Лекции

Вторичные обмотки, изготовленные способом, показанным на рисунке 11, имеют много преимуществ, и главные из них — безопасность работы и способность создавать потенциал, гораздо более высокий по сравнению с обычными обмотками. Для того чтобы дать вам представление о том, какое напряжение можно получить при помощи такого небольшого прибора, прилагается его фотография в работе с двумя петлями провода с изоляцией из хлопка, соединенного с разрядными стержнями (рисунок 12). Внешняя петля имеет длину всего 22 дюйма, чтобы уместилась на фотографии, но могла быть и длиннее, так как два параллельных провода длиной по 15 дюймов можно протянуть от выводов вторичной обмотки прибора и почти всё пространство между ними, шириной 4 дюйма, светится в темноте от пронизывающих его потоков, то есть площадь потоков 5 квадратных футов, и всё же энергия, потребная для питания этого контура во время эксперимента, составляет лишь 35 ватт. Для того чтобы при помощи обычного трансформатора получить такое количество стримеров, необходимых для производства озона или для чего-то подобного, потребуется гораздо большее количество энергии и гораздо более дорогая аппаратура.

Такие экстремальные разности потенциалов, которые можно получить путем применения описанного здесь принципа, — результат внезапности или скорости изменения импульсов первичного тока. При использовании обычного метода изменения силы первичного тока, либо путем превращения его в переменный, либо путем прерывания цепи мы ограничены сравнительно небольшой скоростью изменений, которые можно получить от высокочастотного генератора или быстрого прерывателя, но применяя конденсатор, внезапность разрядов практически неограниченна и можно получить любую длину искры или потенциал. Так, например, применяя этот принцип особым способом, мне удалось создать громадное электрическое напряжение, максимальное значение которого теоретически могло быть выражено только миллионами вольт, что вызвало проливной дождь или постоянный поток толстых, грохочущих искр, которые вырывались в пространство на расстояние восьми или девяти футов от изолированного провода, и эти искры иногда вели себя как настоящие молнии, и для тех немногих, кто стал свидетелем этих событий в моей лаборатории за последние два или три года, они явились незабываемым зрелищем. Длину этих искр и потенциал нетрудно увеличить в более объемном помещении или на открытом воздухе во много раз путем применения соответствующих средств и методов.

Хотя в таких осцилляторах высокая степень внезапности изменения величины тока в основном зависит от электрических констант цепи, некоторые менее значительные, но практически важные показатели могут быть обеспечены путем правильной конструкции устройств, применяемых по необходимости, но совсем не обязательных, когда дополнительное оборудование замыкает и размыкает цепь. Разумеется, я посвятил много времени их изучению и совершенствованию, и, что касается контуров, показанных на рисунках 1, 3, 4 и 5, я много писал о них в своих ранних трудах, равно как и работе прерывателей в вакууме, воздухе и жидкостях под различным давлением.

Уже давно известно, еще со времен, когда проводил свои исследования Поггендорф, что, когда вибропреобразователь или прерыватель катушки индуктивности заключены в сосуд, откуда откачан воздух, прерывание тока происходит более эффективно, так как вакуум ведет себя подобно конденсатору, обволакивающему прерыватель. Мои опыты с несколькими типами таких устройств привели меня к пониманию того, что вакуум — это не точная копия конденсатора, но скорее абсорбент, причем усиление скорости прерывания объясняется быстрым отводом улетучившегося вещества, которое образует дугу, а следовательно, зависит от скорости такого отвода и количества вещества. Так, при использовании твердых платиново-иридиевых контактов и небольшой силы тока разница невелика, но применяя мягкую платину и большую силу тока влияние вакуума очень заметно, в то время как ртуть или легко испаряемые контакты дают огромную разницу. Размеры вакуумного сосуда тоже важны: чем больше сосуд, тем больше скорость прерывания. Взглянув на исследования Поггендорфа в таком свете, я ясно понял, что можно добиться лишь небольшой скорости частиц, составляющих дугу, поскольку эффективное давление — по крайней мере при низкочастотных импульсах, зависящих от механических средств и токов ограниченной силы, которые можно пропускать через контакты, не боясь быстро их разрушить, — обязательно составляет небольшую долю обычного атмосферного, а оно, к тому же, сильно снижается вследствие взаимного притяжения параллельных составляющих тока в дуге. Рассуждения в том же направлении привели меня к мысли, что если бы удалось механически нагнетать в зазор изолирующую жидкость со скоростью, достаточной, чтобы частицы, формирующие дугу, уносились быстрее, чем это происходит в вакуумной среде, внезапность разрядов усилилась бы. Этот вывод был подтвержден моими опытами, которые показали, что жидкий изолятор, такой как масло или спирт, пропускаемый через искровой промежуток даже с умеренной скоростью, позволял значительно повысить скорость изменения первичного тока и уменьшить длину провода во вторичной обмотке до 25 процентов от обычной длины. Длину провода вторичной обмотки удалось еще сократить путем нагнетания жидкости под высоким давлением. Что же касается внезапного броска тока, следующего за замыканием контактов, то применение диэлектрика или пленки, более прочной, чем воздух при обычном давлении, хотя и дает видимый эффект, не имеет большого значения, когда прерыватель во время работы разрывает дугу, так как эдс батареи или муниципальной электросети крайне недостаточно для того, чтобы пробить изолирующую пленку даже толщиной в одну тысячную дюйма.

