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

2. Эксперименты с переменными токами очень высокой частоты и их применение в искусственном беспроводном освещении[6]

Нет предмета более захватывающего, более достойного изучения, чем природа. Понять этот великий механизм, обнаружить силы, которые в нем работают, и законы, ими управляющие, — вот величайшая цель человеческого разума.

Природа хранит неисчерпаемые запасы энергии. Вечный приемник и передатчик этой бесконечной энергии — эфир. Признание существования эфира и функций, которые он выполняет, — один из наиболее выдающихся результатов современной научной мысли. Один только отказ от идеи действия на расстоянии и признание существования среды, пронизывающей всю материю, освободил умы мыслителей от вечных сомнений и, открыв новый горизонт непредвиденных возможностей, вызвал особый интерес к явлению, с которым мы знакомы давно. Это стало большим шагом в направлении понимания сил природы и их многообразных воздействий на наши чувства. Для просвещенного ученого-физика это то же, что понимание механизма действия огнестрельного оружия или парового двигателя для варвара. Явления, на которые мы смотрели как на чудеса, не поддающиеся осмыслению, теперь предстают перед нами в ином свете. Искра, произведенная катушкой индуктивности, блеск лампы накаливания, механические проявления силы токов и магнитов уже доступны нашему пониманию; вместо чего-то непонятного, как прежде, наблюдение за этими явлениями рисует у нас в голове картинку простого механизма, и хотя точное их происхождение для нас всё еще загадка, мы знаем, что правда недолго будет от нас сокрыта, и инстинктивно чувствуем, что понимание близко. Мы всё еще восторгаемся этими прекрасными явлениями, этими странными силами, но мы уже не беспомощны; мы в определенной мере можем объяснить их и надеемся в конце концов сорвать покровы тайны, окружающей их.

Насколько далеко мы можем продвинуться в понимании окружающего мира — вопрос, который волнует каждого естествоиспытателя. Несовершенство наших органов чувств и сознания не позволяет нам проникнуть в скрытые основы мироздания, и астрономия, величайшая и наиболее позитивная из естественных наук, может объяснить лишь кое-что из того, что происходит в непосредственной близости от нас; об отдаленных частях бескрайней Вселенной с ее бесчисленными солнцами и звездами мы ничего не знаем. Но неутомимый дух познания ведет нас далеко за пределы нашего восприятия, и у нас есть надежда, что эти неизведанные миры — ничтожно малые и бесконечно огромные — могут в определенной степени открыться нам. И если мы достигнем этого знания, пытливый разум, возможно, подойдет к пределу, — который невозможно осознать, — истинного мироощущения, внешнее проявление которого составляет хрупкую основу нашей философии.

Из всех форм неизмеримой, все пронизывающей природной энергии, которая постоянно движется и изменяется, как душа, дающая жизнь инертной Вселенной, электричество и магнетизм, вероятно, наиболее удивительные. Явления притяжения, тепла и света мы наблюдаем каждый день и скоро к ним привыкаем, они теряют для нас загадочность и удивительность; но электричество и магнетизм, в своем единстве, кажущиеся двойственными, есть силы уникальные. Они заключают в себе явления притяжения, отталкивания и вращения, странные проявления необъясненных факторов, они возбуждают мысль и побуждают разум к исследованию. Что есть электричество и что есть магнетизм? Эти вопросы задают снова и снова. Наиболее мощные умы непрестанно бьются над разрешением этой проблемы; и всё-таки еще нет исчерпывающего ответа. Но даже если в настоящий момент мы не можем дать точного определения этим силам, мы значительно продвинулись в разрешении этой проблемы. С уверенностью можно утверждать, что явления электричества и магнетизма связаны с эфиром, и, возможно у нас есть основания говорить, что эффекты статического электричества — это эффекты эфира под напряжением, а явления динамического электричества и электромагнитные эффекты — это проявления эфира в движении. Но и это не является ответом на вопрос: что же есть электричество и магнетизм?

Сначала мы, естественно, задаемся вопросом, что есть электричество, и есть ли такое явление вообще? Когда мы интерпретируем электрические явления, мы можем говорить о состоянии наэлектризованности, электрическом состоянии или электрическом эффекте. Если мы говорим об электрических эффектах, мы должны разделять два таких эффекта, противоположных по своей природе и нейтрализующих друг друга, поскольку наблюдения показывают, что такие два эффекта существуют. Это неизбежно, так как в среде, обладающей качествами эфира, мы не можем создать напряжение, или произвести вытеснение, или движение иного рода, без того, чтобы не вызвать в окружающей среде равнозначного и противодействующего эффекта. Но если мы говорим об электричестве, как о некоей вещи, мы должны, я полагаю, оставить идею о двух электричествах, так как существование двух подобных вещей невероятно. Ибо как можем мы себе представить, что есть две вещи, равные количественно, сходные по качествам, но противоположные по характеру, обе относящиеся к материи, обе притягивающие и полностью нейтрализующие друг друга? Такое предположение, хотя оно и подсказано многими явлениями, и удобно для их объяснения, вряд ли может нас удовлетворить. Если есть такая вещь, как электричество, может быть только одно такое явление, избыток или недостаток только одного явления; но скорее всего, его состояние определяет положительный и отрицательный характер. Старая теория Франклина, хотя и в чем-то неудовлетворительна, с определенной точки зрения является наиболее состоятельной. Всё же теория о двух электричествах широко принята, поскольку наиболее убедительно объясняет явления электричества. Но теория, которая наилучшим образом объясняет факты, не обязательно истинна. Изощренный ум может изобрести теории, которые удовлетворят наблюдателя, и почти у каждого самостоятельного мыслителя есть собственный взгляд на любой предмет.

Не из желания отстоять свою точку зрения, но лишь затем, чтобы познакомить вас с некоторыми результатами, которые я далее и опишу, показать вам путь моих размышлений, то, к чему я пришел, — вот смысл моих дальнейших рассуждений.

Я придерживаюсь той мысли, что есть такое явление, которое мы привыкли называть электричеством. Вопрос состоит в том, что это за явление? или: что из всего того, о существовании чего нам известно, наиболее подходит под определение электричества? Мы знаем, что оно ведет себя как несжимаемая жидкость; что в природе оно должно быть в постоянном количестве; что его нельзя ни произвести, ни уничтожить; и, что наиболее важно, электромагнитная теория света и все наблюдаемые факты учат нас, что явления электричества и эфира идентичны. Тут же приходит мысль, что электричество можно назвать эфиром. Фактически этот взгляд, в определенной мере, высказывался д-ром Лоджем. Его интересный труд читали все и многих его аргументы убедили. Блестящий талант и интересная тема завораживают читателя, но когда это впечатление тает, понимаешь, что всё это лишь ловкие объяснения. Я вынужден признаться, что не верю в два электричества, и еще меньше — в двойственную структуру эфира. Странное поведение эфира, как твердой субстанции для световых и тепловых волн, и как жидкости, когда тела проходят сквозь него, конечно, объясняется самым естественным и удовлетворительным способом, предположив, что он находится в движении, как предположил сэр Уильям Томсон; тем не менее нет ничего такого, что бы могло заставить нас с уверенностью заключить, что, в то время как жидкость не имеет возможности передавать поперечные колебания с частотой в несколько сотен или тысяч в секунду, она также не имеет возможности передавать такие колебания, когда они достигают частоты сотен миллионов в секунду. А также никто не может доказать, что существуют поперечные эфирные волны, возбуждаемые машиной переменного тока, выдающей небольшое число колебаний в секунду; в случае таких низкочастотных колебаний эфир, находящийся в состоянии покоя, может вести себя как жидкость.

Возвращаясь к предмету нашего разговора и памятуя о том, что существование двух электричеств, по меньшей мере, вряд ли возможно, мы должны помнить, что у нас нет свидетельств существования электричества, и нет надежды их получить, если только нет материи. Электричество, следовательно, нельзя именовать эфиром, в широком смысле этого слова; но ничто не мешает назвать электричество эфиром, связанным с материей, или связанным эфиром; или, иными словами, так называемый статический заряд молекулы есть эфир, некоторым образом связанный с молекулой. Если смотреть на вещи под таким углом, то мы имеем право сказать, что электричество присутствует во всех действиях молекул.

