Чем выше диэлектрическая проницаемость вносимого диэлектрика, тем мощнее производимый эффект. Благодаря этому потоки проявляются при чрезвычайно высоких потенциалах, даже при толщине стекла от полтора до двух дюймов. Но кроме нагревания, вызванного бомбардировкой, определенное нагревание идет, без сомнения, и в диэлектрике, причем в стекле значительно больше, чем в эбоните. Я отношу это явление к большей диэлектрической проницаемости у стекла, вследствие которой, при одинаковой разности потенциалов, в стекло вбирается большее количество энергии, чем в резину. Это как если подсоединить к батарее медный и латунный провода одинаковых размеров. Медный провод, хотя и являясь более совершенным проводником, будет нагреваться сильнее, по причине того, что вбирает больше тока. Таким образом, то, что в иных обстоятельствах является положительным качество стекла, здесь превращается в недостаток. Стекло обычно дает дорогу [пробою] гораздо быстрее, чем эбонит; когда оно нагревается до определенной степени, разряд внезапно пробивает через [него] в определенной точке, принимая затем форму обычной дуги.
Эффект нагрева, вызванный молекулярной бомбардировкой диэлектрика, конечно, уменьшился бы, при повышении давления воздуха, и при огромном давлении он стал бы ничтожен, если соответственно не увеличить частоту.
В этих экспериментах мы можем часто наблюдать, что если шары расположены за пределами разрядного расстояния, то приближение, например, стеклянной пластины может индуцировать искру, проскакивающую между шарами. Это происходит, когда емкость шаров несколько ниже критического значения, дающего самую большую разницу потенциалов на выходах катушки. Приближение диэлектрика увеличивает диэлектрическую проницаемость пространства между шарами, давая такой же эффект, как если бы увеличивалась емкость шаров. Напряжение на выводах может тогда вырасти настолько, что воздушное пространство пробивается. Эксперимент лучше всего производить с плотным стеклом или слюдой.
Еще одно интересное наблюдение с пластиной из изоляционного материала: когда разряд проходит через нее, она сильно притягивается одним из шаров, а именно тем, который ближе к ней. Это обусловлено, очевидно, меньшим механическим действием бомбардировки с той стороны, и, возможно, также большей электризацией.
Из поведения диэлектриков в этих экспериментах мы можем сделать вывод, что наилучшим изолятором для этих быстро переменяющихся токов был бы именно тот, который обладал бы наименьшей диэлектрической проницаемостью и в тоже время мог выдерживать самую большую разность потенциалов. Это, таким образом, указывает нам два диаметрально противоположных способа обеспечения нужной изоляции, а именно: использовать либо хороший вакуум, либо газ под большим давлением; но первое было бы предпочтительнее. К сожалению, ни один из этих двух способов не осуществим легко на практике.
Особенно интересно отметить поведение очень высокого вакуума в этих экспериментах. Если тестовую трубку с внешними электродами и откачанную до наивысшей возможной степени подсоединить к выводам катушки (Рис. 9), то электроды трубки немедленно нагреются до высокой температуры, и стекло на каждом конце трубки будет сильно фосфоресцировать, но середина трубки оказывается сравнительно темной и некоторое время остается холодной.
Когда частота настолько высока, что наблюдается разряд, показанный на Рис. 7, в катушке, без сомнения, происходит значительное рассеивание. Тем не менее катушка может работать длительное время, потому что нагревание постепенное.
Несмотря на то, что разность потенциалов может быть огромной, мало что чувствуешь, когда разряд проходит сквозь тело, если защищены руки. Это происходит в некоторой степени благодаря более высокой частоте, но в основном из-за того, что во вне становится меньше энергии, когда разность потенциалов достигает огромной величины, благодаря тому обстоятельству, что с ростом потенциала энергия, поглощаемая катушкой, растет как квадрат потенциала. До определенного момента энергия во вне увеличивается вместе с ростом потенциала, затем она начинает быстро спадать. Таким образом, в действии обыкновенной индукционной катушки высокого напряжения существует любопытный парадокс: в то время как при определенном токе через первичную обмотку удар может оказаться фатальным, при токе во много раз сильнее этого он может быть совершенно безвредным, даже если частота одинакова. При высоких частотах и чрезвычайно высоких потенциалах, когда выходы катушки не подсоединены к некоторого размера предметам, практически вся энергия, подаваемая в первичную обмотку, забирается катушкой. Не наблюдается ни пробоя, ни местных повреждений, но весь материал, изоляционный и проводящий, однородно нагревается.
