В целом процесс откачки воздуха выглядел так: вначале, когда запорные краны С и C1 открыты, а все остальные сочленения закрыты, резервуар R2 был поднят так высоко, что ртуть заполнила резервуар R1и узкую часть U-образной трубки. Когда помпа начинала работать, ртуть, конечно, быстро поднималась в трубке, а резервуар R2, опускался, причем исследователь удерживал ртуть примерно на том же уровне. Резервуар R2 уравновешивался длинной пружиной, которая облегчала эту работу, а трения частей было до-статочно, чтобы удерживать его в любом положении. Когда насос Шпренгеля заканчивал свою работу, резервуар R2 опускался еще ниже и уровень ртути в R1 опускался и она заполняла R2, после чего клапан С2 закрывался. Воз-дух, прижатый к стенкам R1, и воздух, поглощенный ртутью, выпускался, и чтобы освободить ртуть от всего воздуха, резервуар R2 много раз опускался и поднимался. Во время этого процесса некоторое количество воздуха, которое собиралось под запорным краном С2, выгонялось из R2 путем опускания его достаточно низко и открывания крана; кран закрывался перед тем, как поднять сосуд. Когда весь воздух был удален из ртути и больше не скапливался в R2, его опускали и прибегали к помощи едкого кали. Теперь резервуар R2 был снова поднят, пока ртуть в R1не устанавливалась выше крана С1 Поташ плавили и кипятили, и влага частично устранялась насосом, а частично реадсорбировалась; и этот процесс нагрева и охлаждения повторялся много раз, и каждый раз после того, как влага впитывалась или выгонялась, резервуар R2 много раз поднимали и опускали. Таким образом из ртути удалялась вся влага и оба резервуара были готовы к работе. Тогда резервуар R2 поднимался в верхнее положение и помпу включали на длительный срок. Когда достигалась наивысшая степень вакуума, колба с поташ ем оборачивалась хлопковой тканью, пропитанной эфиром, для того, чтобы держать ее при низкой температуре, затем резервуар R2 опускали и, после того как резервуар R1 опустел, приемник г быстро закупоривали.
Когда вставляли новую колбу, ртуть поднималась выше крана C1, который был закрыт для того, чтобы оба резервуара и ртуть находились в наилучшем состоянии, и ртуть никогда не удалялась из Rf, за исключением тех случаев, когда достигалась наивысшая степень откачки. Необходимо соблюдать это правило, чтобы устройство хорошо работало.
Применяя такую конструкцию, я работал очень быстро, а когда устройство было в абсолютном порядке, можно было получить флюоресценцию в небольшой колбе менее чем за 15 минут, что, конечно, очень быстро для небольшой лабораторной установки, которая потребляет примерно 100 фунтов ртути. При работе с небольшими колбами соотношение емкости насоса, приемника и сочленений и резервуара R было примерно 1-20, а уровень достигаемого вакуума обязательно очень высокий, хотя и не могу назвать точные цифры и уверенно сказать, насколько высок уровень.
Исследователя в процессе опытов более всего впечатляет поведение газов, подвергнутых воздействию высокочастотного электростатического напряжения. Но его не должно покидать сомнение: можно ли наблюдаемые эффекты отнести именно на счет молекул или атомов газа, чей химический анализ происходит перед ним, или в игру вступает другое газообразное вещество, имеющее в своем составе атомы или молекулы, погруженные в жидкость, заполняющую пространство. Такая среда обязательно должна существовать, и я убежден, что, например, даже при отсутствии воздуха поверхность и пространство вокруг предмета нагревались бы от быстро колеблющегося потенциала тела; но такого нагрева поверхности и окружающего пространства не может произойти при удалении всех свободных атомов, если бы осталась однородная, несжимаемая и эластичная жидкость - какой должен быть эфир, - ибо тогда не было бы ни ударов, ни столкновений. В таком случае, что касается самого тела, могут происходить только внутренние потери от трения.
