Одна из причин, отчего эта отрасль науки так быстро развивается, - это, пожалуй, тот интерес, который вызывают экспериментальные исследования. Мы обматываем проводом простой кусок железа; соединяем его с генератором, и с удивлением и восторгом наблюдаем действие сил, которые привели в движение, которые позволяют нам преобразовывать, передавать и направлять энергию так, как мы того пожелаем. Мы правильно соединяем схемы, и кусок железа с проводами начинают вести себя так, как будто в них вдохнули жизнь, вращают тяжелый якорь, через невидимые соединения, с большой скоростью и мощью, при помощи энергии, возможно, переданной на большом расстоянии. Мы наблюдаем, как энергия переменного тока, проходящая по проводу, обнаруживает себя, - не столько в проводе, сколько в окружающем пространстве, - самым удивительным образом принимая форму тепла, света, механической энергии и, что самое удивительное, химических соединений. Все эти наблюдения восхищают нас и наполняют жгучим желанием узнать больше об этих явлениях. Каждый день мы возвращаемся к нашей работе в надежде на открытие - в надежде, что один из нас, не важно кто, найдет решение одной из насущных проблем, и каждый новый день мы возвращаемся к нашему труду со всё большим рвением; и даже если нас не ждет успех, наш труд не пропал даром, ибо эти старания принесли нам часы невыразимого удовольствия, и мы направили свою энергию на благо человечества.
Мы можем - случайным образом, если хотите, - выбрать любой из опытов, который можно поставить с переменным током; только некоторые из них, и далеко не самые потрясающие, могут быть предметом сегодняшней демонстрации; они все одинаково интересны, одинаково будоражат мысль.
Вот простая стеклянная трубка, из которой частично откачан воздух. Я беру ее в руку, касаюсь провода, по которому течет переменный ток высокого потенциала; трубка в моей руке ярко освещается. Как бы я ее ни расположил в пространстве, куда я могу дотянуться, она будет светить с той же яркостью.
Вот вакуумная колба, подвешенная на одном проводе. Стоя на изолирующей подставке, я берусь за нее, и платиновый электрод, укрепленный внутри, ярко нагревается.
А вот еще одна колба, соединенная с вводом, которая, если я прикоснусь к ее металлическому патрону, начинает играть замечательными фосфоресцирующими красками.
Эта же при касании моих пальцев, отбрасывает тень - тень Крукса - от штока внутри.
Вот я опять стою на изолирующей подставке и мое тело касается одного из выводов вторичной обмотки катушки индуктивности, причем длина провода - несколько миль, и вы наблюдаете, как потоки света пробиваются с дальнего его конца, который неистово вибрирует.
Я еще раз соединяю эти две пластины проволочной сетки с выводами катушки, развожу их, и катушка начинает работать. Вы можете видеть, как между пластинами проскакивает небольшая искра. Я ввожу между ними толстую пластину из лучшего диэлектрика, и, вместо того чтобы сделать пробой невозможным, как мы ожидаем, я помогаю прохождению разряда, который, когда я ввожу диэлектрик, просто меняет форму и выглядит как светящиеся потоки.
Есть ли, спрашиваю я, может ли быть исследование более интересное, чем исследование переменного тока? Во всех этих исследованиях, во всех этих опытах многие годы - с тех самых пор, как величайший экспериментатор, из тех, что читали лекции в этом зале, обнаружил принцип ее действия, - с нами был постоянный спутник, устройство, знакомое всем, когда-то игрушка, а теперь нечто принципиально важное - индукционная катушка. Нет прибора более дорогого для электрика. Все, начиная с наиболее талантливых из вас, не побоюсь этого слова, заканчивая самым неопытным студентом, включая вашего лектора, все мы провели многие восхитительные часы, экспериментируя с индукционной катушкой. Мы смотрели на ее "игру" и думали, размышляли над прекрасными явлениями, которые она открывала нашему восхищенному взору.
Этот прибор настолько хорошо известен, эти явления настолько хорошо знакомы всем, что мужество изменяет мне, когда думаю о том, что осмелился обратиться к такой компетентной аудитории, что осмелился занять ваше внимание таким старым предметом. Вот перед нами то же устройство и те же явления, только устройство работает несколько по-иному, и явления предстают перед нами в несколько ином ракурсе. Некоторые результаты ожидаемы, другие удивляют нас, но все захватывают наше внимание, ибо в научных исследованиях каждый достигнутый результат может стать отправной точкой нового маршрута, каждый новый факт может вести к важным последствиям.
Обычно при работе с индукционной катушкой мы добивались умеренной частоты в первичной обмотке либо при помощи прерывателя, либо при помощи генератора переменного тока. Английские исследователи раннего периода, например Споттисвуд и Гордон, пользовались быстрым прерывателем, соединенным с обмоткой. Наши знания и опыт сегодня позволяют нам четко понять, почему катушка при таких условиях испытаний не демонстрировала никаких замечательных явлений, и почему компетентные ученые не смогли наблюдать любопытные явления, которые наблюдались с тех пор.