Во избежание недоразумений в отношении физиологического действия переменных токов очень высокой частоты я считаю необходимым сказать, что хотя они, бесспорно, несравненно менее опасны, чем токи низкой частоты, не следует всё же полагать, что они совсем безвредны. Вышесказанное относится исключительно к токам от обыкновенной индукционной катушки высокого напряжения, токи которой обязательно очень малы; тики же, получаемые непосредственно от машины или от вторичной обмотки с низким сопротивлением производят более или менее мощные воздействия и могут нанести серьезные повреждения, особенно если при этом используются еще и конденсаторы.
Потоковый разряд индукционной катушки высокого напряжения отличается во многих отношениях от разряда мощной электростатической машины. Он не имеет ни фиолетового свечения положительного, ни яркости отрицательного статического разряда, но представляет собой нечто среднее, будучи, конечно, попеременно положительным и отрицательным. Но так как утечка потоков более интенсивна, когда острие или вывод катушки заряжен положительно, чем когда он заряжен отрицательно, то из этого следует, что вершина щётки более похожа па положительный, а ее основание — на отрицательный статический разряд. В темноте, если этот разряд очень мощный, основание "щётки" кажется почти белым. Движение воздуха, вызванное истечением потоков, хотя и может быть очень сильным — часто до такой степени, что его можно ощутить на приличном расстоянии от катушки, — тем не менее, учитывая величину разряда, меньше, чем получается от положительной щётки от электростатической машины. И влияет на яркость свечения гораздо менее мощно. Исходя из природы данного явления мы можем заключить, что чем выше частота, тем меньше должно быть, конечно же, движение воздуха, вызываемое потоками, и при достаточно высоких частотах не будет наблюдаться никакого движения воздуха при условиях нормального атмосферного давления.
При частотах, получаемых посредством машины, механический эффект достаточно велик, чтобы вращать со значительной скоростью большие колесики, которые в темноте являют собой прекрасное зрелище, благодаря обилию потоков (Рис. 10).
В общем, многие эксперименты, обычно проводимые с электростатической машиной, можно провести и с индукционной катушкой, работающей от быстро переменяющихся токов. Получаемые результаты, однако, гораздо более поразительны и обладают несравнимо большей силой. Когда небольшой кусок обычного провода с хлопчатобумажной изоляционной обмоткой, Рис. 11, присоединяют к одному выводу катушки, потоки, исходящие изо всех точек провода, могут быть столь интенсивными, что производят значительный световой эффект. Когда потенциалы и частоты очень высоки, провод, изолированный гуттаперчей или резиной и присоединенный к одному из выводов, кажется покрытым светящейся пленкой. Очень тонкий оголенный провод, присоединенный к выводу, испускает мощные потоки и постоянно вибрирует взад и вперед или описывает круг, что производит необычный эффект (Рис. 12). Некоторые из этих экспериментов были описаны мною в The Electrical World от 21 февраля 1891 года.
Другая особенность быстро чередующегося разряда индукционной катушки — это его совершенно другое поведение по отношению к остриям и к закругленным поверхностям.
Если толстый провод с шариком на одном конце и острием на другом подсоединить к положительному выводу электростатической машины, утечка практически всего заряда произойдет через острие по причине неизмеримо более высокого напряжения, зависящего от радиуса кривизны. Но если такой провод подсоединить к одному из выходов индукционной катушки, то можно наблюдать, что при очень высоких частотах потоки испускаются из шара так же обильно, как и из острия (Рис. 13).
Трудно представить, что мы могли бы добиться в равной степени такого же результата и электростатической машине, по той простой причине, что напряжение увеличивается как квадрат плотности, которая в свою очередь пропорциональна радиусу кривизны. Следовательно, при постоянном потенциале потребовался бы огромный заряд, чтобы заставить потоки идти из полированного шара когда он соединен с острием. Но в случае с индукционной катушкой, разряд которой с большой быстротой чередуется, дело обстоит по-другому. Здесь мы имеем дело с двумя разными тенденциями. Во-первых, есть тенденция к утечке, которая существует в состоянии покоя и зависит от радиуса кривизны; во-вторых, есть тенденция к рассеиванию в окружающий воздух от эффекта конденсатора, которая зависит от поверхности. Когда одна из этих тенденций достигает максимума, другая находится в минимуме. На острие световой поток возникает в основном благодаря тому, что молекулы воздуха вступают в физический контакт с острием; они притягиваются и отталкиваются, заряжаются и разряжаются, и их атомные заряды таким образом возмущаются, вибрируют и испускают световые волны. На шаре, напротив, этот эффект без сомнений производится в огромной степени индуктивно, и молекулы воздуха не обязательно вступают в контакт с шаром, хотя это, несомненно, происходит. Чтобы убедиться в этом, нам необходимо лишь усилить действие конденсатора, например, окружив шар на некотором расстоянии лучшим проводником, чем окружающая среда, при этом данный проводник, конечно, должен быть изолирован. Или его можно также окружить лучшим диэлектриком и приблизить изолированный проводник; в обоих случаях потоки будут испускаться обильнее. Также, чем больше шар при данной частоте, или чем выше частота, тем более шар будет иметь преимущества перед острием. Но поскольку требуется определенная интенсивность эффекта, чтобы потоки стали видимыми, очевидно, что в описанном эксперименте не следует брать слишком большой шар.