Поразительным является то, что разряд сквозь газ проходит тем легче, чем больше частота импульсов. В этом случае его поведение диаметрально противоположное металлическому проводнику. В последнем случае с повышением частоты роль импеданса возрастает, но газ ведет себя скорее как цепь конденсаторов: возможность прохождения заряда через него, видимо, зависит от скорости изменения потенциала. Если это так, тогда в вакуумной трубке любой длины, неважно какова сила тока, самоиндукция будет ничтожно мала. Тогда мы имеем проводник в виде газа, способный передавать электрические импульсы любой частоты которую мы сможем получить. Если бы частоту удалось поднять до достаточно высокого уровня, тогда можно было бы реализовать любопытную систему распределения электроэнергии, которая заинтересовала бы газовые компании: металлические трубы, заполненные газом, где металл - это изолятор, а газ - проводник. Конечно, можно изготовить полый медный стержень, разрядить в нем газ, и пропуская импульсы достаточно высокой частоты через контур вокруг него, довести газ внутри до высокой степени накала; но что касается сил, то весьма сомнительно, будет ли при таких импульсах медный стержень действовать как статический экран. С такими парадоксами и очевидно невозможными ситуациями мы сталкиваемся на каждом шагу в нашей работе, и именно в них в большой степени и заключается основная привлекательность исследований.
Здесь у меня короткая широкая трубка, из которой откачан воздух, покрытая толстым слоем бронзы, не дающей свету поступать внутрь. Металлический зажим для подвешивания трубки укреплен посередине и касается трубки. Теперь я хочу зажечь газ внутри, подвесив трубку на проводе, соединенном с катушкой. Любой, кто проводит этот опыт впервые, скорее всего пожелает остаться в одиночестве, дабы не стать посмешищем для ассистентов. И всё же трубка освещается, несмотря на металлическое покрытие, и свет ясно виден сквозь него. Длинная трубка, покрытая алюминиевой бронзой, довольно ярко загорается, если ее держать в одной руке, а другой касаться вывода катушки. Мне могут возразить, что покрытия недостаточно хорошие проводники; однако, даже если они имели бы большое сопротивление, они должны экранировать газ. Конечно, они экранируют газ, находясь в состоянии покоя, но не так хорошо, когда на них волнообразно воздействуют. Потери энергии в трубке, несмотря на экран, происходят благодаря газу. Если бы мы взяли полый металлический шар и заполнили его абсолютно несжимаемым жидким диэлектриком, внутри шара не было бы потерь, и, соответственно, можно было бы сказать, что содержимое прекрасно экранировано, хотя потенциал и быстро меняется. Даже если шар заполнить маслом, потери всё равно были бы меньше в сравнении с газом, так как в последнем случае сила порождает смещения, а это означает удары и столкновения.
Неважно, под каким давлением находится газ, он становится важным фактором нагрева проводника, когда электрическая плотность велика, а частота высокая. То, что для нагрева проводника путем светящегося разряда воздух является очень важным элементом, так же точно, как экспериментально доказанный факт. Можно проиллюстрировать действие воздуха при помощи следующего опыта: я беру короткую трубку с небольшим вакуумом внутри, по центру которой от одного конца до другого проходит платиновый провод. По нему пропускаю постоянный или низкочастотный ток и он равномерно нагревается по всей длине. Нагрев происходит вследствие проводимости, или фрикционных потерь, а газ вокруг провода, как видим, не выполняет никакой функции. Но теперь позвольте мне пропустить прерывистые разряды или высокочастотный ток. И снова провод нагревается, но только в этот раз в основном на концах и меньше всего в середине; и если частота импульсов, или скорость изменения, достаточно высока, то провод можно даже перерезать посередине, так как весь нагрев происходит благодаря разреженному газу. Здесь газ может выступать только как проводник, не имеющий сопротивления, отводящий ток от провода, поскольку сопротивление последнего сильно возрастает, при этом лишь нагревая концы провода, так как они сопротивляются прохождению разряда. Но совсем необязательно, чтобы газ в трубке был проводником; давление его может быть крайне низким, и всё же концы провода нагреются, как доказано опытом, только в данном случае эти два конца не будут иметь электрического контакта через газообразную среду. Итак, то что происходит при высоких частотах и потенциалах в вакуумной трубке, происходит и при разряде молнии при обычном давлении. Нам необходимо лишь помнить об одном из фактов, которые мы обнаружили во время этих исследований, а именно: в ответ на высокочастотные импульсы газ при обычном давлении ведет себя так, как будто он разрежен. Я думаю, что во время разрядов молнии часто провода или предметы-проводники испаряются только из-за того, что присутствует воздух, и что если бы проводник был погружен в изолирующую жидкость, он был бы в безопасности, так как тогда энергия была бы потрачена где-то в другом месте. Исходя из поведения газов в ответ на внезапные импульсы высокого потенциала я склонен сделать вывод, что не может быть более верного пути отвода разряда молнии, чем дать ему пройти через некий объем газа, если только это можно практически осуществить.