Итак, что же именно есть эфир, окружающий молекулы, — тот, что отличается от эфира вообще, — можно только предполагать. Он не может отличаться по плотности, поскольку эфир несжимаем; следовательно, он должен находиться под давлением либо в движении, причем последнее наиболее вероятно. Для того чтобы понять его функции, мы должны иметь точное представление о физическом строении материи, о чем мы, конечно, можем иметь только представление, созданное нашим разумом.

Но из всех точек зрения на природу, та, которая предполагает одну материю и одну силу, а также абсолютное внутреннее однообразие, является наиболее научной и близкой к истине. Бесконечно малый мир, где молекулы и их атомы вращаются по орбитам, неся с собой и скорее всего вращая вместе с собой эфир, или, иными словами, неся с собой статические заряды, кажется наиболее вероятной картиной, которая, по крайней мере правдоподобно, объясняет все наблюдаемые явления. Вращение молекул и окружающего эфира создает напряжение эфира или электростатическое напряжение; компенсация эфирных напряжений создает его движение и электрические токи, а круговые вращения производят эффект электрического и постоянного магнетизма.

Около пятнадцати лет назад профессор Роуланд продемонстрировал интереснейший и наиважнейший факт, а именно то, что статический заряд при движении создает эффект электрического тока. Оставим соображения по поводу природы этого механизма, который притягивает и отталкивает токи, и представим себе движущиеся молекулы, несущие электростатический заряд, и тогда этот факт даст нам приличную картинку магнетизма. Мы можем представить линии или потоки сил, которые существуют в физическом плане, и которые состоят из рядов направленно движущихся молекул; можем увидеть, что эти линии должны быть замкнуты, что они имеют тенденции к сокращению и расширению, и т. д. Подобным же образом это объясняет, в разумных пределах, приводящее всех в замешательство явление постоянного магнетизма, и, в общем, имеет все прекрасные отличительные черты теории Ампера за исключением ее коренной ошибки, а именно, предположение о молекулярных токах. Не вдаваясь более в эту тему, скажу, что я смотрю на явления статического электричества, тока и магнетизма как на атрибуты электростатических молекулярных сил.

Приведенные выше замечания кажутся мне необходимыми для полного понимания предмета таким, каким он представляется мне.

Из всех явлений наиболее важными мне кажутся явления, связанные с электрическим током, по причине широкого и все расширяющегося их использования в промышленных целях. Уже минуло столетие с тех пор, как был изготовлен первый практический источник тока, и всё это время явления, сопровождающие токи, скрупулезно изучались; благодаря непрестанным усилиям ученых были открыты простейшие законы, управляющие этими процессами. Но эти законы действуют, когда токи имеют постоянный характер. Когда же токи быстро меняют силу, обнаруживаются другие явления, абсолютно другие, и вступают в действие иные законы, те, что до настоящего времени не были надлежащим образом изучены, хотя благодаря трудам, в основном английских ученых, были накоплены достаточные знания по этому предмету, чтобы объяснять простые случаи, происходящие ежедневно.

Явления, характерные для изменчивого характера токов, усиливаются по мере увеличения скорости изменений, поэтому их изучение облегчается, когда мы имеем правильно сконструированную аппаратуру. Успехом своих опытов я обязан тому, что построил машины переменного тока, способные давать более двух миллионов изменений направления тока в минуту, именно это обстоятельство позволило мне представить вашему вниманию некоторые результаты, кои, я надеюсь, послужат шагом вперед в решении одной из важнейших проблем, а именно — производства практичного и эффективного источника света.

Изучать ток, быстро меняющий направление, очень интересно. Почти каждый опыт приводит к новому открытию. Многие результаты, конечно, можно предсказать, но очень многие непредсказуемы. Экспериментатор делает много интересных наблюдений. Например, берем кусок железа и держим напротив электромагнита. При увеличении частоты мы чувствуем, как импульсы следуют один за другим быстрее и быстрее, затем становятся слабее и слабее, и, в конце концов, исчезают. Затем мы наблюдаем постоянное притяжение: так нам только кажется; наше осязание не совершенно. Притяжение, конечно, не постоянно.

Затем мы можем создать дугу между электродами и наблюдать — по мере того как увеличивается частота изменений направления, звук, сопровождающий дугу, становится тоньше и тоньше, постепенно слабеет и, наконец, прекращается. Колебания воздуха, конечно, продолжаются, но они слишком слабы, чтобы мы их услышали, слух подводит нас.

Мы наблюдаем небольшие физические явления: быстрое нагревание железных сердечников и проводников, любопытные эффекты индукции, интересные явления конденсации и еще более интересные явления в катушке индуктивности высокого напряжения. Все эти опыты и наблюдения представляют большой интерес для студента-физика, но их описание уведет меня далеко от основной темы. Частично вследствие этого, а частично из-за их огромной важности я ограничусь описанием световых эффектов, производимых этими токами.

В данных экспериментах для преобразования токов низкого напряжения в токи высокого использовались катушки индуктивности, рассчитанные на высокое напряжение, или подобные им устройства.

Если к результатам, которые я получил, у вас возникнет интерес столь сильный, что вы начнете сами ставить опыты; если вы будете убеждены в истинности приведенных мною аргументов, вашей задачей станет создание высоких частот и высоких потенциалов, иными словами, мощных электростатических эффектов. Тогда вы столкнетесь со многими трудностями, преодолев которые, вы сможете достичь действительно удивительных результатов.

Сначала возникнет проблема с тем, как получить требуемую частоту при помощи механического устройства, а если она будет получена другим путем, возникнут другие препятствия. Затем выяснится, что трудно обеспечить надлежащую изоляцию, не увеличивая значительно размеры аппаратуры, ибо мы имеем дело с высокими потенциалами: скорость изменения направления приводит к определенной проблеме с изоляцией. Так, например, если присутствует газ, может произойти разряд из-за его молекулярной бомбардировки и последующего нагрева, несмотря на то что вы можете использовать изоляционный материал, такой, как стекло, твердую резину, фарфор, сургуч, и т. д. толщиной в целый дюйм; фактически вас не спасет ни один из ныне известных изоляторов. Таким образом, главное требование при организации изоляции — удалить какой бы то ни было газ полностью.

В целом, мой опыт показывает, что тела, обладающие наиболее высокой удельной диэлектрической проницаемостью, например стекло, являются слабым изолятором по отношению к другим материалам, которые, будучи хорошими изоляторами, имеют гораздо меньшую удельную диэлектрическую проницаемость, например, масла, и, без сомнения, диэлектрические потери у первых гораздо выше. Трудности изолирования, конечно, возникают тогда, когда потенциалы чересчур высоки, ибо потенциалы, скажем, в несколько тысяч вольт, не создают — проблемы, когда надо передать ток от машины, выдающей, например, 20 000 колебаний в секунду, на приличное расстояние. Это число колебаний, однако, слишком мало для того, чтобы быть использованным во многих целях, хотя и достаточно для практического применения. К счастью, проблема изоляции не является жизненно важной; она оказывает влияние только на размеры аппаратуры, ибо, когда мы используем чересчур высокие потенциалы, приборы — источники света — будут располагаться недалеко от нее, а часто и в непосредственной близости. Поскольку потери зависят от емкости конденсатора, их можно свести к минимуму за счет использования очень тонкого провода в толстой оплетке.

Следующей трудностью может оказаться емкость и самоиндукция, обязательно присутствующие в катушке. Если обмотка велика, т. е. велика длина провода, она в целом непригодна для сверхвысоких частот; если она мала, то ее легко приспособить для таких частот, но тогда потенциал не будет достаточно высоким. Хороший изолятор, имеющий низкую удельную диэлектрическую проницаемость, дает двоякое преимущество. Во-первых, он дает нам возможность сконструировать очень маленькую катушку, способную выдерживать огромную разницу потенциалов, а во-вторых, маленькая катушка, по причине ее малой емкости и самоиндукции, способна производить более быстрые и интенсивные колебания. Таким образом, я придаю далеко не малое значение проблеме создания катушки или прибора индуктивности, обладающего требуемыми качествами, и она занимала меня довольно длительное время.