Трудно представить, что мы могли бы добиться в равной степени такого же результата и электростатической машине, по той простой причине, что напряжение увеличивается как квадрат плотности, которая в свою очередь пропорциональна радиусу кривизны. Следовательно, при постоянном потенциале потребовался бы огромный заряд, чтобы заставить потоки идти из полированного шара когда он соединен с острием. Но в случае с индукционной катушкой, разряд которой с большой быстротой чередуется, дело обстоит по-другому. Здесь мы имеем дело с двумя разными тенденциями. Во-первых, есть тенденция к утечке, которая существует в состоянии покоя и зависит от радиуса кривизны; во-вторых, есть тенденция к рассеиванию в окружающий воздух от эффекта конденсатора, которая зависит от поверхности. Когда одна из этих тенденций достигает максимума, другая находится в минимуме. На острие световой поток возникает в основном благодаря тому, что молекулы воздуха вступают в физический контакт с острием; они притягиваются и отталкиваются, заряжаются и разряжаются, и их атомные заряды таким образом возмущаются, вибрируют и испускают световые волны. На шаре, напротив, этот эффект без сомнений производится в огромной степени индуктивно, и молекулы воздуха не обязательно вступают в контакт с шаром, хотя это, несомненно, происходит. Чтобы убедиться в этом, нам необходимо лишь усилить действие конденсатора, например, окружив шар на некотором расстоянии лучшим проводником, чем окружающая среда, при этом данный проводник, конечно, должен быть изолирован. Или его можно также окружить лучшим диэлектриком и приблизить изолированный проводник; в обоих случаях потоки будут испускаться обильнее. Также, чем больше шар при данной частоте, или чем выше частота, тем более шар будет иметь преимущества перед острием. Но поскольку требуется определенная интенсивность эффекта, чтобы потоки стали видимыми, очевидно, что в описанном эксперименте не следует брать слишком большой шар.
Вследствие этой двойной тенденции, существует возможность достигнуть с помощью острий эффектов, идентичных получаемым с помощью ёмкости. Например, если присоединить к одному контакту катушки небольшой кусок грязного провода, который представляет собой множество острий и обеспечивает прекрасные условия для утечки, то напряжение катушки можно повысить до той же величины, что и путем подсоединения к этому контакту полированного шара с площадью поверхности во много раз больше, чем у провода.
Можно провести интересный эксперимент, показывающий действие множества точек провода, следующим образом. Присоедините к одному из выводов катушки провод с хлопчатобумажной изоляцией около 2 футов длиной, и путем регулирования сделайте так, чтобы из провода испускались потоки. В этом эксперименте первичную катушку предпочтительнее расположить так, чтобы она входила внутрь вторичной только до половины. Теперь дотроньтесь до свободного вывода вторичной обмотки проводящим предметом, который можно держать в руке или присоединить к изолированному предмету некоторой величины. Этим способом можно очень сильно увеличить потенциал на проводе. Результатом итого будет либо увеличение, либо уменьшение потоков. Если они усилились, то провод слишком короток, если уменьшились, то он слишком длинный. Подбирая длину провода, можно найти точку, когда прикосновение ко второму выводу никак не влияет потоки. В этом случае повышение потенциала полностью компенсируется его падением на катушке. Вы увидите, что малые длины провода вызывает значительные различия в величине и светимости потоков. Первичная обмотка располагается сбоку по двум причинам: Во-первых, чтобы увеличить потенциал на проводе; а во-вторых, чтобы увеличить его падение на катушке. Таким образом, поднимется чувствительность.
