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

Об электрическом резонансе

Эффекты, порождаемые резонансом, всё чаще замечаются инженерами и приобретают всё большую важность при работе с любой аппаратурой переменного тока. Следовательно, надо сделать несколько замечаний по поводу этих эффектов. Ясно, если нам удастся практически использовать эффекты электрического резонанса при эксплуатации электроприборов, обратный провод, само собой, станет бесполезным, так как электрические колебания можно передавать при помощи одного провода так же хорошо, как и при помощи двух. Значит, сначала надо ответить на вопрос: «А можно ли производить такие эффекты?» Теория и эксперименты показывают, что в природе это невозможно, так как по мере возрастания колебаний потери в колеблющемся теле и окружающей его среде быстро растут и обязательно останавливают колебания, которые иначе могли бы вырасти бесконечно. Это большая удача, что резонанс в чистом виде получить нельзя, ибо, если бы это было возможно, трудно было бы предугадать, какие опасности поджидали бы бедного экспериментатора. Но до определенной степени резонанс получить возможно, причем степень его проявлений ограничена несовершенством проводника, недостаточной эластичностью среды, или, говоря в общем, фрикционными потерями. Чем меньше эти потери, тем более впечатляют его проявления. То же самое происходит и при механических колебаниях. Толстый металлический брусок может колебаться под воздействием падающих на него с определенным интервалом капель воды; а в случае со стеклом, которое еще более эластично, проявления резонанса еще более значительны, ведь стеклянный бокал можно разбить, если пропеть в него ноту определенного тона. Электрический резонанс получается тем сильнее, чем меньше сопротивление участка цепи и чем лучше изолирующие свойства диэлектрика. При разрядах лейденской банки через толстый многожильный провод с тонкими жилами эти требования удовлетворены наилучшим образом, и резонанс проявляется наиболее выпукло. Так не происходит, однако, в динамо-машинах, цепях трансформатора или в целом в коммерческих устройствах, где наличие сердечника затрудняет проявление резонанса или делает его вовсе невозможным. Что же касается лейденских банок, при помощи которых эффекты резонанса часто демонстрируются, я бы сказал, что они часто приписываются действию резонанса, а не являются его следствием, ибо в этом случае очень легко допустить ошибку. Это убедительно можно проиллюстрировать следующим опытом. Возьмем, к примеру, две изолированные металлические пластины или два шара А и В, расположим на определенном небольшом расстоянии друг от друга и зарядим их при помощи фрикционной машины или электрофорного генератора до такого потенциала, что даже небольшое его изменение вызывает пробой воздушной подушки или изоляции между телами. Этого легко добиться путем предварительных попыток. Теперь, если еще одну пластину, — закрепленную на изолирующей рукоятке и соединенную с одним из выводов вторичной обмотки катушки индуктивности высокого напряжения, которую питает генератор (желательно высокочастотный), — поднести к одному из заряженных тел А или В, причем ближе к одному из них, между ними обязательно произойдет разряд; по крайней мере, он произойдет, если потенциал пластины достаточно высок. Это явление легко объясняется тем фактом, что поднесенная пластина индуктивно воздействует на заряженные предметы А и В, вызывая искру между ними. Когда возникает эта искра, заряды, которые были ранее переданы предметам, должны теряться, так как между ними устанавливается связь через сформированную дугу. Итак, эта дуга образуется вне зависимости от того, есть резонанс или нет. Но даже если искра не образуется, всё же между предметами имеет место эдс, когда пластину подносят; следовательно, приближение пластины, даже если фактически и не вызовет, то, во всяком случае, будет иметь тенденцию к пробою промежутка вследствие индуктивного воздействия. Вместо пластин или шаров А и В мы можем с таким же успехом взять пластины лейденской банки, а вместо машины — желательно, чтобы это был высокочастотный генератор, так как он лучше подходит для проведения опыта или для его обоснования, — мы можем взять еще одну лейденскую банку или несколько. Когда такие банки разряжаются через цепь низкого сопротивления, ее пронизывают токи очень высокой частоты. Теперь внешнюю пластину можно соединить с одной из пластин второй банки, и когда ее подносят ближе к первой банке, заряженной перед этим до высокого потенциала при помощи электрофорного генератора, результат получается тот же, что и ранее, и первая банка разряжается через узкий промежуток, когда на вторую банку оказывается воздействие. Но обе банки и не требуется приближать на расстояние, более близкое, чем самая низкая басовая нота по отношению к писку комара, так как в промежутке уже возникнут небольшие искры или, по крайней мере, воздух в промежутке будет значительно напряжен вследствие возникшей благодаря индукции эдс в тот момент, когда одна из банок начинает разряжаться. Может быть допущена и другая ошибка подобного свойства. Если цепи двух банок установлены параллельно и близко друг от друга, и экспериментатор разряжает одну из них при помощи второй, а после добавления к одной из цепей витого провода опыт не удается, вывод о том, что цепи не настроены, будет далек от истины. Так как эти контуры работают, как конденсатор, а добавление витков провода эквивалентно замыканию его в месте включения витков небольшим конденсатором, а он в свою очередь, не дает произойти пробою, уменьшая эдс, действующую в искровом промежутке. Можно привести и многие другие замечания, но, дабы не углубляться в обсуждение, далекое от нашего предмета, с вашего позволения, не прозвучат; эти же сделаны лишь для того, чтобы предостеречь ничего не подозревающего исследователя от того, чтобы у него не сформировалось неверное мнение о его способностях, когда он увидит, что каждый его опыт удачен; эти замечания ни в коем случае не претендуют на новизну в глазах опытных экспериментаторов.