Исследователь, решивший повторить опыты, которые я собираюсь описать, с машиной переменного тока, способной выдавать ток необходимой частоты, и катушкой индуктивности, поступит правильно, если вынесет первичную обмотку вне, а вторичную расположит так, чтобы она находилась на трубке, через которую он может смотреть. Тогда появится возможность наблюдать стриммеры, направляющиеся от первичной обмотки к изоляционной трубке, и по их интенсивности можно определить, какое напряжение подать на обмотку. Без такой меры предосторожности он неминуемо повредит изоляцию. Эта конструкция, однако, в целях эксперимента позволяет легко заменить первичную обмотку.

Какой тип машины выбрать для определенной цели — оставим судить экспериментатору. Здесь представлены три различных типа машин, которые, помимо других, я использовал в своих опытах.

На рисунке 1 показана машина, которую я использовал в опытах в этом институте. Возбуждающий магнит представляет собой кольцо, изготовленное из ковкого чугуна, с 384 зубцами. Якорь состоит из стального диска, к которому крепится тонкий, тщательно приваренный обод также из ковкого чугуна. Вокруг обода намотан в несколько слоев хорошо обожженный железный провод, который при обматывании пропускали через шеллак. Провода якоря намотаны на медные шпильки, покрытые обмоткой из шелковой нити. Диаметр провода якоря в этом типе машины не должен превышать /_в толщины зубца из-за наличия локального эффекта.

На рисунке 2 показана машина другого типа размером побольше. Возбуждающий магнит здесь состоит из двух одинаковых частей, имеющих независимую возбуждающую обмотку. Каждая часть имеет 480 полюсных выступов, расположенных друг против друга. Якорь выполнен в форме колеса из твердой бронзы, подвижные проводники, двигающиеся вдоль выступов возбуждающего магнита. Для намотки провода на якорь я решил поступить следующим образом. Изготовил кольцо из твердой бронзы требуемого размера. Это кольцо и обод колеса имеют нужное количество шпилек и закреплены на пластине. Проводники якоря намотаны и шпильки обрезаны, а концы проводников скреплены двумя кольцами, которые прикручены болтами к бронзовому кольцу и ободу колеса, соответственно. Вся эта конструкция жесткая, образует единое целое и может сниматься. Проводники в подобных машинах должны изготавливаться из листовой меди, толщина которой, конечно, зависит от толщины выступов; либо надо использовать скрученные тонкие провода.

На рисунке 3 показана машина поменьше, во многом похожая на описанную, только здесь проводники якоря и возбуждающая обмотка неподвижны, в то время как вращается только кусок ковкого чугуна.

Нет необходимости удлинять это описание и останавливаться подробно на конструкции этих машин, поскольку они были подробно описаны в номере журнала «The Electrical Engineer* от 18 марта 1891 года. Я считаю полезным, однако, обратить внимание исследователя на два момента, а именно: локальный эффект, который необходимо избежать, и на зазор, он должен быть небольшим. Могу добавить: поскольку цель — добиться высоких линейных скоростей, якорь должен быть очень большого диаметра, с тем чтобы избежать ненужной скорости привода. Из нескольких типов машин, которые я построил, как выяснилось, проще всего сконструировать машину, показанную на рисунке 1. Она проста в обслуживании и хороша для проведения опытов.

Во время работы катушки индуктивности, при очень высокой частоте переменного тока, прежде всего наблюдаются световые явления, в частности те, что вызываются высоковольтным разрядом. По мере того как возрастает число изменений в секунду, или — частота очень высокая — меняется сила тока, проходящего через первичную обмотку, разряд постепенно меняется. Трудно описать небольшие изменения и условия, вызывающие их, но можно четко различить пять форм разряда.

Во-первых, наблюдается слабый, очень чувствительный разряд в форме тонкой, слабой нити (рисунок 4а). Так происходит всегда, когда при высокой частоте, сила тока на первичной обмотке невелика. Несмотря на крайне малую силу тока, скорость изменений очень велика и, следовательно, разность потенциалов на полюсах вторичной обмотки значительна, так что дуга возникает на большом расстоянии; но количество «электричества», приводимого в движение, незначительно, едва достаточно, чтобы создать тонкую, нитевидную дугу. Она очень чувствительна, настолько, что даже близкое дыхание оказывает воздействие на нее, и, если ее не защитить надежно от потоков воздуха, она постоянно дрожит и извивается. Тем не менее в такой форме она постоянна, и когда полюсы сближаются, скажем, на одну треть длины разряда, ее довольно трудно погасить. Эта исключительная устойчивость при небольшой длине объясняется в основном тем, что дуга крайне тонка, поэтому, поверхность, подверженная потоку воздуха, очень мала. А большая чувствительность дуги, при большой длине, главным образом объясняется движением частиц пыли в воздухе.

По мере возрастания силы тока разряд утолщается и становится сильнее, и эффект емкости катушки становится видимым, пока, наконец, при надлежащих условиях, не возникнет белая дуга с открытым пламенем (рисунок 46) часто толщиной в палец, проходящая через всю катушку. Она довольно горячая, характеризуется отсутствием высокого звукового сигнала, который сопровождает менее мощные разряды. Я бы не советовал вам испытать удар тока от катушки при таких условиях. Хотя в другой ситуации, когда потенциал значительно больше, удар тока может и не повредить. Для того чтобы возник такой разряд, количество колебаний в секунду не должно быть очень большим для определенного типа катушки; и, говоря в общем, надо соблюдать определенные условия соотношения емкости, самоиндукции и частоты.

Важность этих элементов в цепях переменного тока теперь хорошо известна, и при нормальных условиях здесь действуют общие правила. Во-первых, самоиндукция не имеет большого значения до того момента, как возникнет дуга, пока она устанавливается, возможно, она не так устойчива, как в обычных цепях переменного тока, поскольку емкость распределена вдоль обмотки, и поскольку разряд обычно происходит при большом сопротивлении, сила тока необычайно мала. Во-вторых, емкость возрастает по мере роста потенциала, а происходит это по причине абсорбции, довольно значительной, поэтому между этими величинами нет критических отношений, и обычные правила кажутся неприменимыми. По мере того как возрастает потенциал, или вследствие роста частоты, или вследствие роста силы тока на первичной обмотке, количество накопленной энергии всё возрастает и емкость приобретает всё большее значение. До определенного предела емкость играет положительную роль, но затем становится недостатком. Из сказанного следует, что каждая катушка дает наилучший результат при определенной частоте и силе тока на первичной обмотке. Очень большая катушка, когда работает при сверхвысокочастотных токах, может дать искру не толще /₈ дюйма. Увеличивая емкость на клеммах, можно исправить положение к лучшему, но вообще-то надо понизить частоту.

Когда происходит разряд с пламенем, условия, очевидно, таковы, что через цепь проходит максимальный ток. Эти условия можно создать, меняя частоту в широком диапазоне, но самая высокая частота, когда еще возможно горение дуги, определяет для данной силы тока на первичной обмотке наибольшее расстояние между контактами, когда дуга может возникнуть. При разряде с пламенем, шумовой эффект емкости невозможно воспринять; скорость накопления энергии теперь равна скорости разряда через цепь. Этот тип разряда представляет собой самый сложный тест для катушки; выход из строя, если он случается, подобен разряду в перегруженной лейденской банке. Чтобы дать вам грубое представление, я скажу: если взять обычную катушку, скажем, сопротивлением в 10 000 Ом, то самая мощная дуга возникнет при частоте 12 000 в секунду.

Когда частота возрастает и переходит этот рубеж, конечно, растет и потенциал, но длина дуги тем не менее может уменьшиться, как ни парадоксально это звучит. По мере возрастания потенциала, катушка всё более принимает свойства статической машины, пока, наконец, не появляется возможность наблюдать красивейшее явление текучего разряда (рисунок 5), который может быть равным катушке по длине. В этой стадии на всех концах появляются свободно текущие потоки. Эти потоки можно также наблюдать в большом количестве в промежутке между первичной обмоткой и изоляционной трубкой. Когда потенциал чересчур высок, они появляются всегда: даже если частота низкая и первичная обмотка изолирована целым дюймом сургуча, твердой резины, стекла или другого изолятора. Это значительно ограничивает мощность катушки, но позже продемонстрирую, как мне удалось в значительной степени преодолеть этот недостаток в обычной катушке.

