Самая любопытная форма разряда получается в эксперименте с такой катушкой, когда частота и потенциал поднимаются до предела. Чтобы выполнить этот эксперимент, необходимо, чтобы каждая часть катушки была очень хорошо заизолирована, и на воздухе находились только две маленькие сферы — а еще лучше, два стальных диска с острыми краями (d d Рис. 11) диаметром не больше нескольких сантиметров. Применяемая здесь катушка погружена в масло, а концы вторичной обмотки, выходящие наружу из масла, покрыты очень толстой непроницаемой для воздуха оболочкой из твердой резины. Любые трещины, если таковые появляются, должны быть тщательно заделаны для того, чтобы кистевой разряд не мог возникнуть нигде, кроме как на маленьких сферах, или пластинах, которые высунуты на воздух. В данном случае, поскольку отсутствуют какие-либо большие пластины или иные тела с большой емкостью, подключенные к клеммам, катушка способна на очень быстрые колебания. Потенциал можно поднимать, насколько считает нужным экспериментатор, путем увеличения скорости изменения первичного тока. Если катушка не сильно отличается от этой, то лучше всего соединить две первичных обмотки параллельно; но если вторичная обмотка будет иметь гораздо большее число витков, то тогда лучше соединять первичные обмотки последовательно. В противном случае колебания могут оказаться слишком частыми для вторичной обмотки. В этих условиях с краев дисков извергаются нечеткие белые потоки, которые наподобие фантомов расходятся во все стороны. Если эта катушка сделана хорошо, то длина их около 25–30 сантиметров. Если поднести к ним руку, то никаких ощущений нет. Искра, которая может вызвать удар электрическим током, проскакивает с вывода только если руку поднести совсем близко. Если тем или иным образом сделать колебания тока в первичной обмотке прерывистыми, то это вызовет соответствующее трепетание потоков, и тогда руку или другое проводящее тело можно подносить значительно ближе к выводу, не рискуя вызвать проскок искры.
Среди множества очень красивых явлений, которые воспроизвести при помощи этой катушки, я выбрал только те, которые обнаруживают особенности, имеющие определенную новизну, и могут привести нас к некоторым интересным умозаключениям. Ни для кого не составит особого труда с ее помощью получить в лаборатории много других явлений, еще более приятных для глаз, нежели представленные здесь, но они не содержат в себе никакой новизны.
Ранние эксперименты описывают появления искр, полученных с помощью обычной большой индукционной катушки, падающих на изолированную пластину, разделяющую выводы. Совсем недавно Сименс провел некоторые эксперименты, в которых были получены прекрасные эффекты, с большим интересом наблюдавшиеся множеством людей. Несомненно, большие катушки, даже если они работают от токов низких частот, могут производить очень красивые эффекты. Тем не менее, даже самая большая когда-либо сделанная катушка не смогла бы дать даже тот величественный эффект потоков и искр, получаемый с помощью такой вот катушки с пробойным разрядом, надлежащим образом настроенной. Для общего представления, катушка, такая как эта, может легко покрыть полностью потоками пластину диаметром 1 метр. Чтобы провести подобные эксперименты наилучшим образом, следует взять очень тонкую резиновую или стеклянную пластину, на одну сторону приклеить узкое кольцо большого диаметра из оловянной фольги, а на другую — круглую шайбу, чтобы центр шайбы совпадал с центром кольца, и желательно, чтобы площадь шайбы и площадь кольца были примерно одинаковыми, для хорошей сбалансированности катушки. Шайба и кольцо должны быть подсоединены к выводам хорошо изолированными тонкими проводами. Легко наблюдать эффект емкости, получая полотно из однородных потоков, либо изящную сеть из тонких серебряных нитей, либо же массу шумных сверкающих искр, полностью покрывающих пластину.
С тех пор, как в начале прошлого года в своей статье для Американского Электротехнического Института я изложил идею о преобразовании при помощи пробойного разряда, интерес к этой теме стал значительным. Пробойный разряд дает нам возможность производить любую разность потенциалов при помощи недорогих катушек, которые работают от обычных распределительных сетей, и, что может быть еще более ценно, позволяет преобразовывать токи любой частоты в токи любой более низкой или более высокой частоты. Но главная его ценность, возможно, состоит в той помощи, которую он может оказать нам в исследовании явлений фосфоресценции, которые катушка пробойного разряда может возбуждать в бесчисленном количестве случаев, где обычная катушка, даже самая большая, не работает.
