"Лекции" - читать интересную книгу автора (Тесла Никола)

Ток или электродинамические явления

До сих пор мои выступления были посвящены эффектам, вызванным меняющейся электростатической силой в изолирующей среде, такой, как воздух. Когда такая сила действует в крупном проводнике, она вызывает в нем или на его поверхности электрические деформации и порождает электрический ток, а он приводит к иного рода явлениям, некоторые из которых я сейчас попытаюсь продемонстрировать. При представлении этой второй группы явлений, я обращусь к тем из них, которые можно показать, не пользуясь обратным контуром, в надежде заинтересовать вас новизной.

Сложилась давняя традиция, по причине недостатка опыта работы с колеблющимися токами, по которой считалось, что электрический ток — это нечто, циркулирующее в замкнутом проводящем контуре. Поразительным открытием стал тот факт, что ток может течь в контуре, даже если он разомкнут, и еще более удивительное, что иногда даже легче создать электрический ток в таких условиях, чем в замкнутой цепи. Но эта старая идея постепенно отступает, даже среди практиков, и вскоре будет совсем забыта.

Если я соединю металлическую пластину Р (рисунок 11) с одним из выводов Т катушки индуктивности, даже если пластина хорошо изолирована, по проводу течет ток, когда катушка включается. Во-первых, я хотел бы привести доказательства того, что по соединительному проводу течет ток. Самым очевидным доказательством будет, если мы включим в цепь между пластиной и выводом катушки тонкий провод w из платины или нейзильбера и доведем его до накала или расплавим. Для этого требуется довольно большая пластина, либо ток высокого потенциала и частоты. Можно сделать и по-другому: взять катушку С из тонкого изолированного провода (рисунок 11) и включить ее последовательно между пластиной и выводом. Когда я соединяю концы этой катушки с пластиной Р, а другой с выводом Т катушки индуктивности и включаю ее, через катушку С течет ток и его существование можно продемонстрировать разными способами. Например, я вставляю в катушку железный сердечник г. Так как ток высокой частоты, хоть и небольшой силы, вскоре сердечник ощутимо нагревается, так как наблюдается запаздывание фазы, и при такой высокой частоте потери тока значительны. Можно взять сердечник определенного размера, составной или нет, неважно, но обычный железный провод толщиной /₁₆ или ¹/ дюйма вполне сгодится. Во время работы катушки ток пронизывает включенную в цепь вторую катушку и нескольких мгновений достаточно для того, чтобы размягчить воск 5 и сделать так, чтобы картонная прокладка р выпала. Но при помощи той аппаратуры, что есть у меня здесь, можно провести более интересную демонстрацию. У меня имеется вторичная обмотка s из грубого провода (рисунок 12), намотанная на катушку, подобную первой. В предыдущем опыте сила тока в катушке С (рисунок 11), была мала, но вследствие большого числа витков тем не менее достигался эффект сильного нагрева. Если бы я пропустил такой ток через проводник, чтобы продемонстрировать его нагрев, желаемого эффекта можно было бы и не достигнуть. Но с такой катушкой, имеющей подобную вторичную обмотку, я могу преобразовывать слабенький ток высокого напряжения, который проходит через первичную обмотку Р, в сильный вторичный ток низкого напряжения, и этот ток сделает то, что я от него хочу. В стеклянную трубку t (рисунок 12) я поместил витой платиновый провод w для того, чтобы защитить его. С обоих концов трубки в нее запаяны выводы толстого провода, к которым присоединены концы платинового провода. Я соединяю выводы вторичной обмотки с этими выводами и включаю первичную обмотку р между изолированной пластиной Р и выводом T_f катушки индуктивности, как и прежде. Когда катушка включается, платиновый провод моментально накаляется и может расплавиться, даже если он толстый.

Вместо платинового провода теперь беру обычную 50-вольтовую лампу в 16 свечей. Когда я включаю катушку, нить накаливания лампы моментально нагревается. Однако нет необходимости использовать изолированную пластину, так как лампа / (рисунок 13) накаляется, даже если пластина Р отсоединена. Вторичную обмотку можно соединить с первичной, как показано пунктиром на рисунке 13, для того чтобы исключить электростатическую индукцию или другим образом изменить работу устройства.