Итак, потоки зависят от потенциала и частоты; но если катушка достаточно большая, они видны независимо от того, насколько низкие частоты используются. Например, в очень большой катушке сопротивлением 67 000 Ом, которую я построил недавно, они появляются при частоте уже 100 колебаний в секунду и менее, причем вторичная обмотка изолирована слоем эбонита толщиной в ³/₄ дюйма. Под большим напряжением они издают звук наподобие аппарата Хольца, но значительно более громкий и от них исходит запах озона. Чем меньше частота, тем более велика вероятность пробоя обмотки. При крайне высоких частотах они свободно текут и ничего не происходит, кроме того что изоляция нагревается медленно и равномерно.

Существование этих потоков указывает на необходимость постройки дорогой катушки, которая могла бы позволить смотреть сквозь трубу, окружающую первичную обмотку; последняя должна быть легко заменяема либо пространство между первичной и вторичной обмотками должно быть так заполнено, чтобы исключить попадание туда воздуха. Если не соблюдать этого простого правила при производстве коммерческих изделий, можно испортить много дорогих катушек.

Когда происходит текущий разряд, или при несколько более высоких частотах, сведя контакты поближе и правильно регулируя эффект емкости, можно получить настоящий дождь маленьких серебряных искр или пучок очень тонких серебряных нитей (рисунок 6) посреди мощного потока — каждая искра скорее всего соответствует одному колебанию. Это, если созданы необходимые условия, возможно, самый красивый разряд, и когда на него направляется поток воздуха, он представляется однородным. Дождь искр, когда они проходят сквозь тело, вызывает некоторое неудобство, в то время как обычный разряд скорее всего никак не почувствуешь, если держать в руке большие куски какого-нибудь проводника, чтобы защитить их от небольших ожогов.

Если еще повысить частоту, катушка не дает искры только на очень малых расстояниях, и можно наблюдать пятый типичный вид разряда (рисунок 7). В этом случае тенденция к истечению и рассеиванию настолько сильная, что, когда создается пучок на одном контакте, нет никаких искр, даже если, как я неоднократно пытался сделать, в поток поместить руку или другой проводник; и, что еще более удивительно, поток не так уж легко отклонить, поднеся к нему проводник.

На этом этапе видно, как потоки легко проходят через толстые слои изоляции, и очень интересно изучать их поведение. Для этих целей нужно присоединить контакты к металлическим шарам, которые можно поместить на любом расстоянии (рисунок 8). Шары предпочтительнее пластин, так как позволяют лучше увидеть разряд. Помещая различные диэлектрики между сферами, можем наблюдать красивые разряды. Если шары расположены достаточно близко и мы имеем между ними пляшущую искру, то, помещая между ними тонкую эбонитовую пластину, искра моментально гасится и разряд приобретает форму очень яркого круга диаметром в несколько дюймов при условии, что шары достаточно большие. Прохождение потоков приводит к нагреванию, а затем размягчению резины настолько, что можно склеить между собой две резиновые пластины. Если шары разведены так, что искры нет — даже если они далеко за пределами дистанции разряда, — поместив между ними кусок стекла, мы заставим разряд проходить от контактов к стеклу в форме светящихся потоков. Выглядит это так, будто эти потоки проходят сквозь диэлектрик. В действительности же потоки образуются крайне возбужденными молекулами воздуха, которые находятся между разнозаряженными поверхностями шаров. Когда нет другого диэлектрика, кроме воздуха, бомбардировка продолжается, но она слишком слаба, чтобы быть видимой. Когда мы помещаем туда диэлектрик, эффект индукции сильно увеличивается, кроме того, отраженные молекулы воздуха наталкиваются на препятствие и бомбардировка становится такой сильной, что потоки светятся. Если бы при помощи какого-либо механического устройства мы могли вызывать такое сильное возбуждение молекул, то смогли бы получить подобное явление. Струя воздуха, вырывающаяся через маленькое отверстие под огромным давлением и ударяющаяся о некий изолятор, например, стекло, может светиться в темноте, таким образом можно добиться свечения стекла или другого изолятора.

Чем выше диэлектрическая проницаемость помещенного между контактами диэлектрика, тем более мощный эффект мы имеем. Благодаря этому проявляются потоки, обладающие очень высокими потенциалами, даже если толщина стекла будет достигать полутора или двух дюймов. Но кроме нагрева от бомбардировки, несомненно, происходит нагрев и в диэлектрике, причем в стекле он сильнее, чем в эбоните. Я это отношу на счет большей диэлектрической проницаемости стекла, вследствие чего, при одинаковой разности потенциалов, оно поглощает большее количество энергии, чем резина. Это равнозначно тому, как если бы присоединить к батарее медный и латунный провода одинаковых размеров. Медный провод, хотя он и лучший проводник, нагреется сильнее, поскольку пропустит больше тока. Потому то, что в ином случае является достоинством стекла, в данном — недостаткам. Стекло обычно поддается быстрее, чем эбонит: если его нагреть до определенной температуры, разряд вдруг проходит насквозь в каком-либо месте и принимает форму дуги.

Эффект нагревания, производимый молекулярной бомбардировкой диэлектрика, конечно, уменьшается по мере возрастания давления воздуха, а при очень высоком давлении им можно пренебречь, если только соответственно не растет частота.

Во время таких опытов можно часто наблюдать, что когда шары разведены за пределы дистанции разряда, приближение стеклянной пластины может, например, вызвать одиночную искру. Это происходит, когда емкость шаров несколько ниже критической отметки, что дает наибольшую разность потенциалов на контактах катушки. При приближении диэлектрика возрастает диэлектрическая проницаемость пространства между шарами и происходит такое же явление, как если бы увеличилась емкость шаров. Потенциал на контактах настолько высок, что воздушный промежуток разрушается. Лучше всего проводить этот опыт с плотным стеклом или слюдой.

Есть еще одно интересное наблюдение: пластина изолирующего материала, когда через нее проходит разряд, испытывает сильное притяжение одного из шаров, того, что ближе; это, очевидно, происходит потому, что с этой стороны имеет место небольшой механический эффект от бомбардировки, а также большая электризация.

Исходя из поведения диэлектриков во время этих опытов, мы можем сделать вывод о том, что лучшим изолятором для таких высокочастотных переменных токов будет тот, который имеет наименьшую диэлектрическую проницаемость, и в то же время тот, что выдерживает наибольшую разность потенциалов. Итак, вырисовываются два диаметрально противоположных пути обеспечения наилучшей изоляции, а именно: использовать либо вакуум, либо газ под большим давлением; первый способ более предпочтителен. К сожалению, ни один из этих путей практически не выглядит легким.

Особенный интерес вызывает поведение вакуума в таких условиях. Если к опытной трубке, из которой максимально откачан воздух, снабженной на концах электродами, подключить контакты катушки (рисунок 9), то электроды моментально нагреваются, а стекло по краям приобретает свечение, но середина остается сравнительно темной и какое-то время прохладной.

Когда частота настолько высока, что наблюдается разряд, показанный на рисунке 7, без сомнения в обмотке имеет место сильное рассеивание. Тем не менее катушку можно использовать довольно долго, так как нагрев постепенный.

Несмотря на тот факт, что разность потенциалов может быть огромной, почти ничего не ощущаешь, когда разряд проходит сквозь тело, если в руках есть проводник. Частично это объясняется высокой частотой, но в основном причина в том, что энергии поступает извне меньше, когда разность потенциалов достигает огромного значения благодаря тому обстоятельству, что с ростом потенциала количество энергии, поглощаемой катушкой, возрастает в квадрате. До определенного момента количество энергии растет вместе с ростом потенциала, а потом начинает резко уменьшаться. Так, в случае с обычной катушкой индуктивности высокого напряжения имеем любопытный парадокс, а именно: если определенной силы ток, пропущенный через первичную обмотку, может быть смертельным, то тот же ток, даже в разы более сильный, совсем безопасен даже при той же частоте. При высоких частотах и крайне высоком напряжении, когда контакты присоединены к телам определенного размера, практически вся энергия, подаваемая на первичную обмотку, поглощается катушкой. Не происходит пробоя, нет местных порывов, но все материалы, проводники и изоляторы равномерно нагреваются.