Принимая во внимание многочисленные возможности практического использования таких катушек, а также их лабораторного применения для научных исследований, не покажутся излишними, надеюсь, некоторые дополнительные замечания, касающиеся их конструктивных особенностей.
Разумеется, совершенно необходимо использовать в конструкции таких катушек провод, покрытый самой лучшей изоляцией.
Хорошие катушки получаются, если для их изготовления использовать провод, покрытый несколькими слоями хлопка, затем подвергнуть катушку кипячению в чистом воске в течении продолжительного периода времени, а после остудить при умеренном давлении. Преимущество такой катушки в том, что с ней легко обращаться, но по сравнению с катушкой, целиком погруженной в масло, она вероятно уступает в качестве результатов. Помимо этого, по- видимому, наличие большого количества воска негативно влияет на катушку, тогда как в случае масла этого нет. Возможно, это объясняется тем, что в жидкости диэлектрические потери ниже.
Сначала я использовал провода, с хлопковым и шелковым изоляционными покрытиями, которые погружались в масло, однако постепенно перешел на использование проводов с гуттаперчевой изоляцией, которая оказалась наиболее удовлетворительной. Разумеется, гуттаперчевое изоляционное покрытие добавляет катушке емкость, что является серьезным недостатком, особенно если катушка большая, и ее предполагается использовать при очень высоких частотах. Но с другой стороны, гуттаперча выдерживает намного большее напряжение, нежели той же толщины слой масла, а это ее качество следует обеспечивать любой ценой. Если катушку уже единожды поместили в масло, то никогда не следует извлекать ее из масла более чем на несколько часов, иначе гуттаперча может потрескаться, и катушка не сохранит и половины своей ценности. Вероятно, гуттаперча медленно подвергается воздействию со стороны масла, но я не нашел никаких дефектов после пребывания [катушки] в масле в течение восьми или девяти месяцев.
Я испробовал два коммерческих типа проводов с гуттаперчевым покрытием: у одного из них изоляция плотно прилегала к металлу, а у другого нет. Если не прибегать к дополнительным мерам по удалению всего воздуха, то значительно надежнее использовать первый тип провода. Я наматываю катушку в емкости с маслом так, что масло заполнило все пустоты. Между слоями провода я использую хорошо вываренную в масле ткань, толщина которой рассчитывается в зависимости от разности потенциалов между витками. При этом, как оказывается, между разными видами масла нет большой разницы; я использую парафиновое либо льняное масло.
Вот прекрасный способ для более качественного изгнания воздуха, и очень просто применимый на практике к небольшим катушкам. Изготовьте ящик из твердого дерева с очень толстыми стенками, которые в течение долгого времени вываривалась в масле. Стенки ящика должны быть пригнаны таким образом, чтобы надежно противостоять внешнему давлению воздуха. Катушка помещается внутрь ящика и закрепляется там. Затем ящик закрывается крышкой и покрывается снаружи плотно прилегающими металлическими листами, стыки которых тщательно запаиваются. В верхней части коробки просверливаются два отверстия, проходящие сквозь металл и сквозь дерево, и в эти отверстия вставляются две маленькие стеклянные трубки, а места стыков герметизируются. Одна из трубок подсоединяется к вакуумному насосу, а другая — к сосуду, содержащему достаточное количество прокипяченного масла. В низу второй трубки отверстие очень маленькое, а сама трубка снабжена запорным краном. По достижении достаточно хорошего вакуума запорный кран открывается, и масло медленно втекает внутрь. Данная операция исключает возможность того, что между витками останутся большие пузыри, которые являются главной опасностью. Воздух изгоняется практически полностью, возможно даже лучше, чем вывариванием, что однако, если провод имеет гуттаперчевое изоляционное покрытие, невозможно. Для первичных обмоток я использую обычный линейный провод с толстым хлопковым покрытием. Конечно, лучше всего бы для первичной обмотки подошла бы скрутка из очень тонких хорошо изолированных проводов, но их не достать.
В экспериментальной катушке размер проводов не очень важен. В катушке, которую я сегодня демонстрирую перед Вами, в первичной обмотке используется № 12, а во вторичной — № 24 мерный провод Браун и Шарп. Но сечения могут различаться довольно значительно. Я бы сказал и о различных настройках и корректировках, но они вряд ли существенно повлияют на результаты, которые мы намерены получить.