Рис. 13

Здесь можно обратить внимание на несколько интересных моментов касательно лампы. Во-первых, я отсоединяю один из выводов лампы от вторичной обмотки 5. Во время работы катушки индуктивности заметно свечение, наполняющее всю лампу. Это свечение возникает благодаря электростатической индукции. Оно усиливается, если лампу взять в руку, добавив таким образом емкость человеческого тела ко вторичной цепи. Вторичная обмотка по своему действию приравнивается к металлическому кожуху, помещенному рядом с первичной обмоткой. Если бы вторичная обмотка, или ее эквивалент — кожух, размещались симметрично по отношению к первичной, то электростатическая индукция была бы равна нулю при обычных условиях, то есть, когда используется первичная обратная цепь, так как обе половины нейтрализуют действие друг друга. Вторичная обмотка фактически расположена симметрично по отношению к первичной, но действие обеих половин последней, когда только один из ее выводов соединен с катушкой индуктивности, неравномерно; поэтому имеет место электростатическая индукция, а отсюда свечение в лампе. Я могу уравновесить действие обеих половин первичной обмотки, присоединив другой, свободный вывод ее к изолированной пластине, как в предыдущем опыте. При соединении пластины свечение пропадает, если присоединить пластину поменьше, то свечение пропадает не полностью и способствует яркости накала нити, когда вторичная обмотка замкнута, нагревая воздух в колбе.

Для демонстрации еще одной интересной особенности я использовал две катушки, настроенные особенным способом. Сначала я соединяю оба вывода лампы со вторичной обмоткой, когда один конец обмотки соединен с выводом Т. катушки индуктивности, а другой — с изолированной пластиной Р, как и ранее. Когда подается ток, лампа светится ярко, как показано на рисунке 146, где С — это обмотка из тонкого провода, as- обмотка из грубого провода, намотанная на нее. Если отсоединить изолированную пластину Р_v и один из концов провода а остается изолированным, нить гаснет или светится не так ярко (рисунок 14а). Присоединяя пластину Р и повышая частоту тока, я гашу нить, или могу сделать так, чтобы она была едва красной (рисунок 156). Отсоединю пластину еще раз. Можно предположить, что при отсоединении пластины сила тока в первичной обмотке уменьшится и, следовательно, эдс во вторичной обмотке s упадет, уменьшив накал нити. Так, вероятно, и результата можно добиться, настроив катушки, равно как и изменив частоту и потенциал тока. Но, возможно, еще более интересно то, что яркость лампы возрастает, когда пластина отсоединена (рисунок 15а). В данном случае вся энергия, которую получает первичная обмотка, передается в лампу, как заряд батареи океанскому кабелю, но большая ее часть восстанавливается вторичной обмоткой и служит накалу лампы. Ток, пронизывающий первичную обмотку, сильнее всего на конце b, соединенном с выводом Т₁ катушки индуктивности и сила его уменьшается по мере приближения к концу а. Но динамическая индукция во вторичной обмотке 5 сейчас сильнее, чем раньше, когда пластина была соединена с первичной обмоткой. Такие результаты могут порождаться несколькими причинами. Например, при присоединении пластины Р катушка С может отреагировать, уменьшив потенциал на выводе T₁ катушки индуктивности, а следовательно, и ослабив ток в первичной обмотке катушки С. Шли, отсоединив пластину, мы можем уменьшить емкость первичной обмотки таким образом, что сила тока падает, хотя потенциал на выводе Т₁ катушки индуктивности может оставаться неизменным или даже вырасти. Либо такой результат мог быть достигнут благодаря изменению фазы тока в первичной и вторичной обмотках и соответствующей реакции. Но основополагающим фактором всё же является соотношение между самоиндукцией и емкостью катушки С и пластины Р и частотой тока. Повышенная яркость нити на рисунке 15а, однако, частично объясняется нагревом разреженного газа в лампе, вызванном электростатической индукцией, как указывалось ранее, которая увеличивается при отсоединении пластины.

Я могу представить вашему вниманию еще один интересный момент. Когда пластина отсоединена от вторичной обмотки и конец ее свободен, мы можем поднести к нему небольшой предмет и заметим слабое искрение, что указывает на то, что в данном случае электростатическая индукция мала. Но если вторичная обмотка замкнута на себя или через лампу, нить горит ярко, и вторичная обмотка дает обильное искрение. Электростатическая индукция в данном случае гораздо сильнее, так как замкнутая вторичная обмотка подразумевает более сильный ток через первичную обмотку, а именно через ту ее часть, что соединена с катушкой индуктивности. Если теперь взять лампу в руку, то емкость вторичной обмотки в соотношении с первичной дополнится емкостью тела экспериментатора и яркость нити увеличится, причем накал увеличится частично вследствие более сильного тока в нити, а частично вследствие молекулярной бомбардировки разреженного газа в колбе.