Дабы избежать недопонимания в вопросах физиологического воздействия переменного тока высокой частоты, я полагаю необходимым сказать, что, в то время как такой ток несравненно менее опасен, чем ток низкой частоты, следует помнить, что он всё же вреден. Всё, о чем сейчас говорилось, касается только токов в обычных катушках индуктивности высокого напряжения, каковые токи обязательно малы; если такие токи получать непосредственно от генератора или вторичной обмотки низкого сопротивления, то они производят более или менее сильное воздействие и могут вызвать серьезную травму, в особенности при соединении с конденсатором.

Текущий разряд на катушке индуктивности высокого напряжения во многом отличается от такого же разряда мощной статической машины. Что касается расцветки, то он ни фиолетовый положительный, ни яркий отрицательный статический разряд, а что-то среднее, причем он, естественно, попеременно положительный и отрицательный. Но поскольку поток более мощный, когда острие, или контакт, имеет положительный заряд, то конец пучка более подобен положительному полюсу, а основание — отрицательному при статическом разряде. В темноте, если пучок очень мощный, основание может выглядеть почти белым. Движение воздуха, производимое отходящими потоками, хотя и довольно сильное и его можно почувствовать на расстоянии, тем не менее, учитывая количественные показатели разряда, менее сильное, чем движение воздуха от статической машины, и гораздо слабее воздействует на пламя. Исходя из природы этого явления, мы можем сделать вывод о том, что чем выше частота, тем слабее, конечно, движение воздуха, создаваемое потоками, а при достаточно высоких частотах, при нормальном атмосферном давлении, этого движения совсем нет. При тех частотах, которые можно получить при помощи машины, механический эффект достаточен для вращения большого колеса со значительной скоростью, и эта картина очень красива в темноте из-за множества исходящих потоков (рисунок 10).

В общем, большинство опытов, проводимых со статической машиной, можно проводить с катушкой индуктивности при использовании высокочастотных переменных токов. При этом вызываемые к жизни явления еще более потрясающи при увеличении мощности. Если небольшой кусок обычного провода в хлопчатобумажной оплетке присоединить к одному из контактов катушки (рисунок 11), потоки, исходящие по всей длине провода, будут настолько сильными, что послужат значительным источником света. Когда потенциалы и частота очень высоки, провод, изолированный гуттаперчей или резиной и присоединенный к одному из контактов, кажется покрытым светящейся пленкой. Очень тонкий неизолированный провод, присоединенный к контакту, излучает сильные потоки и постоянно вибрирует или совершает круговые движения, производя потрясающий эффект (рисунок 12). Некоторые из этих опытов я описал в журнале «The Electrical World» от 21 февраля 1891 года.

Еще одна особенность высокочастотного разряда катушки индуктивности — ее абсолютно иное поведение при использовании острых контактов и округлых поверхностей.

Если толстый провод, у которого на одном конце шарик, а на другом — острый конец, присоединить к положительному полюсу статической машины, практически весь заряд уйдет с острого конца по причине очень высокого напряжения, которое зависит от радиуса изгиба. Но если такой провод присоединить к одному из контактов катушки, мы заметим, что при высокой частоте потоки испускаются из шара идентично потокам из острого конца (рисунок 13).

Трудно себе представить, что мы могли бы создать почти такие же условия и в статической машине, по той простой причине, что напряжение возрастает пропорционально квадрату плотности, которая, в свою очередь, пропорциональна радиусу изгиба; следовательно, при постоянном потенциале потребуется огромный заряд для того, чтобы потоки испускались шлифованным шаром в то время, как он соединен с острым концом. Но ситуация меняется на катушке индуктивности, чей разряд меняет направление с огромной скоростью. Здесь мы сталкиваемся с двумя ярко выраженными тенденциями. Во-первых, есть тенденция к испусканию, которая существует в состоянии покоя и которая зависит от радиуса изгиба; во-вторых, есть тенденция рассеивания в окружающем воздухе, которая зависит от поверхности. Когда одна из этих тенденций максимальна, вторая — минимальна. На остром конце образование светящегося потока в целом объясняется тем, что молекулы воздуха физически контактируют с проводником; они притягиваются и отталкиваются, приобретают и теряют заряд и таким образом возбуждаются их атомные заряды, они вибрируют и испускают световые волны. В случае с шаром, напротив, без сомнения, этот эффект достигается индуктивно, причем необязательно, что молекулы воздуха соприкасаются с шаром, хотя, конечно, это происходит. Чтобы убедиться в этом, нам надо усилить эффект конденсатора, окружив шар на определенном расстоянии лучшим проводником, чем окружающая среда, конечно, заизолировав этот проводник, либо, обернув его лучшим диэлектриком, поднести к изолированному проводнику; в обоих случаях потоки будут испускаться идентично. И еще — чем больше шар при заданной частоте, или чем выше частота, тем большее преимущество будет иметь шар перед острым концом. Но поскольку для этого опыта требуется определенное напряжение, для того чтобы видеть исходящие потоки, очевидно, что в описанном опыте шар не должен быть слишком большим.

Вследствие этой двоякой тенденции при помощи острых контактов возможно производить явления, идентичные тем, что производятся при помощи емкости. Так, например, присоединив к одному из контактов катушки короткий витой провод, имеющий много концов и дающий много исходящих потоков, можно увеличить потенциал катушки так же, как если бы присоединили в контакту катушки шлифованный шар, поверхность которого во много раз больше.

Интересный опыт, демонстрирующий эффект острых концов, можно провести следующим образом. Присоедините к одному из выводов катушки провод длиной около двух футов, изолированный хлопчатобумажным материалом, и задайте такие параметры работы, чтобы началось испускание потоков из провода. При проведении этого опыта первичную катушку надо располагать так, чтобы она только наполовину пересекалась со вторичной. Теперь прикоснитесь к свободному выводу вторичной обмотки проводником, зажатым в руке, или присоедините к нему иной изолированный предмет какого-либо размера. Таким образом потенциал на проводе можно резко увеличить. Следствием этого будет увеличение или уменьшение потоков. Если они увеличатся, то провод слишком короткий; если уменьшатся — слишком длинный. Регулируя длину провода можно найти такой момент, когда прикосновение к другому выводу катушки не оказывает влияния на потоки. В этом случае усиление потенциала компенсируется падением потенциала в обмотке. Было отмечено, что короткие провода значительно влияют на количество и яркость потоков. Первичная обмотка отстраняется по двум причинам: во-первых, чтобы увеличить потенциал на проводе; во-вторых, чтобы увеличить падение потенциала на катушке. Так повышается чувствительность.

Есть и еще одна более удивительная особенность пучкового разряда, производимого высокочастотными токами. Для ее наблюдения лучше выполнить обычные выводы катушки в виде металлических штырей, хорошо изолированных эбонитом. Не лишним также будет, если вы изолируете воском или сургучом все трещины и надломы так, чтобы пучки не могли формироваться нигде, кроме вершин штырей. Если соблюдены все условия — а это мы, конечно, оставим на усмотрение экспериментатора — и потенциал вырос до огромного значения, то мы можем получить мощные пучки длиной несколько дюймов почти белые у основания, которые в темноте выглядят как две струи горящего под давлением газа (рисунок 14). Но они не только напоминают пламя, это и есть пламя, поскольку пучки горячие. Конечно, не настолько горячие, как газ, но они могут быть такими, если частота и потенциал будут достаточно высоки. При частоте, скажем, двадцать тысяч колебаний в секунду, тепло ощущается, даже если потенциал не очень велик. Теплота выделяется, конечно, благодаря тому, что молекулы воздуха ударяются о выводы катушки и друг о друга. Так как при нормальном давлении средняя длина свободного движения крайне мала, то, возможно, несмотря на огромную начальную скорость, полученную каждой молекулой при столкновении с контактом, ее продвижение — вследствие столкновения с другими молекулами — затрудняется настолько, что она, не удаляясь от контакта, может ударяться о него много раз подряд. Чем больше частота, тем меньше у молекулы возможностей удалиться, тем более что для такого явления не нужен высокий потенциал; необходима частота — может быть, ее можно даже получить, — при которой одни и те же молекулы будут ударяться о контакт. При таких условиях молекулярный обмен замедляется, и тепло, выделяемое на контакте и возле него, будет сильным. Но если частота будет постоянно возрастать, то количество выделяемого тепла будет уменьшаться по очевидным причинам. В положительном пучке статической машины молекулярный обмен очень быстр, поток всегда движется в одном направлении, столкновений меньше, отсюда теплоотдача должна быть низкой. Всё, что тормозит молекулярный обмен, имеет тенденцию повышать теплоотдачу. Так, если к выводу катушки поднести лампочку, то воздух, содержащийся внутри нее, очень быстро и сильно нагревается. Если к выводу поднести стеклянную трубку так, чтобы поток воздуха поднимал пучок вверх, то из трубки будет вырываться обжигающе горячий воздух. Всё, что попадает в пучок, конечно, быстро нагревается, и появляется возможность использовать этот эффект нагревания для каких-либо целей.