Я остановился столь подробно на различных формах кистевого разряда потому, что при их изучении мы не только наблюдаем явления, которые радуют глаз, но они еще дают нам пищу для размышлений и приводят к умозаключениям, имеющим практическое значение. При использовании переменного тока очень высокого напряжения для предотвращения появления кистевого электрического разряда не может предприниматься очень много мер предосторожности. В сети, подающей такой ток, в индукционной катушке, трансформаторе или конденсаторе кистевой разряд является источником большой опасности для изоляции. В особенности в конденсаторе, газообразное вещество должно удаляться наиболее тщательно, поскольку заряженные поверхности расположены очень близко друг к другу, и если разность потенциалов высока, то даже единственный пузырек воздуха некоторого размера вызовет нарушение изоляции так же верно, как груз упадет, если его отпустить. Тогда как если все газообразное вещество тщательно удалено, конденсатор сможет легко выдержать гораздо большую разность потенциала. Сеть, подающая переменный ток очень высокого напряжения может быть повреждена просто в результате раковины или маленькой трещины в изоляции, и более того, раковина как правило содержит в себе газа под низким давлением. И так как представляется практически невозможным избежать подобных мелких дефектов полностью, я прихожу к мысли, что в наших будущих сетях распределения электрической энергии посредством токов очень высокого напряжения будет применяться жидкостная изоляция. Наиболее важным сдерживающим фактором в этом вопросе выступает стоимость, однако, если мы используем масло в качестве изолятора, то мы сможем передавать электрическую энергию с напряжением например 100,000 вольт, и даже выше, настолько легко, по меньшей мере при более высоких частотах, что вряд ли кто-нибудь назовет это инженерным подвигом. При использовании масляной изоляции и моторах переменного тока передача электроэнергии может осуществляться надежно и на промышленном уровне на расстояния, измеряемые тысячами миль.
Характерной особенностью масел, и жидкостной изоляции в целом, при быстро изменяющемся электрических напряжениях является способность рассеивать любые газовые пузырьки которые могут присутствовать и диффундировать их по всей своей массе, как правило задолго до того, как может возникнуть вредоносный пробой. Эту особенность можно легко наблюдать, если взять обычную индукционную катушку, вынуть наружу первичную обмотку, закупорить конец трубки, на которую намотана вторичная обмотка, и заполнить ее каким- нибудь достаточно прозрачным изолятором, например, парафиновым маслом. Первичную обмотку, которая в диаметре миллиметров на шесть меньше внутреннего диаметра трубки, можно вставить в масло. Когда катушка включена, то если смотреть сверху через масло, можно увидеть множество светящихся точек — воздушных пузырьков, которые пойманы в результате вставления первичной обмотки, и которые светятся под воздействием мощной бомбардировки.
Пойманный воздух, противодействуя маслу, бьет его; масло начинает циркулировать, унося с собой часть воздуха, и так до тех пор, пока пузырьки не рассеются по маслу и свечение не пропадет. Таким же образом, если конечно не останутся большие пузырьки воздуха, делающие циркуляцию невозможной, предотвращается разрушающий пробой, с единственным эффектом — незначительным нагреванием масла. Если вместо жидкого использовать твердый изолятор, неважно даже какой толщины, то пробой его и повреждение устройства будут неизбежны.
Однако исключение газообразного вещества из любого устройства, в котором диэлектрик подвергается воздействию со стороны более или менее часто изменяющихся электрических сил, желательно не только ввиду предотвращения возможных повреждений этого устройства, но и из соображений экономии. Если, например, в конденсаторе используются только твердые или только жидкие изоляторы, то потери энергии малы. Но если присутствует газ при обычном или малом давлении, то потери могут быть стать очень значительными. Какова бы ни была природа сил, действующих в диэлектрике, представляется, что в твердых и жидких диэлектриках вызванное этими силами движение молекул очень мало.
Следовательно, произведение силы на смещение незначительно, если только сила не очень велика, что сделает это произведение большим. Молекулы могут двигаться свободно, они достигают высоких скоростей, и энергия их ударов есть потери на тепло либо на что-то другое. Если бы газ был сильно сжат, то перемещение частиц из-за плотности становится меньше, и потери энергии снижаются.