Предыдущие опыты готовят нас к следующим интересным результатам, полученным в ходе дальнейших изысканий. Поскольку я могу добиться появления тока в изолированном проводе, просто соединив один его конец с источником электрической энергии, и с помощью этого тока могу индуцировать другой ток, намагнитить железный сердечник, или, выражаясь короче, проводить все действия так, будто использую обратную цепь, очевидно, могу и завести мотор при помощи только одного провода. В прошлый раз я описал вариант простого мотора, состоящего из одной обмотки, железного сердечника и диска. На рисунке 16 показана модифицированная модель мотора переменного тока, работающего от одного питающего провода, а также несколько вариантов цепей для управления определенным классом моторов, чье действие основано на разнофазных токах. В связи с настоящим положением дел в этой области представляется возможным лишь вкратце описать их. Схема на рисунке 16 II изображает первичную обмотку Р, соединенную с питающей линией L, соединенную с высоковольтным трансформатором T₁. С первичной обмоткой индуктивно соединена вторичная обмотка s из проволоки, соединенная параллельно с обмоткой С. Токи, индуцированные во вторичной обмотке, электризуют железный сердечник i, который предпочтительно, но не обязательно, имеет составную конструкцию, и вращают металлический диск d. Такой мотор М₂ как показан на рисунке 16 II, называется «двигателем магнитного запаздывания», но такое наименование может быть оспорено теми, кто приписывает вращение диска действию вихревых токов, циркулирующих по коротким цепям, когда сердечник i окончательно разделен. Для того чтобы мотор эффективно работал по указанной схеме, надо, чтобы токи не имели слишком высокой частоты, не более четырех или пяти тысяч, хотя вращение достигается даже при десяти тысячах в секунду или более.

На рисунке 16 I показан мотор М₁ с двумя цепями питания А и В. Цепь А соединена с питающей линией L, последовательно с ней включена первичная обмотка Р, свободный конец которой может быть соединен с изолированной пластиной Р₁, возможность такого соединения показана пунктиром. Другая цепь мотора В соединена со вторичной обмоткой s, индуктивно соединенной с первичной обмоткой Р. Когда на вывод трансформатора Т подается переменный ток, токи пронизывают открытую линию L, а также цепь А и первичную обмотку Р. Токи в последней индуцируют вторичные токи в цепи S, которые проходят через электризующую обмотку В мотора. Токи во вторичной обмотке S и в первичной обмотке Р различаются по фазе на 90 градусов или около того, и способны вращать ротор, индуктивно соединенный с цепями А и В.

На рисунке 16 III показан подобный мотор М₃ с цепями возбуждения A₁ и В₁. Первичная обмотка Р соединена одним концом с питающим проводом L и имеет вторичную обмотку S, которую желательно намотать так, чтобы получить умеренную эдс, и к которой присоединены обе возбуждающие цепи мотора: одна напрямую к концам вторичной обмотки, а вторая — через конденсатор, действие которого позволяет добиться сдвига по фазе токов в цепях А₁ и В₁

Рисунок 16 IV — еще одна схема. Здесь две первичные обмотки Р и Р₁ соединены с питающим проводом, одна через конденсатор С небольшой емкости, а вторая — напрямую. Первичные обмотки имеют вторичные S₁ и S₂„последовательно соединенные с возбуждающими цепями А₂ и В., и мотором М₃, причем конденсатор С вновь служит для создания необходимого сдвига по фазе токов в цепях мотора. Поскольку такие фазовые моторы уже широко известны в данной отрасли, здесь они были показаны схематически. Эксплуатация мотора подобным образом не представляет никакой трудности; и хотя такие эксперименты до сегодняшнего дня представляли исключительно научный интерес, в скором времени они будут ставиться с вполне практическими целями.

Мне кажется, будет не лишним, если я приведу несколько своих мыслей касательно работы электрических устройств от одного провода. Представляется очевидным, что при использовании высокочастотных токов заземление — по крайней мере, когда эдс токов высока, — лучше, чем обратная цепь. С этим можно поспорить, когда используются низкочастотные и постоянные токи по причине их разрушительного химического воздействия, а также помех, которые они создают для окружающих электроприборов; но в случае с высокочастотными токами эти факторы практически отсутствуют. И всё же, даже заземление становится излишним, когда эдс достаточно высока, так как вскоре будет достигнут рубеж, когда ток можно будет более экономично передавать по разомкнутой, а не замкнутой цепи.