Если поразмышлять над этим интересным явлением горячего пучка, то нельзя не убедиться в том, что подобные процессы происходят в обычном пламени, и кажется странным, что после столетий нашего знакомства с огнем, теперь, в эпоху электрического освещения и отопления, мы признаём, что с незапамятных времен у нас в распоряжении всегда были «электрический свет и тепло». Небезынтересно также поразмышлять о том, что у нас есть способ получить — нехимическим путем — настоящее пламя, которое даст свет и тепло, не уничтожая никаких материалов, безо всяких химических процессов, и чтобы добиться этого, нам нужна лишь методика получения сверхвысоких частот и потенциалов. У меня нет сомнений в том, что если бы потенциал имел достаточную мощность и менялся с достаточной скоростью, пучок, формирующийся на выводе катушки, потерял бы свои электрические свойства и уподобился пламени. Пламя возникает благодаря электростатическому молекулярному воздействию.

Это явление, несомненно, объясняет частые несчастные случаи во время шторма. Хорошо известно, что предметы часто возгораются даже тогда, когда в них не бьет молния. Рассмотрим, как это может происходить. На гвозде в крыше, например, или любом другом выступе, более или менее токопроводящем, или ставшем таковым под дождем, может образоваться мощный пучок. Если в округе ударит молния, образуется огромная разность потенциалов, которая может создать колебания или флуктуации с частотой, возможно, несколько миллионов в секунду. Молекулы воздуха с огромной силой отталкиваются и притягиваются и их удары создают такой нагрев, что возникает пламя. Ясно, что корабль в море таким образом может загореться сразу в нескольких местах. Если мы вспомним, что даже при сравнительно малых частотах, получаемых в динамо-машине, и при напряжении не более ста или двухсот тысяч вольт, тепловой эффект значителен, то можно себе представить, насколько он будет сильнее при частотах и напряжении в несколько раз выше; и высказанное предположение, чтобы не сказать больше, весьма вероятно. Подобные объяснения, возможно, предлагались, но я не уверен, что до настоящего времени тепловой эффект пучка, полученного при высоких частотах, демонстрировался экспериментально, во всяком случае, не так наглядно.

Полная блокировка молекулярного обмена может довести тепловой эффект до такой стадии, что тело начинает светиться. Так, например, если небольшой проводник, а лучше тонкий провод или нить накаливания поместить в сферу, где есть воздух, и соединить с выводом катушки, она может начать светиться. Это явление становится еще более интересным, когда кончик нити быстро крутится и похож на светящуюся воронку (рисунок 15), которая расширяется при увеличении напряжения. Когда потенциал небольшой, конец нити может совершать неправильные движения, быстро переходя от одного к другому, или может описывать эллипс; но если напряжение велико, он всегда вертится по кругу; так же ведет себя тонкий прямой провод, присоединенный свободно к выводу катушки. Эти движения, конечно, вызваны молекулярным воздействием и неравномерностью распределения напряжения вследствие неровности поверхности и асимметрии провода и нити. Если бы провод и нить были абсолютно симметричны и отшлифованы, то движений скорее всего не наблюдалось. То, что наличие движений объясняется указанными причинами, очевидно, следует из того, что они происходят не в определенном направлении, и в сфере, где нет воздуха, они прекращаются и тело не светится, что, видимо, даст нам возможность получения световых эффектов, если мы усовершенствуем методику получения высоких частот.

При использовании катушек в коммерческих целях возникают значительные трудности, так как при использовании высоких частот и напряжения, не выдерживают изоляционные материалы. Обычно катушки достаточно изолированы, чтобы выдержать напряжение между колебаниями, поскольку два провода в двойной оплетке из хлопка и парафина выдерживают напряжение в несколько тысяч вольт; основная трудность заключается в том, чтобы не допустить пробоя вторичной обмотки на первичную обмотку, чему очень способствуют потоки, испускаемые последней. В катушке, конечно, напряжение наиболее велико между секциями, но обычно в больших катушках столько секций, что опасность внезапного пробоя невелика. В этом направлении обычно трудностей не возникает, и, кроме того, опасность внутреннего повреждения катушки сильно ослаблена, скорее всего произойдет постепенное нагревание, которое, достигнув значительной степени, не может остаться незамеченным. Основная задача тогда — препятствовать возникновению разрядов между первичной обмоткой и трубой не только из-за возможного нагрева и повреждения, но также из-за того, что разряды могут понизить напряжение на выводах катушки. Несколько советов по этому поводу будут очень полезны во время опытов с обычной индукционной катушкой.

Один из вариантов — сделать короткую первичную обмотку (рисунок 16а) так, чтобы разность потенциалов не была достаточной для прохождения потоков через изолирующую трубку. Длина первичной обмотки должна определяться опытным путем. Концы обмотки должны быть выведены на одну сторону катушки через изолированные выходы, как показано на рисунке. При такой конструкции один вывод вторичной обмотки присоединен к предмету, поверхность которого тщательно рассчитана, чтобы дать наибольший рост потенциала. На другом выводе появляется мощный пучок, с которым можно проводить опыты.

В описанном выше случае требуется использование сравнительно короткой первичной обмотки, которая может нагреваться, когда будут наблюдаться мощные явления в течение длительного времени. Тогда лучше использовать более длинную обмотку (рисунок 166) и постепенно вставлять ее с одной стороны трубки до тех пор, пока не начнут появляться разряды. В таком случае ближайший вывод вторичной обмотки может быть соединен с первичной обмоткой или заземлен, что, в принципе, одно и то же, если первичная обмотка соединена напрямую с машиной. В случае заземления лучше всего опытным путем определить частоту, наиболее подходящую для данных испытаний. Другой способ избежать разрядов — изготовить первичную обмотку из секций и питать их от отдельных, хорошо изолированных источников.

Во многих подобных опытах, когда требуется создать мощные явления на короткий срок, полезно использовать железный сердечник в первичной обмотке. В таком случае можно сделать очень большую первичную обмотку и поставить ее рядом со вторичной и, соединив ближайший вывод последней с первичной обмоткой, вставлять пластинчатый железный сердечник через первичную обмотку до вторичной настолько, насколько позволят разряды. При таких условиях может появиться очень мощный пучок на выводе вторичной обмотки, который можно назвать «пламенем Святого Эльма». Это очень мощный озонатор и ему достаточно всего нескольких минут, чтобы во всей комнате начал ощущаться сильный запах озона. И он, без сомнения, обладает свойствами возбуждать химические соединения.

Для производства озона, несомненно, подходят переменные токи высокой частоты, не только по причине преимуществ, которые они имеют при их преобразовании, но и потому, что озонирующее действие разряда зависит от частоты и потенциала, причем это подтверждено наблюдениями.

Во время подобных опытов, если используется железный сердечник, за ним надо внимательно наблюдать, так как он может очень быстро сильно нагреться. Чтобы дать вам представление о скорости нагрева, скажу, что достаточно одной секунды, чтобы нагреть тонкую железную проволоку примерно до 100 °C, вставленную внутрь катушки с большим числом витков, по которой пропускают ток большой силы.

Но этот быстрый нагрев не должен обескураживать нас, и нам следует использовать железные сердечники. Я уже давно убежден, что при промышленном распределении электричества при помощи трансформаторов можно придерживаться следующего плана: взять сравнительно маленький составной сердечник или несоставной, обернуть сердечник достаточно толстым слоем негорючего материала с низкой теплопроводностью и поверх всего этого намотать первичную и вторичную обмотки. При помощи высоких частот или сильного намагничивания мы можем за счет вихревых токов и гистерезиса нагреть железный сердечник почти до предела его проницаемости, которая, как продемонстрировал Хопкинсон, может быть в шестнадцать раз больше такого значения при нормальной температуре. Если сердечник надежно упакован, то нагрев ему не повредит, если упаковка достаточно толста, выделяться будет незначительное количество тепла, несмотря на высокую температуру. Я уже изготавливал трансформаторы по такому проекту, но из-за нехватки времени не проводил тщательных исследований.