В большинстве последующих экспериментов, главным образом для обеспечения бесперебойной и нормальной работы, я предпочел задействовать генератор переменного тока, о котором уже говорилось ранее. Это одна из тех нескольких машин, которые я сконструировал для целей этих исследований. Она имеет 384 полярных выступа и способна давать ток с частотой около 10,000 в секунду. Эта машина была впервые проиллюстрирована и вкратце описана в тексте моего выступления перед аудиторией Американского Электротехнического Института 20 мая 1891 года, на который я уже ссылался. Более детальное описание, по которому любой инженер сможет изготовить подобную машину, можно найти в нескольких электрических журналах за тот период.
Индукционные катушки, которые работают от этой машины, достаточно малы и содержат от 5,000 до 15,000 витков во вторичной обмотке. Они помещены в покрытые цинковыми листами деревянные ящики, внутрь которых залито прокипяченное льняное масло.
Если изменить традиционное расположение обмоток, то есть разместить в этих катушках первичную обмотку поверх вторичной, то такое расположение предоставляет ряд преимуществ: можно использовать первичную обмотку значительно большего размера, что снижает опасность перегрева и увеличивает выход катушки. Я сделал первичную обмотку с каждой стороны по меньшей мере на один сантиметр короче вторичной для того, чтобы избежать пробоя на концах, который неизбежно возник бы, если только слой изоляции, нанесенный поверх вторичной обмотки, не был бы очень толстый, а это было бы, конечно, недостатком.
Когда первичная обмотка делается подвижной, что в некоторых экспериментах бывает необходимым и гораздо удобнее с точки зрения регулировки, я покрываю вторичную обмотку воском и обтачиваю ее на токарном станке так, чтобы ее диаметр стал чуть-чуть меньше внутреннего диаметра первичной обмотки. Первичную обмотку я снабжаю рукояткой, которая выступает над поверхностью масляного слоя и служит для перемещения ее вдоль вторичной обмотки в любое положение.
А сейчас, касательно общих манипуляций с катушкой, некоторые наблюдения с позиций, которым в более ранних экспериментах с такими катушками не придавалось должного значения, и которые даже теперь часто остаются незамеченными.
Обычно вторичная обмотка катушки демонстрирует столь высокую самоиндукцию, что текущий по проводу ток ничтожно мал, и может быть таковым даже когда выводы соединены проводником с малым сопротивлением. Если к выводам добавить емкость, то самоиндукция нейтрализуется, и по вторичной обмотке начинает течь более сильный ток, несмотря на то, что выводы изолированы друг от друга. Для человека, совершенно незнакомого со свойствами переменных токов, ничто не будет выглядеть более загадочным. Эта особенность была продемонстрирована в проведенном в начале эксперименте с пластинами из проволочной сетки, подключенными к выводам, и пластиной из резины. Когда пластины из проволочной сетки были близко друг к другу, и между ними проходила небольшая дуга, эта дуга препятствовала прохождению сильного тока через вторичную обмотку, потому что она сводила на нет емкость на выводах. Когда между [пластинами] помещалась резиновая пластина, емкость образовавшегося конденсатора противодействовала самоиндукции вторичной обмотки, теперь тек более сильный том, и катушка совершала больше работы, и разряд был несравненно мощнее.
Так что первое, что нужно сделать при работе с индукционной катушкой, это сочетать со вторичной обмоткой емкость, чтобы преодолеть самоиндукцию. При очень высоких частотах и потенциалах следует тщательно удалить газообразное вещество от заряженных поверхностей. Если используются Лейденские банки, их следует погрузить в масло, так как в противном случае может возникнуть значительная диссипация при большом напряжении на банках. При использовании высоких частот столь же важно соединить конденсатор с первичной обмоткой. Можно подключить конденсатор к концам первичной обмотки или к клеммам генератора переменного тока, но последнее делать не рекомендуется, поскольку это может повредить генератор. Несомненно, лучше всего лучше всего использовать конденсатор последовательно с первичной обмоткой и с генератором переменного тока, и отрегулировать его емкость таким образом, чтобы свести самоиндукцию обоих последних на нет. Конденсатор должен иметь очень маленькие шаги настройки, а для очень тонкой настройки удобно использовать маленький масляный конденсатор с подвижными пластинными.