Существует еще одна и гораздо более поразительная особенность разряда-щётки, получаемого при очень быстро переменяющемся токе. Чтобы понаблюдать его, лучше всего заменить обычные выводы катушки двумя металлическими стержнями, изолироваными достаточной толщины эбонитом. Также неплохо заделать все царапинки и трещинки воском, чтобы щетки не могли образоваться нигде кроме как на вершинах стержней. Если тщательно подобрать необходимые условия — что, конечно, зависит от мастерства экспериментатора, — так, чтобы поднять потенциал до огромных значений, можно получить две мощных щётки длиной в несколько дюймов, у оснований почти белых, которые в темноте имеют поразительное сходство с двумя факелами газа, идущего под давлением (Рис. 14). Но они не просто похожи на огонь, это настоящие языки пламени, так как они горячие. Конечно, они не такие горячие, как пламя газовой горелки, но могли бы стать такими при достаточно высокой частоте и потенциале. Производимая, скажем, при двадцати тысячах чередований в секунду теплота легко ощутима, даже если потенциал не является слишком высоким. Теплота образуется, конечно, благодаря столкновениям молекул воздуха с разрядными стержнями и друг с другом. Гак как при обычном давлении свободный пробег чрезвычайно мал, то возможно, что несмотря на огромную первоначальную скорость, сообщаемую каждой молекуле при вхождении в контакт с разрядным стержнем, ее продвижение замедляется — по причине столкновений с другими молекулами — до такой степени, что она не может далеко уйти от стержня, но может ударяться об него последовательно много раз. Чем выше частота, тем меньше шансов у молекулы уйти от разрядного стержня, тем более что для данного эффекта требуется меньший потенциал; поэтому можно представить — и вероятно, даже достичь, — частоту, при которой о стержень будут ударяться практически одни и те же молекулы. При таких условиях обмен молекул был бы очень медленным, и теплота, вырабатываемая на стержне или вблизи него, была бы огромной. Но если бы частота постоянно увеличивалась, производимое тепло стало бы уменьшаться в силу очевидных причин. В положительной щётке электростатической машины обмен молекул очень быстрый, поток постоянно одного направления, и столкновений происходит меньше; отсюда тепловой эффект должен быть очень малым. Всё, что затрудняет легкость обмена, приводит к увеличению локально получаемой теплоты. Таким образом, если держать колбу над разрядным стержнем катушки так, чтобы она окружала щётку, то воздух в колбе очень быстро нагреется до высокой температуры. Если держать стеклянную трубку над щёткой так, чтобы воздушная тяга вытягивала щётку вверх, то из верхнего отверстия трубки вырывается обжигающий воздух. Любой предмет внутри щётки, конечно, быстро нагревается, что приводит к мысли о возможности использования этого теплового эффекта для той или иной цели.
Размышляя об этом необычайном явлении горячей щётки, мы не можем не задуматься о том, что подобный процесс должен иметь место и в обычном пламени; и кажется странным, что после всех прошедших столетий знакомства с огнем, сейчас, в эру электрического света и тепла, мы подошли, наконец, к осознанию того, что с незапамятных времен имели в нашем распоряжении "электрический свет и тепло". Также небезынтересно представить, что у нас есть возможный способ получения — не химическим путем — настоящий огонь, способный давать свет и тепло без сжигания какого-либо материала, без каких-либо химических процессов, и чтобы достичь этого, нам необходимо только усовершенствовать методы получения очень высоких частот и потенциалов. У меня нет сомнений в том, что если вызвать чередование потенциала с достаточной скоростью и мощностью, то щётка, образующаяся на конце провода, потеряет свои электрические характеристики и станет подобна пламени. Пламя должно обуславливаться электростатическим молекулярным эффектом.
Теперь это явление объясняет, и в этом едва ли можно усомниться, несчастные случаи, нередко происходящие во время грозы. Хорошо известно, что предметы часто загораются, даже если в них не ударила молния. Сейчас мы рассмотрим, каким образом это может произойти. На гвозде в крыше, например, или на каком-либо выступе, проводящем или ставшим таким из-за влажности, может образоваться мощная щётка. Если молния ударила где- то поблизости, это может заставить огромный потенциал чередоваться или флюктуировать, возможно, много миллионов раз в секунду. Молекулы воздуха интенсивно притягиваются и отталкиваются, и своими столкновениями производят такой мощный тепловой эффект, что возникает огонь. Вполне возможно представить, что корабль, плывущий по морю, может таким образом загореться сразу в нескольких местах. Если мы учтем, что даже при сравнительно малых частотах, получаемых с помощью динамо машины, и при потенциалах не более ста или двухсот тысяч вольт наблюдаются значительные тепловые эффекты, то можно представить, насколько мощнее они должны быть при частотах и потенциалах во много раз больше; и приведенное выше объяснение кажется, говоря без преувеличений, очень правдоподобным. Возможно, подобные объяснения уже предлагались, но я не располагаю сведениями о том, что до настоящего времени тепловые эффекты щётки, получаемой с помощью быстро переменного потенциала, демонстрировалось бы экспериментально, по крайней мере, не в столь заметной степени.