пропускаю низкочастотные заряды через нити, вакуумная лампа светится, как и прежде, но заметно, что негерметичная лампа тоже светится, хотя и не так ярко, как первая. Уменьшив силу тока в лампах, я могу заставить нить в негерметичной лампе быть тускло красной, и, хотя нить в вакуумной лампе светится ярко (рисунок 22в), степень накала уже гораздо меньше, чем на рисунке 226, когда ток был гораздо большей частоты.

Поведение газа в этих опытах характеризуется двояко, когда определяет степень накала нити, то есть при конвекции и бомбардировке. Чем выше частота и потенциал тока, тем важнее становится бомбардировка. Конвекция, наоборот, должна быть тем меньше, чем выше частота. При постоянном токе, бомбардировки практически нет, и следовательно, конвекция сильно влияет на накал нити и дает результат, подобный наблюдавшемуся. Так, если две одинаковые лампы, вакуумная и негерметичная, соединены последовательно или параллельно и питаются постоянным током, то нить негерметичной лампы потребует значительно большей силы тока для накаливания. Это происходит целиком и полностью вследствие конвекции, и результат тем отчетливее, чем тоньше нить. Профессор Эртон и м-р Килгор недавно опубликовали количественные результаты исследований термальной эмиссионной способности при излучении и конвекции, в которых эффект тонкого провода явно прослеживался. Этот эффект можно продемонстрировать, взяв несколько маленьких коротких стеклянных трубок, в каждой из которых вдоль ее оси располагается тончайший платиновый провод. Если из всех трубок откачать воздух, то несколько из них можно соединить параллельно и подключить к источнику постоянного тока, при этом все нити можно накалить с помощью меньшей силы тока, чем потребовалось бы для накаливания одной нити в негерметичной трубке. Если бы вакуум в трубках можно было довести до такой степени, что конвекция равнялась бы нулю, то относительное количество теплоты, выделенное при конвекции и излучении, можно было без труда определить, прибегнув к количественным измерениям тепловых характеристик. Если применить источник электрических импульсов высокой частоты и потенциала, можно включить еще большее количество трубок, и нити в них будут накаливаться при помощи тока такой силы, что ее было бы недостаточно для ощутимого нагрева провода такого же размера, помещенного в воздух при обычном давлении, и при этом передаваемой энергии хватило бы всем трубкам.

Хочу привести результат, которого добился благодаря наблюдениям во время этих опытов, и который очень интересен. Я заметил, что небольшие различия в плотности воздуха приводили к серьезной разнице в степени накала нитей, и подумал: так как в трубке, через которую проходит световой разряд, плотность газа неоднородна, то очень тонкий провод, помещенный внутрь, может накаляться в местах меньшей плотности газа и в то же время оставаться темным в местах большей плотности, где конвекция сильнее, а бомбардировка менее интенсивна. В соответствии с этой мыслью была приготовлена трубка (;, как показано на рисунке 23, через центр которой проходил очень тонкий платиновый провод w. Из трубки был частично откачан воздух, и было обнаружено, что когда ее соединяли с выводом высокочастотной катушки, платиновый провод и в самом деле накалялся участками, как показано на рисунке 23. Позже было изготовлено несколько таких трубок с одним или несколькими проводами, и каждая из них показывала одинаковый результат. Этот эффект был особенно заметен, когда появлялся полосчатый разряд, но также имел место, когда полосы не были заметны, что говорило о том, что плотность газа в трубке неоднородна. Полосы обычно располагались так, что места наибольшего разрежения соответствовали участкам наибольшего или большей яркости свечения провода w. Но через несколько мгновений становилось заметным, что яркие участки провода покрыты плотными полосами разряда, как показано буквами // на рисунке 23, хотя это явление и было трудноразличимо. Это логично объяснялось, если предположить, что конвекция не сильно различалась на плотных и разреженных участках, а бомбардировка была сильнее на плотных участках полосчатого разряда. В лампах, на самом деле, можно часто наблюдать такую картину, когда тонкий провод накаляется сильнее, если газ не сильно разрежен. Так случается, когда потенциал катушки недостаточен для вакуума, но такой результат можно объяснить разными причинами. Во всяком случае, это любопытное явление накаливания исчезает, когда трубка, или, скорее, провод в трубке равномерно нагревается.