Для получения надежных результатов при наблюдении резонанса желательно, да и необходимо, применять генератор, подающий гармонические колебания, так как при разрядном токе результатам наблюдений не всегда можно доверять, поскольку многие явления, которые зависят от скорости изменений, можно получать при различных частотах. Даже при использовании такого генератора можно допустить ошибку. Когда контур соединен с генератором, мы имеем бесконечно большое число значений емкости и самоиндукции, которые в различных соотношениях отвечают условиям резонанса. Как и в механике может быть бесконечное множество камертонов, которые отзываются на ноту определенного тона, или нагруженных пружин, имеющих определенную амплитуду колебаний. Но резонанса можно определенно добиться в том случае, когда движение происходит с наибольшей свободой. Итак, в механике, когда речь идет о колебаниях в обычной среде, то есть в воздухе, большой разницы нет, имеет ли один камертон размер больше, чем другой, поскольку потери в воздухе незначительны. Можно, конечно, поместить камертон в вакуумный сосуд и, таким образом сведя к минимуму потери от трения о воздух, добиться наибольшего резонанса. И всё же разница будет невелика. Но она будет огромной, если камертон поместить в ртуть. При электрических колебаниях очень важно обеспечить наибольшую свободу движения. Количественный показатель резонанса, в остальном при одинаковых условиях, зависит от количества электричества, приведенного в действие, или от силы тока, движущегося в цепи. Но цепь сопротивляется прохождению тока по причине ее импеданса и, следовательно, для получения наилучшего результата надо свести сопротивление к минимуму. Невозможно избавиться от него совсем, но частично возможно. Когда же частота импульсов очень высока, протекание тока практически определяется самоиндукцией. Самоиндукцию можно преодолеть, связав ее с емкостью. Если соотношение между ними таково, что они гасят друг друга, то есть имеют такие значения, что они удовлетворяют условиям резонанса, и через внешнюю цепь протекает наибольшее количество электричества, мы имеем наилучший результат. Проще всего и надежнее, когда конденсатор включен в цепь последовательно с индуктивностью. Конечно, ясно, что в таких сочетаниях, при определенной частоте, и учитывая только базовые колебания, мы будем иметь наилучшие значения, когда конденсатор включен с катушкой самоиндукции параллельно, и таких значений будет больше, чем при последовательном включении. Но выбор определяется требованиями практики. В последнем случае при проведении опыта можно взять небольшую катушку и большую емкость или большую катушку и маленькую емкость, но последнее более предпочтительно, так как неудобно настраивать большую емкость мелкими шагами. Если взять катушку с очень большой самоиндукцией, то критическая емкость падает до очень малого значения, и емкости самой катушки может быть достаточно. Нетрудно, при помощи некоторых приспособлений, намотать катушку, которая понизит импеданс до омического сопротивления и для каждой катушки, естественно, существует частота, при которой через нее протекает максимальный ток. Соблюдение соотношения между самоиндукцией, емкостью и частотой становится особенно важным при эксплуатации устройств переменного тока, таких, как трансформаторы или моторы, поскольку при опытной настройке частей аппаратуры применение дорогостоящего конденсатора становится необязательным. Так, при обычных условиях через обмотку мотора переменного тока можно пропускать ток нужной силы с низкой эдс и полностью избавиться от ложных токов, и чем больше мотор, тем проще это практически сделать, но для этого надо использовать токи высокого потенциала и частоты.

На рисунке 20 I показана схема, которая применялась при исследовании явления резонанса с помощью высокочастотного генератора. C_f — это мно-говитковая катушка, которая поделена на небольшие участки для удобства настройки. Окончательная настройка производилась при помощи нескольких тонких железных проводов (хотя это и не всегда желательно) или при помощи замкнутой вторичной обмотки. Катушка С одним концом замкнута на провод L, ведущий к генератору G, а другим — на одну из пластин конденсатора СС, причем пластина его соединена с еще большей пластиной Р. Таким способом и емкость, и индуктивность настраивались на частоту динамо-машины.