Какой бы отдаленной ни казалась возможность промышленного использования такого способа передачи тому, кто не опытен в экспериментах такого рода, она не покажется таковой тому, кто посвятил некоторое время исследованиям в данном направлении. И в самом деле, я не понимаю, почему такая схема может показаться непрактичной. Не вижу также, зачем обязательно надо применять токи высокой частоты, ибо если достичь потенциала в 30 000 В, передача через один провод может осуществляться и при низкой частоте, мною проводились опыты в этом направлении.

Когда частота очень высока, в лабораторных условиях оказалось довольно легко регулировать эффекты так, как показано на рисунке 17. Здесь мы имеем две первичные обмотки Р и Р, каждая из которых одним концом соединена с проводом заземления L, а другим — с пластинами конденсатора С и С соответственно. Рядом с ними помещаются другие пластины конденсатора С₁ и С_я причем первая соединена с проводом L, а вторая с большой изолированной пластиной Р_г На первичные обмотки намотаны вторичные из проволоки S и S₁ соединенные с устройствами d и / соответственно. При изменении расстояния между пластинами С и С₁ и С и C₁ меняется сила

Рис. 18

тока на обмотках S и S_г Интересна большая чувствительность устройства, при малейшем изменении расстояния пластин конденсатора сила тока в обмотках значительно меняется. Чувствительность можно довести до крайнего значения, так настроив частоту, что сама первичная обмотка, когда ничего не соединено с ее свободным концом, удовлетворяет, совместно с замкнутой вторичной, условиям резонанса. При таких условиях даже небольшое изменение емкости свободного вывода приводит к большим изменениям. Например, мне удалось так настроить устройство, что простое приближение человека к катушкам производит значительное изменение яркости накала ламп, соединенных со вторичной обмоткой. Такие наблюдения и опыты в настоящее время, конечно, имеют чисто научный интерес, но вскоре они смогут иметь и практическую пользу.

Очень высокие частоты, конечно, непрактичны для использования в моторах, так как требуют применения железного сердечника. Но можно использовать броски низкой частоты и так добиться преимущества применения высокочастотных токов, когда железный сердечник не перестанет чувствовать изменения и это не повлечет значительных затрат энергии в нем. Я обнаружил, что вполне практично при помощи таких низкочастотных бросковых разрядов эксплуатировать моторы переменного тока. Группа таких моторов была разработана мной несколько лет назад, они содержат замкнутые вторичные цепи и вращаются довольно резво, когда разряды направлены через возбуждающие катушки. Одной из причин, почему такой мотор хорошо работает при таких разрядах, является сдвиг по фазе между первичными и вторичными контурами в 90 градусов, чего не бывает при гармонических колебаниях низкочастотных токов. Мне будет небезынтересно продемонстрировать опыт с простым мотором такого типа, поскольку, по всеобщему убеждению, разряды не годятся для этих целей. Мотор показан на рисунке 18. Он состоит из железного сердечника i, имеющего пазы, в которые жестко вставлены медные шайбы СС. На небольшом расстоянии от сердечника расположен свободно вращающийся диск D. Сердечник имеет первичную возбуждающую обмотку С₁ концы которой а и b соединены с выводами вторичной обмотки S обычного трансформатора, где первичная обмотка Р соединена с генератором G переменного тока низкой или умеренно низкой частоты. Выводы вторичной обмотки S соединены с конденсатором С, который разряжается через искровой промежуток dd, который в свою очередь можно включить последовательно или параллельно с обмоткой C₁. Если настройки произведены верно, диск D вращается со значительным усилием и сердечник i не сильно нагревается. Если ток получается от генератора высокой частоты, напротив, сердечник вскоре сильно нагревается, а диск не развивает достаточного усилия. Для правильного проведения опыта следует удостовериться в том, что диск D не вращается до тех пор, пока не произойдет разряд в промежутке dd. Желательно применять большой железный сердечник и конденсатор большой емкости, для того чтобы ослабить наложенные колебания или вовсе избавиться от них. Я обнаружил, что при соблюдении определенных элементарных правил очень практичным является использование последовательных или параллельных моторов постоянного тока, где применяются такие разряды, и это можно делать, используя или не используя обратный провод.