Если полностью исключить обмен молекул воздуха, местный тепловой эффект можно усилить настолько, что предмет накалится. Таким образом, например, если поместить маленький стержень или, предпочтительнее, очень тонкий провод или нить в неоткачанную колбу и соединить с выводом катушки, то его можно довести до накаливания. Можно представить это явление гораздо интереснее, если заставить верхний конец нити накала быстро вращаться по кругу, придав ему, таким образом, вид светящейся воронки (Рис. 15), которая расширяется с повышением потенциала. Когда потенциал невелик, конец нити может совершать беспорядочные движения, внезапновменяющиеся, или может описывать эллипс; но при очень высоком потенциале нить всегда вращается по кругу, так же, как и топкий провод, свободно присоединенный к выводу катушки. Эти движения вызваны, конечно, столкновениями молекул и неравномерным распределением напряжения по причине неровности и несимметричности провода или нити. Вероятно, подобные движения отсутствовали бы в случае идеально симметричного и отполированного провода. То, что это движение не обусловлено другими причинам, вполне очевидно, потому что оно не имеет определенного направления, и потому, что в очень сильно откачанной колбе оно прекращается совсем. Возможность довести предмет до накаливания в откачанной колбе, или даже совсем открытый, как представляется, открыла бы нам способ получить световые эффекты, которые пригодились бы для полезных целей, когда улучшатся методы получения быстро переменяющихся потенциалов.
При применении коммерческой катушки получение очень мощной щётки сопряжено со значительными трудностями, потому что когда используются высокие частоты и огромные потенциалы, может подвести даже самая лучшая изоляция. Обычно катушка изолирована достаточно хорошо, чтобы выдерживать напряжение между соседними намотками, так как два провода, с двойной шелковой пропарафиненной оплеткой, выдерживают напряжение в несколько тысяч вольт; трудность лежит в основном в предотвращении пробоя от вторичной обмотки к первичной, которому очень способствует испускание потоков от последней. В обмотке, конечно, самое сильное напряжение между намотками, но обычно в большей обмотке намоток так много, что опасность внезапного пробоя не столь велика. Обычно в этом направлении трудностей не встречается, и, кроме того, возможность внутренних повреждений в катушке сильно снижается из-за того, что наиболее вероятный эффект — это просто постепенное нагревание, которое при достаточном усилении не может остаться незамеченным. Так что главная необходимость — предотвратить появление потоков между первичной обмоткой и трубкой, не только из-за нагревания или возможных повреждений, но также и из- за того, что потоки могут значительно уменьшать получаемую на выводах разность потенциалов. Несколько советов о том, как это предотвратить, вероятно окажутся полезными в большинстве этих экспериментов с обыкновенной индукционной катушкой.
Один из способов, например, — это намотать короткую первичную обмотку (Рис. 16а), чтобы при такой длине разность потенциалов была не столь велика, чтобы вызвать пробой потоков через изоляционную трубку. Длину первичной обмотки следует определять экспериментально. Оба конца обмотки следует вывести с одной стороны через заглушку из изоляционного материала, вставленную в трубку как показано на рисунке. При таком расположении один вывод вторичной обмотки присоединяется к предмету, площадь которого определяется с большой тщательностью так, чтобы получать наибольший подъем потенциала. На другом выводе появляется мощная щётка, с которой можно экспериментировать.
Описанная выше схема приводит к необходимости использования первичной обмотки сравнительно небольшого размера, и она имеет тенденцию нагревается, когда хочется получать мощные эффекты в течение продолжительного времени. В таком случае лучше использовать обмотку больше (Рис. 16b) и вводить её с одной стороны трубки, пока не начнут появляться потоки. В этом случае ближайший вывод вторичной обмотки можно подсоединить к первичной или к земле, что практически одно и то же, если первичная обмотка непосредственно присоединена к машине. В случае с заземлением хорошо было бы экспериментально определить частоту, которая больше всего подходит для условий данного испытания. Другой способ более или менее устранить утечку потоков — это намотать первичную обмотку секциями и сделать подводку к ней из отдельных хорошо изолированных источников.