Что касается повышения потенциала через резонансное действие, конечно теоретически, то он может подняться до любого значения, поскольку зависит от индуктивности и сопротивления, а эти величины могут иметь какое угодно значение. Но на практике величина ограничена, и, кроме того, есть и другие факторы. Можно начать, скажем, с 1 000 вольт и увеличить величину эдс в 50 раз, но нельзя начать с 100 000 вольт и поднять эту цифру в 10 раз, так как потери в окружающей среде высоки, особенно при высокой частоте. Должно быть возможно, например, начать с двух вольт в контуре высокой или низкой частоты динамо-машины и поднять эдс в несколько сотен раз. Так, катушки надлежащих габаритов можно соединить одним концом с питающим проводом машины с низкой эдс, и хотя контур машины не будет замкнут в обычном понимании этого термина, она может сгореть, если мы получим нужный резонанс. Мне не удавалось получить и не удавалось наблюдать при токах, полученных от динамо-машины, такого скачка потенциала. Возможно или даже вероятно, что при токах, полученных от машин, содержащих железный сердечник, возмущающее действие последнего и есть причина, что теоретически существующие возможности не реализуются на практике. Но если так, то я отношу это единственно к запаздыванию фаз и к потерям от токов Фуко в сердечнике. Обычно приходилось работать на повышение, когда эдс была низка, и применялась обычная катушка, но иногда было удобно использовать схему, показанную на рисунке 20 П. В данном случае катушка С разбита на очень много участков, некоторые из них служат первичной обмоткой. Таким образом, и первичная и вторичная обмотки поддаются настройке. Один конец катушки соединен с проводом L, идущим к генератору переменного тока, а другой провод L соединен со средней частью катушки. Такая катушка, с настраиваемой первичной и вторичной обмотками, также может быть удобна во время опытов с разрядами. Когда достигается настоящий резонанс, пик волны должен, конечно, находиться на свободном конце катушки, или, например, на выводе люминесцентной лампы В. Это легко подтвердить, измерив потенциал на конце провода w возле катушки.

В связи с проявлениями резонанса и проблемой передачи энергии по одном} проводу, о которой говорилось ранее, я бы хотел сказать несколько слов о предмете, который постоянно занимает меня и который касается благополучия всех людей. Я имею в виду передачу четких сигналов, а может быть и энергии, на любое расстояние без помощи проводов. С каждым днем я убеждаюсь в реальности такого плана; и хотя я полностью отдаю себе отчет в том, что абсолютное большинство ученых не поверят, что такого результата можно добиться на практике в короткий срок, всё же думаю, что объем работ в этой области свидетельствует о том, что необходимо поощрять исследования и эксперименты в этом направлении. Мое убеждение настолько укрепилось, что я больше не рассматриваю такой способ передачи энергии или разумных сигналов лишь как теоретически возможный, но как серьезную инженерную задачу, которая должна быть однажды решена. Идея передачи информации без проводов есть результат последних исследований в области электричества. Некоторые энтузиасты выражают убежденность в том, что передача телефонного сигнала на любое расстояние при помощи индукции по воздуху возможна. Мое воображение не простирается так далеко, но я твердо верю, что практически возможно при помощи мощных машин возбуждать электростатическое поле Земли и так передавать информацию или, может быть, энергию. На самом деле, что же может помешать воплощению такого плана? Теперь мы знаем, что электрические колебания можно передавать по одному проводу. Почему же не попытаться использовать для этого Землю? Не стоит пугаться расстояний. Для усталого путника, считающего верстовые столбы, Земля может показаться очень большой, но для счастливейшего из людей, для астронома, который смотрит на звезды и по их состоянию вычисляет размеры земного шара, он может показаться очень небольшим. Таким же он должен казаться и электрику, ибо, когда он думает о скорости электрического сигнала, с которой он пронизывает Землю, все его представления о расстоянии должны испариться.