Есть еще два свойства, на которых, я считаю, необходимо остановиться в связи с данными опытами, - "лучистое состояние" и "неударный вакуум".
Каждый, кто изучал труды Крукса, должен находиться под впечатлением, что "лучистое состояние" - это свойство газа, неотделимое от высокой степени вакуума. Но следует помнить, что явления, наблюдаемые в вакуумном сосуде, ограничены характером и емкостью применяемого устройства. Я думаю, что в колбе молекулы или атомы двигаются по совершенно прямой линии не потому, что не встречают препятствия, а потому, что скорость, переданная им, достаточна для того, чтобы двигаться по прямой. Средняя длина прямого пути - это одно, а скорость - количество энергии, связанное с движущимся телом, - совсем другое, и при обычных обстоятельствах, я полагаю, это всего лишь вопрос потенциала или скорости. Катушка с разрядником, когда потенциал очень высок, вызывает флюоресценцию и отбрасывает тени при сравнительно низком вакууме. При разряде молнии материя движется по прямой при нормальном давлении, когда средняя длина свободного пробега крайне мала, и часто изображения проводов или иных металлических предметов проецируются частицами, резко отброшенными по прямой линии.
Для того чтобы экспериментально продемонстрировать правильность приведенных высказываний, я приготовил лампу. В колбе L (рисунок 31) на нити накаливания f я укрепил кусочек извести i. Нить накаливания соединена с проводом, идущим в лампу, конструкция которой показана на рисунке 19. Когда лампа подключается к проводу, соединенному с выводом катушки, а последняя начинает работать, кусок извести i и выступающая часть нити f начинают подвергаться бомбардировке. Степень откачки воздуха такова, что потенциала катушки достаточно для начала флюоресценции, которая исчезает по мере ухудшения вакуума. Так как известь содержит влагу, которую отдает при нагревании, флюоресценция длится несколько мгновений. Когда известь достаточно нагрета, влаги отдается столько, сколько нужно, чтобы уничтожить вакуум. Так как бомбардировка продолжается, одна часть куска извести нагревается больше, чем другие, и в результате почти весь разряд проходит через эту точку, которая сильно нагревается, и белый поток частиц извести (рисунок 31) испускается из этой точки. Этот поток состоит из "лучистой материи", хотя уровень вакуума низкий. Частицы движутся по прямой, так как скорость, сообщенная им, велика, и это происходит по трем причинам - большой электрической плотности, высокой температуры небольшого участка, и того, что частицы извести легко отрываются и уносятся - гораздо легче частиц углерода. При тех частотах, которые мы можем получить, частицы ощутимо отрываются и отбрасываются на значительное расстояние, но при достаточно высоких частотах такого не произойдет: в этом случае будет распространятся только напряжение или через колбу будут передаваться вибрации. Нечего и говорить о том, чтобы достичь такой высоты, если предположить, что атомы движутся со скоростью света; но я полагаю, что такое невозможно - для этого потребуется огромный потенциал. При тех потенциалах, которые мы можем получить, даже от катушки с разрядником, скорость не должна быть важна.