Постоянные усилия, направленные на усовершенствование разнообразных автоматических приспособлений для контроля тока питания, четко выявили ограниченность таковых вследствие их механики, и идея использования конденсаторов, как средства получения, независимо от таких механических устройств, внезапных изменений параметров тока, которые необходимы в прикладных областях, является удачным и своевременным решением. В таком новом для всех процессе механические средства выполняют лишь незначительную функцию, а именно: периодически заставляют колебаться электромагнитную систему, и они должны лишь удовлетворять требованиям надежности в работе и долговечности (этим могут заняться механики), которых, в определенной степени, мне нетрудно было добиться во многих устройствах.

Итак, памятуя о том, что скорость изменения разряда или первичного тока в таких приборах в основном зависит от физических констант контура, через который происходит разряд, становится очевидным, что необходимо правильно сконструировать такой контур, и во время опытов, которые я проводил с этой целью, мною были сделаны небезынтересные наблюдения.

Во-первых, можно сделать очевидное заключение: поскольку первичная обмотка в таком трансформаторе обычно состоит из нескольких витков медной ленты с сопротивлением, которым можно пренебречь, то и изоляция между витками не требует особого внимания. Но практический опыт вскоре убеждает нас в нашей ошибке, ибо часто случается так, что вследствие огромного резонансного подъема, разность потенциалов на соседних витках достигает такого значения, что происходит пробой даже при использовании очень хорошей обычной изоляции. По этой причине я счел необходимым поступить с первичной обмоткой таким же образом, как было описано выше, добившись твердости, которая получается в результате вытягивания металлических пластин и уплотнения изолирующих слоев во время нагревания в вакууме и последующего сжатия металла во время охлаждения до нормальной температуры после того, как диэлектрик затвердел.

Затем экспериментатор будет удивлен, обнаружив важность правильного выбора длины первичной обмотки и способа ее соединения. Он, естественно, готов увидеть, что, поскольку разрядный контур невелик, включение в этот контур небольшой индуктивности или фрикционного сопротивления даст ощутимую разницу в результате, например, в длине искры на вторичной обмотке. Но он, конечно, не ожидает того, что иногда даже четверти дюйма провода достаточно для получения зримого эффекта. В качестве примера: несложно при помощи такого аппарата получить искру длиной несколько футов, а удалив или добавив к первичной обмотке дюйм толстого медного провода, можно сократить искру наполовину. Наблюдения такого рода впечатляют экспериментатора необходимостью точной настройки контуров и определения их констант. Его внимание, помимо его воли, привлекается тогда к преимуществам, которые можно получить от снижения самоиндукции и сопротивления разрядной цепи, причем первое обеспечивает наибольшую частоту вибраций, и второе — экономию. Он также начинает понимать важность сведения к минимуму длины и сопротивления всех соединительных частей и проводов. Хорошо сконструированный прибор и его разрядный контур должны иметь не более пяти процентов неактивного проводника, его сопротивление должно быть крайне малым, а самоиндукция не должна составлять более нескольких сот сантиметров. Я обнаружил, что практически обязательно для постройки первичной обмотки надо применять тонкую медную ленту, и именно ее использование позволило сделать некоторые любопытные наблюдения. Выяснилось, что при определенных условиях в процессе работы первичная обмотка становится ощутимо прохладнее. Довольно длительное время я сомневался в таком результате, пока не доказал положительно, что это происходит вследствие эффекта Томсона, когда тепло от первичной обмотки передается на пластины конденсатора.

Поначалу может показаться неясным, почему первичный разрядный контур так чувствителен к изменениям длины, ибо цепь любой длины может быть подключена к конденсатору, и если соотношение между сопротивлением, емкостью и самоиндукцией удовлетворяет условиям, определенным лордом Кельвином, произойдет колебательный разряд. Но следует помнить, что скорость распространения возмущения в контуре зависит от этих величин, и наилучшего результата можно достичь, когда скорость такова, что формируется стоячая волна с одной точкой пересечения, расположенной почти всегда в точке контура или проводника, равноудаленной от пластин конденсатора. При таком условии достигается максимальное напряжение на выводах конденсатора. Но такое состояние возможно только тогда, когда скорость распространения по контуру такова, что возмущение проходит с интервалом, необходимым для завершения половины колебания. Итак, поскольку скорость крайне высока, а длина контура очень мала, даже незначительные изменения длины могут привести к поразительным изменениям в работе устройства. Эти утверждения, конечно, не следует воспринимать как обязательные для каждого случая, такие события имеют место только в случаях, когда колебание разрядного контура, начатое колебанием контроллера, не затухает до начала следующего колебания контроллера. Это можно наглядно проиллюстрировать на примере, взятом из механики. Представим пружину с грузом, подвешенную в тисках, которая начинает вибрировать после нанесенного по ней удара.