Еще один способ приспособить железный сердечник к быстрым колебаниям, или, говоря в общем, фрикционным потерям, — путем постоянного намагничивания создать поток около семи или восьми тысяч линий на квадратный сантиметр через сердечник, а затем работать с малыми магнитными силами и предпочтительно высокими частотами возле точки наивысшей проницаемости. Таким образом можно получить более высокий КПД. Я также применял этот принцип в машинах, где нет перемены полярности. В этих типах машин, если есть только несколько зубцов, не происходит большого улучшения, так как максимальный и минимальный уровни намагничивания далеки от точки наивысшей проницаемости; но когда количество зубцов велико, можно по- лучить нужную скорость перемены изменения, не изменяя сильно скорость намагничивания и не отклоняясь от точки наивысшей проницаемости, и тогда имеем значительное улучшение.

Описанные выше конструкции применимы при разработке промышленных изделий. Если же надо построить катушку для определенного эксперимента или такую, которая выдерживала бы наибольшее напряжение, тогда стоит попробовать конструкцию, показанную на рисунке 17. Катушка в данном случае состоит из двух отдельных частей, намотанных оппозитно, соединенных между собой рядом с первичной обмоткой. Потенциал в середине равен нулю, не присутствует тенденция пробоя на первичную обмотку, поэтому не требуется серьезная изоляция. В некоторых случаях, однако, середина может соединяться с первичной обмоткой или заземляться. В такой катушке места, где есть наибольшее напряжение, разведены далеко и она может выдерживать огромное напряжение. Две ее составные части можно двигать так, чтобы немного регулировать эффект емкости.

Что касается того, как изолировать катушку, представляется удобным поступать следующим образом: во-первых, проволоку следует кипятить в парафине до тех пор, пока не удалится весь воздух; затем наматывают катушку, пропуская провод через расплавленный парафин, с тем чтобы зафиксировать провод. Катушка после этого снимается с бобины и помещается в цилиндрический сосуд, наполненный чистым расплавленным сургучом, и кипятится длительное время, пока не перестанут образовываться пузырьки. Всё это вместе затем остужается, и весь кусок вынимается из сосуда и обрабатывается на токарном станке. Катушка, выполненная по такому плану, может выдержать огромное напряжение.

Возможно, наиболее удобный и эффективный способ изоляции — поместить катушку в парафиновое или любое другое масло, в основном потому, что в этом случае исключается воздух. Но, возможно, кому-то покажется, что сосуд с маслом не очень удобен в лаборатории.

Если нужно демонтировать обычную катушку, можно вынуть первичную обмотку из изолирующей трубки, запаять ее конец, наполнить маслом и вставить обратно первичную обмотку. Это даст отличную изоляцию и предотвратит формирование разряда.

Из всех опытов, — которые можно проводить с высокочастотными переменными токами, самые интересные, возможно, те, что касаются производства практичного источника света. Нельзя не признать, что существующие в настоящее время методы, хотя они и были в свое время удивительными прорывами, очень расточительны. Надо изобрести лучшие методики, придумать более совершенные приборы. Современные исследования открыли новые возможности для производства эффективного источника света, и внимание всех было направлено в сторону, указанную первооткрывателями. Многие сейчас охвачены энтузиазмом и страстью к открытиям, но в своем стремлении к результату некоторые пошли по неверному пути. Начав с идеи производства электромагнитных волн, они обратили свое внимание, может быть, слишком пристальное, на исследование эффектов электромагнетизма и пренебрегли изучением электростатических явлений. Естественно, каждый исследователь обзавелся аппаратурой, подобной той, что применялась ранее. Но в таких устройствах очень сильны эффекты электромагнитной индукции, а электростатические эффекты представлены слабо.

В опытах Герца, например, катушка высокого напряжения коротко замкнута дугой, сопротивление которой очень мало, а чем оно меньше, тем большая емкость присутствует на выводах; разность же потенциалов на них сильно падает. С другой стороны, когда между контактами возникает разряд, статические эффекты могут быть значительными, но только количественно, не качественно, так как наблюдаются неожиданные скачки, поскольку частота невелика. Ни в том, ни в другом случае, следовательно, мощные электростатические явления нельзя заметить. Подобные условия создаются, как в некоторых интересных опытах д-ра Лоджа, когда лейденские банки разряжаются пробоями. Было мнение — полагаю, небезосновательное, — что в таких случаях большая часть энергии излучается в пространство. В свете описанных мною опытов, это мнение перестанет существовать. Я думаю, что не ошибусь, если скажу, что в таких случаях большая часть энергии частично поглощается и преобразуется в тепло дуги разряда и нагревает изолятор и проводник банки, а некоторое количество, конечно, уходит на электризацию воздуха; но количество прямо излучаемой энергии невелико.

Когда контакты катушки высокого напряжения, где работают токи с частотой всего 20 000 колебаний в секунду, замкнуты через очень маленькую банку, практически вся энергия проходит через ее диэлектрик, который нагревается, и электростатические эффекты проявляются лишь в небольшой степени. Итак, внешнюю цепь лейденской банки, т. е. дугу и контакты покрытия, можно рассматривать как цепь, генерирующую переменный ток крайне высокой частоты и удивительно высокого напряжения, которая замкнута через покрытия и диэлектрик между ними, и из сказанного становится очевидным, что внешние электростатические эффекты должны быть очень слабыми, даже если использовать удлиненную цепь. Такие условия показывают, что с аппаратурой, которая обычно имеется в распоряжений исследователя, наблюдение мощных электростатических явлений было невозможно, и тот опыт, который мы имеем к настоящему времени, накоплен только благодаря способностям и таланту экспериментаторов.

Но мощные электростатические эффекты — непременное условие производства света так, как показывает теория. Электромагнитные эффекты, в первую очередь, нельзя получить по той причине, что для того, чтобы их получить, нам пришлось бы подавать импульсы на проводник, который еще до того, как необходимой частоты импульсы возникнут, перестанет их излучать. С другой стороны, электромагнитные волны, длина которых во много раз больше длины световых волн и которые вырабатываются посредством резкого разряда конденсатора, использовать, кажется, нельзя, если только мы не хотим применить их воздействие на проводники так, как это делается сейчас, а эта практика расточительна. Мы не можем при помощи таких волн воздействовать на статические заряды молекул или атомов газов и заставить их вибрировать и излучать свет. Длинные поперечные волны, очевидно, не могут дать нужный эффект, так как крайне малые электромагнитные возмущения могут проходить мили в воздухе. Такие темные волны, если только они не имеют длину волн света, не могут, как кажется, возбуждать световое излучение в трубке Гейссле-ра, а световые эффекты, которые порождаются индукцией в трубке, лишенной электродов, я склонен считать имеющими электростатическую природу.

Для получения таких световых эффектов требуются непосредственные электростатические воздействия; какова бы ни была их частота, они могут возбуждать заряды молекул и производить свет. Поскольку импульсы тока нужной частоты не могут пройти через проводник измеримых габаритов, то мы должны работать с газом, и тогда производство мощных электростатических эффектов становится крайне необходимо.

Мне, однако, пришло на ум, что есть много способов получения электростатических эффектов для производства света. Например, мы можем поместить предмет, изготовленный из светопреломляющего материала, внутрь сферы, откуда более или менее откачан воздух, соединить этот предмет с источником тока высокой частоты и высокого напряжения, что заставит молекулы газа ударяться о поверхность на огромной скорости много раз в секунду и, таким образом, при помощи триллионов невидимых молоточков, бить его, пока оно не засветится; или можно поместить некое тело в сосуд с полностью откачанным воздухом в электрически прочный вакуум и, подав ток высокой частоты и высокого напряжения, передавать достаточное количество энергии от него к другим предметам, находящимся в непосредственной близости, или, в общем, вокруг, и так поддерживать любую степень свечения; или мы можем, при помощи высокой частоты и высокого напряжения, возбуждать эфир, переносимый молекулами газа, или их статические заряды, заставляя их вибрировать и излучать свет.