В сегодняшнем опыте катушка работает или непосредственно от специально созданного генератора, способного выдавать много тысяч колебаний в секунду, или пробоем разряжая конденсатор через первичную обмотку; мы создаем колебания во вторичной обмотке с частотой много сотен тысяч или миллионов в секунду, если пожелаем; и таким способом мы вступаем на путь, доселе неизведанный.
Невозможно проводить исследования в какой-либо новой области без того, чтобы не сделать в конце концов интересное наблюдение или не узнать какой-нибудь полезный факт. Результаты многих любопытных и неожиданных наблюдений служат тому убедительным доказательством. Возьмем для примера явление наиболее очевидное - разряд индукционной катушки.
Вот катушка, в которой работают токи крайне высокой частоты, получаемые от разрядов лейденской банки. Для студента не будет удивительным, если лектор скажет, что вторичная обмотка этой катушки состоит из сравнительно короткого и толстого провода; не удивит его и то, что, несмотря на это, катушка способна выдать любой потенциал, который сможет выдержать лучшая изоляция; но, хотя он и будет готов, и даже предполагаемый результат не вызовет в нем интереса, всё же сам разряд катушки удивит и заинтересует его.
Все знакомы с разрядом обычной катушки; не стоит его здесь воспроизводить. Но вот, для сравнения, форма разряда катушки, где ток в первичной обмотке колеблется с частотой несколько сот тысяч в секунду. Разряд обычной катушки выглядит как простая линия или полоса света, разряд этой катушки - как мощные пучки и светящиеся потоки, исходящие изо всех точек двух проводов, присоединенных к выводам вторичной обмотки (рисунок 1).
Теперь сравним явление, которое вы только что наблюдали, с разрядом машин Хольца или Уимсхерста - еще одного прибора, такого дорогого сердцу экспериментатора. Какая огромная разница! И всё же, если бы я сделал некоторые изменения, - и их сделать легко, если бы только они не мешали проведению других опытов, - я бы получил на этой катушке искры, которые, если бы катушка была скрыта от ваших глаз, а видны были бы только две рукоятки, даже самому дотошному наблюдателю среди вас было бы трудно, если вообще возможно, отличить от искр электрофорного или фрикционного генератора. Это можно сделать по-разному, - например, если катушка заряжает конденсатор от низкочастотного генератора переменного тока, причем желательно настроить разрядный контур так, чтобы в нем не возникало колебаний. Тогда мы получим во вторичной обмотке, если рукоятки достаточного размера и правильно установлены, более или менее быстрое искрение, очень мощное, но редкое, где искры также ярки и также трещат, как те, что производятся электрофор-ным или фрикционным генератором.
Есть еще один способ - через две первичные обмотки, соединенные с общей вторичной, пропускать два вида тока со слегка различными периодами, что приведет к появлению во вторичной обмотке искр, возникающих со сравнительно большим интервалом. Но даже и с тем оборудованием, что есть у меня сегодня, я могу успешно имитировать искры машины Хольца. Для этого между выводами катушки, заряжающей конденсатор, я устанавливаю длинную неустойчивую дугу, которая периодически рвется от восходящего потока воздуха, который сама же и производит.
Рис. 1
Для того чтобы усилить поток воздуха, с каждой стороны дуги, поближе к ней, я кладу две большие слюдяные пластины. Конденсатор, заряжающийся от этой катушки, разряжается в первичную обмотку другой катушки через некоторый воздушный промежуток, что необходимо для создания высокой скорости изменения тока через первичную обмотку. Схема соединения показана на рисунке 2.
G - это обычный генератор переменного тока, соединенный с первичной обмоткой Р катушки, где вторичная обмотка S заряжает конденсаторы или банки СС. Выводы вторичной обмотки соединены с внутренним слоем покрытия банок, а внешний слой покрытия соединен с концами первичной обмотки рр второй катушки. Эта первичная обмотка рр имеет небольшой зазор ab.
Вторичная обмотка 5 снабжена набалдашниками или шариками КК нужного размера, расположенными на расстоянии, необходимом для проведения опыта.
Длинная дуга возникает между выводами АВ первой катушки. Дуги ММ из слюдяных пластин.
Каждый раз, когда между А и В рвется дуга, банки быстро заряжаются и разряжаются через первичную обмотку рр, и происходит мгновенная искра между шариками КК. Когда устанавливается дуга АВ, потенциал падает, и банки не могут зарядиться до потенциала настолько большого, чтобы разрядиться через зазор аЬ до тех пор, пока дуга не станет рваться от потока воздуха.
Таким образом, внезапные импульсы, происходящие с большим интервалом в первичной обмотке рр, приводят во вторичной обмотке s к соответствующему количеству импульсов большой интенсивности. Если шарики КК нужного размера, то искры больше напоминают искры машины Хольца.
Но эти два явления, которые выглядят такими разными, - есть только два проявления разряда. Всё, что нам нужно, это изменить исходные данные опыта, и мы снова получим интересные наблюдения.
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.
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.
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.