Во-первых, очень важно было бы узнать, какова емкость Земли? И какой заряд она содержит при электризации? Хотя у нас нет положительных свидетельств тому, что рядом в пространстве есть другие тела, заряженные противоположным образом, вполне возможно, что Земля именно такое тело, ибо каков бы ни был процесс, результатом которого явилось отделение Земли — а именно таковы сегодня общепринятые взгляды на ее происхождение, — она должна была сохранить заряд, как это происходит во всех процессах механического деления. Если это заряженное тело, изолированное в пространстве, то его емкость должна быть крайне мала, менее одной тысячной фарады. Но верхние слои атмосферы — проводники, такой же может являться и среда за пределами атмосферы, а она может иметь противоположный заряд. Тогда емкость может быть несравнимо выше. В любом случае очень важно понять, какое количество электричества содержит Земля. Трудно сказать, получим ли мы когда-нибудь такие знания, но надеюсь, что получим, и именно при помощи электрического резонанса. Если мы когда-либо сможем установить, каков период колебаний Земли при возбуждении ее заряда по отношению к противоположно заряженному контуру, мы получим факт, скорее всего наиболее важный для благополучия всего человечества. Я предлагаю искать этот период при помощи электрического осциллятора, или источника переменного тока. Один из выводов, например, будет соединен с землей, или городским водопроводом, а другой с изолированным предметом больших размеров. Возможно, что верхние слои атмосферы или открытый космос, имеют противоположный заряд и вместе с Землей образуют конденсатор огромной емкости. В таком случае период колебаний может быть очень небольшим, и динамо-машина переменного тока могла бы отвечать целям эксперимента. Затем я бы преобразовал ток так, чтобы получить максимально возможный потенциал и соединил концы вторичной обмотки высокого напряжения с землей и изолированным телом. Варьируя частоту тока и тщательно выдерживая потенциал изолированного тела, а также наблюдая за возмущениями в различных соседних точках земной поверхности, можно обнаружить резонанс. Если, как и полагают большинство ученых, период достаточно мал, то динамо-машина не подойдет и придется построить соответствующий электрический осциллятор, и, возможно, такие быстрые колебания получить невозможно. Но возможно это или нет, имеет Земля заряд или нет, и каков бы ни был период ее колебаний, абсолютно точно возможно — и тому мы имеем свидетельства — произвести некие электрические возмущения, достаточно мощные для того, чтобы их зарегистрировали в любой точке земной поверхности при помощи соответствующих приборов.

Предположим, что источник переменного тока соединен, как на рисунке 21, одним из своих выводов с землей (удобнее всего заземлить конец на водопровод), а другим — с предметом большой площади Р. Когда устанавливаются электрические колебания, электричество будет двигаться в обоих направлениях через предмет Р, а переменные токи будут проходить через землю, расходясь или сходясь в точке С, где сделано заземление. Таким образом будут возмущаться соседние точки на земной поверхности, расположенные в круге с неким радиусом. Но возмущение будет ослабевать по мере удаления, и расстояние, на котором этот эффект всё еще можно будет зарегистрировать, будет зависеть от количества электричества, приведенного в действие. Поскольку предмет Р изолирован, для того чтобы привести в движение значительное количество электричества, потенциал источника должен быть крайне высоким, так как площадь поверхности предмета Р ограничена. Параметры устройства можно настроить так, что источник S будет порождать такое же движение электричества, как если бы его цепь была замкнута. Так, конечно, практически возможно наложить электрические колебания определенного низкого периода на Землю при помощи надлежащей аппаратуры. На каком расстоянии эти колебания можно принять, можно только предполагать. По другому поводу мне пришлось поразмышлять над тем, как Земля может реагировать на электрические возмущения. Нет никакого сомнения в том, что во время такого эксперимента электрическая плотность у поверхности может быть очень мала, учитывая размеры Земли, и воздух не будет выступать как возмущающий фактор, а также не будет больших потерь энергии в воздухе, как могло быть, если бы плотность была высокой. Тогда теоретически не потребуется огромного количества энергии для производства возмущений, которые можно прочитать на очень большом расстоянии, если не по всему земному шару. Итак, совершенно очевидно, что в любой точке в пределах определенного круга, центром которого служит источник S, можно при помощи резонанса заставить работать прибор индуктивности и емкости. Но можно сделать не только это, но включить еще один источник 5 (рисунок 21), подобный источнику S, или любое количество источников, работающих синхронно с первым, и таким образом усилить вибрацию и распространить ее на большой площади, или получить электрический ток из источника или к источнику S, если его фаза будет противоположной фазе источника 5". Не сомневаюсь, можно эксплуатировать электрические приборы по всему городу через заземление или систему водоснабжения при помощи резонанса от одного электроосциллятора, установленного в центральной точке. Но практическое решение этой задачи будет несравнимо менее важным для человека, чем передача информации или энергии на любое расстояние через Землю или окружающую ее среду. Если это вообще возможно, то расстояние не имеет значения. Для начала надо построить надлежащие приборы, с помощью которых попытаться решить задачу, и я довольно долго над этим размышлял. Я твердо уверен в том, что это можно сделать, и мы доживем до того момента, когда это будет сделано.