Дадим колебаниям затухнуть и нанесем следующий удар. Пружина начнет колебаться, как и прежде, и неважно, какой груз к ней подвешен, какова ее упругость, каков период колебаний и с каким интервалом наносятся удары, процесс преобразования энергии ударов в энергию колебаний будет происходить с одинаковой экономичностью, за исключением влияния второстепенных факторов, которые не играют сейчас никакой роли. То же самое происходит и с электромагнитной системой, и на ранних стадиях экспериментов и отладки прибора я использовал конденсаторы, обычные и электролитические, очень большой емкости и разряжал их со сравнительно большими интервалами через первичный контур, имевший крайне малую самоиндукцию и сопротивление, таким образом получая импульсы тока, достигавшие, по крайней мере, по подсчетам, максимальной величины 100 000 ампер. Таким способом я получал высокую максимальную скорость изменения, но тем не менее средняя скорость изменения была невелика. Если еще раз рассмотреть приведенный выше механический аналог, то из него немедленно можно извлечь урок. Рассматривая пружину как прибор для преобразования энергии, можно сделать вывод, что и экономия и мощность требуют, чтобы колебания продолжались как можно дольше, а удары наносились как можно чаще. Для того чтобы достичь этих требований, надо сделать так, чтобы удары наносились в то время, когда пружина еще колеблется, из чего следует — надо вовремя наносить их. Точно так же и в электромагнитной системе, контроллер цепи должен работать с определенными интервалами, чтобы обеспечить наибольшую частоту колебаний при наименьших затратах энергии. При создании прибора для практического применения принимается произвольное число базовых импульсов, и конденсатор, который изготавливается во время особого процесса, не может быть настроен без особых трудностей, а размер и в определенной степени количество витков первичной обмотки можно определить заранее, исходя из практических соображений. Более того, нежелательно, из соображений экономии, прибегать к удобному в иных случаях способу настройки, когда последовательно с первичной обмоткой включается самоиндуктивность. Такие действия затруднят настройку остальных параметров, и я время от времени прибегал к различным способам настройки, которые казались само собой разумеющимися. Например, поверх первичной я наматывал еще одну обмотку и включал ее параллельно первичной, либо точной настройки я добивался путем определения величины самоиндукции и емкости вторичной обмотки.

Для того чтобы облегчить процесс наблюдения и сделать возможным точное определение колебаний электромагнитной системы, равно как и колебания или обороты механических устройств, таких, как контроллеры цепи, применяемые вместе с такими системами, было решено обязательно создать устройство для этих целей. С самого начала я решил обзавестись устройством визуальной синхронизации. В таком устройстве обычно диск или цилиндр с отметками вращается с постоянной скоростью и периодически освещается световым сигналом, причем метки кажутся застывшими на месте, когда обороты диска синхронны периодам светового сигнала. Главное достоинство такого метода очевидно заключается в постоянстве скорости вращения или в постоянном периоде колебаний. Довольно рано столкнувшись с проблемой вращения тела с одинаковой огромной скоростью, что требуется во многих случаях, или с проблемой получения колебаний с постоянным периодом, я уделил некоторое внимание изучению этого предмета, и по прошествии времени у меня появилось несколько практических решений, более или менее удовлетворительных.

Одно из них, например, при помощи сжатого Воздуха или пара добиться колебаний свободного поршня, который жестко соединен с обмоткой или сердечником электрогенератора. Когда поршень двигался возвратно-поступательно, создавался переменный ток, который пропускался через конденсатор или через первичную обмотку трансформатора, в этом случае вторичная обмотка последнего соединялась с выводами конденсатора. При соблюдении условия, что воздух или пар подавались только в течение короткого промежутка времени, когда поршень находился в срединном положении, а колебания электромагнитной системы, состоявшей из конденсатора и возбуждающей катушки, тщательно настраивались таким образом, чтобы имел место базовый резонанс, было обнаружено, что при таких условиях электромагнитная система полностью контролировала колебания поршня и что изменения в подаче жидкости, которые могли привести к изменению амплитуды колебаний, могли быть очень серьезными, но это не приводило к изменению периода вибраций механической системы, поэтому полученный ток имел строго определенный и постоянный период колебаний. В дальнейшем он по-разному использовался для получения равномерного вращения.