В большинстве этих экспериментов, когда нужно получать мощные кратковременные эффекты, полезно использовать с первичными обмотками железные сердечники. В этом случае можно намотать очень большую первичную обмотку и расположить её бок о бок рядом со вторичной, и, подсоединив ближайший вывод вторичной к первичной, вводят гладкий стальной сердечник через первичную обмотку во вторичную настолько, насколько позволят потоки. В этих условиях можно вызвать появление на другом выводе вторичной обмотки чрезвычайно мощной щётки длиной в несколько дюймов, которую вполне можно назвать "Огнем Святого Эльма". Это самым мощный озонатор, на самом деле настолько мощный, что всего нескольких минут достаточно, чтобы все помещение наполнилось запахом озона, несомненно, обладающего поразительными химическими свойствами.
Для получения озона прекрасно подходят токи очень высокой частоты, не только из-за их преимуществ в плане преобразований, но и потому что озонирующее действие разряда зависит как от частоты, так и от потенциала; и это несомненно подтверждает эксперимент.
Если в этих экспериментах использовать стальной сердечник, следует внимательно следить за ним, так как он может чрезмерно нагреться за чрезвычайно короткое время. Чтобы вы получили представление о том, как быстро он нагревается, я могу сказать, что если пропустить мощный ток через обмотку со многими витками, то внесения внутрь неё тонкой железной проволоки не более, чем на секунду, будет достаточно, чтобы нагреть ее примерно до 100 °C.
Но это быстрое нагревание не должно заставить нас отказаться от использования стальных сердечников в экспериментах с быстро переменяющимися токами. В течение долгого времени я был убежден в том, что в промышленном токоснабжении с применением трансформаторов можно осуществить примерно следующий план. Мы можем использовать небольшой железный сердечник, секционный или даже, может быть, нет. Мы можем окружить этот сердечник толстым слоем жаростойкого материала, который слабо проводит тепло, а поверх него разместить первичную и вторичную обмотки. Используя либо более высокие частоты, либо магнитные силы, мы можем нагреть стальной сердечник с помощью гистерезиса и вихревых токов до такой степени, чтобы он достиг почти максимальной [магнитной] проницаемости, которая, как показал Хопкинсон, может быть в целых шестнадцать раз больше, чем при обычных температурах. Если стальной сердечник хорошо защищен, он не будет портиться из- за нагревания, и если покрытие из жаростойкого материала будет достаточно толстым, то, несмотря на высокую температуру, сможет излучаться только ограниченное количество энергии. Мною были сконструированы трансформаторы для этого проекта, но из-за недостатка времени они ещё не прошли тщательную проверку.
Другой способ приспособить стальные сердечники к быстрым переменам, или, говоря в общем, снизить фрикционные потери, — это создать с. помощью постоянного намагничивания поток примерно в семь или восемь тысяч линий на квадратный сантиметр, проходящий сквозь стальной сердечник, и затем работать со слабыми магнитными силами и преимущественно высокими частотами вокруг точки максимальной проницаемости. Этим способом достигается более высокая эффективность преобразования и больший выход. Я также применил этот принцип в связи с машинами, на которых отсутствует обращение полярности. В машинах этого типа выход не очень большой по причине малого количества полярных выступов, так как максимумы и минимумы намагничивания далеки от точки максимальной проницаемости. Но при очень большом количестве полярных выступов можно достичь нужной скорости изменений, при этом намагничивание не меняется настолько, чтобы сильно отклоняться от точки максимальной проницаемости, и получается значительный выход.
Средства, описанные выше, относятся исключительно к использованию промышленных катушек, сделанных как они обычно. Если нужно сделать катушку специально для целей проведения описанных мной экспериментов, или, в общем, чтобы она могла выдерживать максимально возможную разность потенциалов, то лучше использовать конструкцию, изображенную на Рис. 17. В этом случае катушка состоит из двух независимых частей, которые наматываются противоположно, и соединение их друг с другом делается вблизи первичной обмотки. Так как напряжение в середине равно нулю, нет особой опасности пробоя на первичную обмотку, и не требуется много изоляции. Однако в некоторых случаях среднюю точку можно подсоединить к первичной обмотке или заземлить. В такой катушке точки с наибольшей разностью потенциалов находятся далеко друг от друга, и катушка способна выдерживать огромное напряжение. Обе части могут быть подвижными, чтобы допускать небольшое регулирование емкости.