Что касается "неударного вакуума" следует отметить, что он имеет место только при низкочастотных импульсах и является необходимым в силу невозможности отвода достаточного количества энергии такими импульсами в высоком вакууме, так как те немногие атомы, которые находятся рядом с выводом, вступая с ним в контакт, отталкиваются от него и держатся на расстоянии сравнительно долго, и поэтому не выполняется достаточно работы, чтобы эффект стал виден для глаза. Если разницу потенциалов на выводах поднять, то диэлектрик пробивается. Но при очень высокой частоте импульсов такого пробоя не произойдет, так как любое количество работы может быть выполнено путем постоянного возбуждения атомов в вакуумном сосуде. Нетрудно - даже при той частоте, которую мы получаем от нашего генератора, - достичь той стадии, когда разряд не проходит между двумя электродами в узкой трубке, причем каждый электрод соединен с выводом катушки, но трудно достичь того момента, когда световой разряд не формируется вокруг каждого электрода.
Естественно, в связи с высокочастотными токами возникает мысль, о том, чтобы использовать их мощную электродинамическую индукцию для получения световых эффектов в запаянной стеклянной колбе. Подводящий провод - один из недостатков современных ламп накаливания, и если не будут сделаны другие шаги вперед, то хотя бы от этого недостатка надо избавиться. И потому я провел несколько опытов в разных направлениях, некоторые из которых описал в своих прошлых публикациях. Здесь хочу упомянуть одно или два направления, в которых я двигался.
Много ламп было создано, как показано на рисунках 32, 33.
На рисунке 32 широкая трубка Т плотно соединена с меньшей по размеру W-образной трубкой U из фосфоресцентного стекла. В трубке Т располагается обмотка С из алюминиевого провода, на концах которого имеются маленькие алюминиевые шарики t и t', размещенные в трубке U. Трубка Т установлена в гнезде, содержащим первичную обмотку, через которую обычно пропускались разряды лейденских банок, а разреженный газ в маленькой трубке U возбуждался до яркого свечения токами высокого напряжения, наведенными в обмотке С. Когда, для того чтобы индуцировать токи в обмотке С, использовались разряды лейденской банки, выяснилось, что необходимо плотно набить трубку Т изолирующим порошком, так как между витками обмотки часто возникали разряды, особенно когда первичная обмотка толстая и промежуток, через который разряжались банки, большой - всё это доставило много хлопот.
На рисунке 33 показана лампа другой конструкции. На этот раз трубка Т запаяна в колбе L. Трубка содержит обмотку С, которая проходит сквозь маленькие трубки t и t, которые припаяны к трубке Т. Две тугоплавкие головки m и m укреплены на нитях накаливания, соединенных с концами проводов, проходящих через стеклянные трубочки t и tf. В целом в лампах, изготовленных по этой схеме, колба L сообщалась с трубкой Т. Для этой цели концы трубочек t и t1были немного оплавлены горелкой, чтобы держать провод, но не мешать сообщению. Трубка Т с маленькими трубками и проводами в них и тугоплавкие головки m и m1были сначала приготовлены, а затем запаяны в колбу L, после чего внутрь была помещена обмотка С и к ее концам присоединены провода. Затем трубка была плотно набита изолирующим порошком, закрыта и на конце оставлено лишь небольшое отверстие, куда досыпали порошок, а потом и его закрыли. Обычно в лампах, изготовленных в соответствии с рисунком 33, на кончики s трубок t и tfнадевались алюминиевые трубочки а для защиты от нагрева. Головки т и т1можно было довести до любой степени накала, пропуская по обмотке С разряды лейденских банок. В таких лампах с двумя головками происходит любопытный эффект образования теней каждой головки.
Еще одно направление, по которому я неутомимо продвигался, - возбудить при помощи электродинамической индукции ток или световой разряд в вакуумной трубке или колбе. Этот предмет получил такую тщательную разработку у профессора Дж. Дж. Томсона, что я вряд ли могу что-нибудь добавить, даже если бы сделал его темой сегодняшней лекции. И всё же, поскольку опыты постепенно привели меня к определенным результатам и взглядам, этой теме следует посвятить несколько слов.