Средства, описанные выше, относятся исключительно к использованию промышленных катушек, сделанных как они обычно. Если нужно сделать катушку специально для целей проведения описанных мной экспериментов, или, в общем, чтобы она могла выдерживать максимально возможную разность потенциалов, то лучше использовать конструкцию, изображенную на Рис. 17. В этом случае катушка состоит из двух независимых частей, которые наматываются противоположно, и соединение их друг с другом делается вблизи первичной обмотки. Так как напряжение в середине равно нулю, нет особой опасности пробоя на первичную обмотку, и не требуется много изоляции. Однако в некоторых случаях среднюю точку можно подсоединить к первичной обмотке или заземлить. В такой катушке точки с наибольшей разностью потенциалов находятся далеко друг от друга, и катушка способна выдерживать огромное напряжение. Обе части могут быть подвижными, чтобы допускать небольшое регулирование емкости.
Что касается способа изолирования обмотки, то удобнее всего это делать следующим образом: Во-первых, провод следует варить в парафине, пока не выйдет весь воздух; затем намотать катушку, пропуская провод через расплавленный парафин, просто для фиксации провода. Зате м обмотку снимают с каркаса катушки, погружают в цилиндрический сосуд, наполненный чистым расплавленным воском, и долгое время варят там до тех пор, пока не прекратится появление пузырьков. После этого все оставляют до полного охлаждения, далее эту массу вынимают из сосуда и обрабатывают на токарном станке. Обмотка, изготовленная подобным образом и тщательно, способна выдерживать огромные разности потенциалов.
Можн о также поместить обмотку в парафиновое масло или в какое-либо другое масло; это весьма эффективный способ изолирования, в основном из-за абсолютного исключения воздуха, но в итоге выясняется, что сосуд, наполненный маслом, не очень удобно использовать в лабораторных условиях.
Если обыкновенную катушку разбирается, то первичную обмотку можно вынуть из трубки, трубку закупорить на одном конце, наполнить маслом, и снова вставить первичную обмотку.
Это обеспечивает превосходную изоляцию и препятствует образованию потоков.
Из всех экспериментов, которые можно провести с быстро переменяющимися токами, наиболее интересны те, которые касаются получения практического источника освещения. Нельзя отрицать того, что современные методы, хотя они и являются выдающимися достижениями, очень неэкономичны. Нужно изобрести лучшие методы, придумать более совершенные устройства. Современные исследования открыли новые возможности для получения эффективного источника света, и все взоры обратились в направлении, указанном талантливыми первопроходцами.
Многие были охвачены энтузиазмом и страстью к открытиям, но в своем стремлении достичь результатов некоторые пошли по неверному пути. Начав с идеи получения электромагнитных волн, они, вероятно, слишком увлеклись изучением электромагнитных сил и упустили из виду изучение электростатических явлений. Естественно, почти у каждого исследователя имелся аппарат, похожий на тот, который использовался в ранних экспериментах. Но в приборах этого вида, в то время как электромагнитные индуктивные эффекты огромны, электростатические эффекты чрезвычайно малы.
В экспериментах Герца, например, индукционная катушка высокого напряжения замыкается накоротко электрической дугой, сопротивление которой очень мало, и чем меньше, тем больше связанная с выходами емкость; и разность потенциалов на них очень сильно уменьшается. С другой стороны, когда разряд не проходит между выходами, могут быть значительными статические эффекты, но лишь качественно, а не количественно, так как их рост и падение очень резкие, и поскольку частота их невелика. Ни в том, ни в другом случае, следовательно, мощные электро статические эффекты не наблюдаются. Подобная ситуация возникает и когда, как в некоторых интересных экспериментах доктора Лоджа, Лейденские банки разряжаются пробоем. Думали, и полагаю, даже утверждали, что в этих случаях большая часть энергии излучается в пространство. В свете экспериментов, описанных мною выше, теперь так считать не станут. Я уверенно утверждаю, что в подобных случаях большая часть энергии частично поглощается и преобразуется в тепло в дуге разряда и в проводящем и изолирующем материале банки, Рис. 17. при этом некоторое количество энергии, конечно, расходуется на электрификацию воздуха; но количество непосредственно излучаемой энергии очень мало.
Когда выводы индукционной катушки высокого напряжения, работающей от тока с количеством перемен всего 20,000 раз в секунду, замкнуты даже через очень маленькую банку, практически вся энергия проходит через диэлектрик банки, нагревая его, и внешне электростатические эффекты проявляются очень незначительно. Теперь, внешнюю цепь Лейденской банки, а именно, дугу и соединения обкладок, можно рассматривать как цепь, генерирующую переменяющиеся токи чрезвычайно высокой частоты и достаточно высокого потенциала, которая замкнута через обкладки и диэлектрик между ними. И из вышесказанного очевидно, что внешние электростатические эффекты должны быть очень малы, даже если использовать цепь обратного хода. Эти результаты позволяют сделать вывод о том, что используя обычно бывшие под рукой аппараты, невозможно было наблюдать мощные электростатические эффекты, и всем опытом, накопленным в этой области, мы обязаны только огромным талантам исследователей.
Но мощные электростатические силы — это непременное условие, sine qua поп, получения света на указанных теорией. Электромагнитные эффекты в основном недоступны, так как чтобы достичь нужных эффектов, нам пришлось бы пропустить через проводник импульсы тока, который прекратил бы их передавать задолго до того, как была бы достигнута требуемая частота импульсов. С другой стороны, электромагнитные волны, во много раз длиннее световых волн, и получаемые с помощью резкого разряда конденсатора, казалось бы, невозможно применить, если не воспользоваться их воздействием на проводники, как предложено в современных методах, которые неэкономичны. Мы не смогли бы воздействовать посредством этих волн на статические молекулярные или атомные заряды газа, заставляя их вибрировать и испускать свет.
Длинные поперечные волны явно не могут произвести подобное действие, так как чрезвычайно малые электромагнитные возмущения могут легко проходить по воздуху многие мили расстояния. Такие невидимые волны, если они не такой длины, как настоящие световые волны, не могут, как кажется, возбуждать светящееся излучение в Гейслеровой трубке, и я склонен рассматривать световые эффекты, получаемые с помощью индукции в трубке без электродов, как явления электростатической природы.
Чтобы получить такое свечение, требуется электростатическое усилие; независимо от своей частоты оно может нарушать равновесие молекулярных зарядов и производить свет. Поскольку импульсы тока нужной частоты не могут проходить через проводник заметных размеров, мы должны использовать газ, и тогда насущной необходимостью становится получение мощных электростатических воздействий.
Однако мне представлялось, что электростатические воздействия могут многообразно применяться для получения света. Например, мы можем поместить предмет из какого-либо жаростойкого материала в закрытую и, желательно, более или менее откачаную колбу, и подсоединить его к источнику высокого, быстро переменяющегося потенциала, заставляя молекулы газа много раз в секунду на огромной скорости ударяться об него, и этими триллионами невидимых ударов долбить его, пока он не раскалится. Или мы можем поместить тело в очень сильно откачанную колбу, в беспробойный вакуум, и, с помощью очень высоких частот и потенциалов передавать достаточное количество энергии от него к другим расположенным вблизи него телам, или, вообще говоря, его окружению, чтобы поддерживать его на любой степени накаливания. Или же мы можем с помощью таких быстро переменяющихся высоких потенциалов возмущать эфир, несомый с собой молекулами газа, или их статические заряды, заставляя их вибрировать и испускать свет.
Но так как электростатическое действие зависит от потенциала и частоты, желательно увеличить их оба настолько, насколько это практически возможно, чтобы достигнуть максимально мощного воздействия. Может быть возможно достичь вполне удовлетворительных результатов, даже если один из этих факторов будет мал, при условии, что другой достаточно велик; но мы ограничены по обоим направлениям. Мой опыт показывает, что мы не можем уходить ниже определенной предельной частоты, так как, во-первых, потенциал тогда становится столь велик, что это опасно; и, во-вторых, получение света менее эффективно.