Но так как электростатические эффекты зависят от потенциала и частоты, то для наиболее мощного результата требуется увеличить и то и другое насколько это практически возможно. Возможно, можно достичь неплохого результата, уменьшив один из этих показателей, тогда как другой будет достаточно велик; но мы ограничены в обоих направлениях. Мой опыт показывает, что мы не можем опускаться ниже определенного уровня частоты, ибо тогда потенциал становится настолько велик, что это опасно; а во-вторых, производство света тогда менее эффективно.

Я обнаружил, что при использовании обычных низких частот физиологическое воздействие тока, который требуется для поддержания определенного уровня свечения в трубке длиной четыре фута, которая на концах снабжена внутренним и внешним конденсирующим покрытием, настолько велико, что, я полагаю, может причинить серьезную травму тому, кто не привык к подобным ударам; в то время как при частоте 20 000 колебаний в секунду трубка может светиться так же ярко, но болевых ощущений не почувствуешь. Это в основном объясняется тем, что для получения такого же светового эффекта требуется гораздо меньшее напряжение, а, следовательно, производство света более эффективно. Очевидно, КПД в таких случаях тем выше, чем больше частота, и чем быстрее протекает процесс заряда и разряда молекул, тем меньше энергии теряется в форме темного излучения. Но, к сожалению, мы не можем переступать определенный порог частоты по причине возникающих трудностей в производстве и передаче нужного эффекта.

Выше я уже утверждал, что предмет, помещенный в лампу, в которой есть воздух, сильно нагревается, если его соединить с источником высокого напряжения и высокой частоты. Нагрев в таком случае, по всей вероятности, происходит вследствие бомбардировки предмета молекулами газа, содержащегося в лампе. Если из лампы откачать воздух, нагрев происходит гораздо быстрее, и совсем нетрудно довести до состояния свечения провод или нить накаливания, просто соединив их с одним из выводов катушки нужных размеров. Так, если хорошо известный аппарат профессора Крукса, состоящий из согнутого платинового провода и крыльчатки, закрепленной свободно на нем (рисунок 18), соединить с одним из выводов катушки, — причем соединены могут быть любой конец провода или оба сразу, — провод нагревается до свечения моментально, а слюдяная крыльчатка вращается так, как будто применялся ток из аккумулятора. Тонкая угольная нить или, лучше, пробка, изготовленная из преломляющего свет материала (рисунок 19), даже если они сравнительно плохие проводники, помещенные в колбу с откачанным воздухом, могут сильно светиться; и вот так мы получаем простую лампочку мощностью в нужное количество свечей.

Хорошо ли работают такие лампы, зависит прежде всего от выбора материала предмета, помещаемого в колбу. Поскольку при описанных условиях могут использоваться предметы, изготовленные из материала с высокими преломляющими способностями, — а они плохие проводники и способны длительное время выдерживать высокие температуры, — такие осветительные приборы можно считать вполне удачными.

Некоторые могут подумать, что если из лампочки, в которую помещен преломляющий свет предмет, полностью откачать воздух, — насколько это можно проделать при помощи современной техники, — то нагрев будет не таким сильным, а в абсолютном вакууме он вообще не будет происходить. Мой опыт этого не подтверждает; напротив, чем лучше вакуум, тем проще довести предмет до свечения. Этот результат интересен по нескольким причинам.

В начале этой работы я задался вопросом: можно ли довести до свечения одним конденсаторным действием два предмета из материала с высокими преломляющими способностями, помещенными в колбу, из которой воздух откачан до такой степени, что разряд большой катушки, работающей в обычном режиме, не может пройти? Очевидно, для того, чтобы достичь такого результата, надо применить высокое напряжение и частоту, как это следует из простых подсчетов.

Но такая лампа обладала бы огромным преимуществом перед обычной лампой накаливания с точки зрения КПД. Хорошо известно, что КПД лампы — это в определенной степени функция степени накаливания и что если бы мы могли накаливать нить в несколько раз сильнее, то КПД был бы выше. В обычной лампе это непрактично вследствие разрушения нити, и опытным путем было определено, насколько сильно мы можем ее раскалить. Нельзя сказать, насколько бы увеличился КПД, если бы нить могла выдерживать накаливание беспредельно, так как исследования в этом направлении могут продолжаться до определенного этапа; но есть причины полагать, что этот фактор возрос бы значительно. Можно улучшить лампу, применив короткую и тонкую угольную нить, но тогда провода подводки должны быть толстыми, и, кроме того, есть несколько других соображений, делающих эту модель непрактичной. Но в такой лампе провода подводки могут быть очень маленькими, преломляющий материал может состоять из образцов, излучающая поверхность которых очень мала, так что меньше энергии потребуется для того, чтобы поддерживать надлежащий уровень нагрева; и вдобавок ко всему материалом накаливания не обязательно должен быть уголь, это может быть смесь оксидов, или можно выбрать иной материал, являющийся плохим проводником или диэлектриком, который может выдерживать высокую температуру.

Всё это указывает на возможность получения большего КПД в такой лампе, чем тот, что можно получить в обычных лампах накаливания. Мой опыт показывает, что образцы могут светиться при меньшем напряжении, чем показывают расчеты, и что образцы можно расположить на большем расстоянии друг от друга. Мы можем свободно предположить, и это возможно, что молекулярная бомбардировка — это важный элемент нагрева, даже если воздух из колбы тщательно откачан, как это делал я; и хотя количество молекул сравнительно невелико, всё же по причине длинного среднего их пути столкновений меньше и молекулы развивают большую скорость, так что эффект нагревания благодаря этому может выражаться гораздо сильнее, чем в опытах Крукса с излучающими веществами.

Но есть вероятность и того, что здесь мы столкнемся с возросшей возможностью потерять заряд в вакууме, когда потенциал быстро меняется, в этом случае нагрев большей частью происходит вследствие волнообразного образования зарядов в нагретом теле. Либо наблюдаемый эффект можно в целом объяснить теми моментами, которые я упоминал выше, вследствие чего образцы нити накаливания, помещенные в вакуум, подобны конденсаторам с поверхностью во много раз большей, чем их геометрические размеры. Ученые до сих пор расходятся во мнении, теряется или нет заряд в абсолютном вакууме или, другими словами, является он проводником или нет. Если первое, тогда тонкая нить, помещенная в абсолютный вакуум и соединенная с источником постоянного тока очень большого напряжения, нагревалась бы и светилась.

Я создал и эксплуатировал много типов ламп, основанных на вышеописанном принципе с преломляющими телами в форме нитей (рисунок 20), или блоков (рисунок 21), и всё еще продолжаю исследования в этом направлении. Совсем нетрудно достичь такой высокой степени нагрева, что обычный уголь плавится и улетучивается. Если бы можно было получить абсолютный вакуум, такая лампа, хотя ее и нельзя эксплуатировать с теми приборами, которые есть в настоящее время, могла бы, при надлежащих условиях, стать осветительным прибором, который никогда не ломается, и имеет гораздо больший КПД, чем обычная лампа накаливания. Такого совершенства, конечно, никогда не достичь, всегда происходит медленное разрушение и постепенное истончение, как у нитей накаливания; но невозможен и преждевременный выход из строя, который вызывается обрывом нити накаливания, особенно когда излучающие предметы в форме блоков.

Когда потенциал быстро меняется, нет необходимости помещать два блока в колбу, нужен только один, как на рисунке 19, или нить, как на рисунке 22. Потенциал в этом случае должен быть гораздо выше, но его легко получить, и к тому же он необязательно опасен.

Когда все остальные показатели равны, лампа доводится до свечения в зависимости от размеров колбы. Если бы можно было получить абсолютный вакуум, размер колбы не имел бы значения, ибо нагрев происходил бы только за счет импульсных зарядов, и вся энергия отдавалась в окружающую среду в форме излучения. Но на практике этого достичь нельзя. В колбе всегда остается газ, и хотя он откачивается максимально возможно, всё же пространство внутри колбы можно рассматривать в качестве проводника, когда применяется высокое напряжение, и я полагаю, что оценивая количество энергии, отдаваемое нитью в окружающую среду, мы должны рассматривать внутреннюю поверхность колбы как одну обкладку конденсатора, а воздух и другие предметы, окружающие колбу, как другую обкладку.

Когда колебания очень малы, нет сомнения, что значительная часть энергии уходит на электризацию окружающего колбу воздуха. Для более полного изучения этого предмета я проводил опыты с крайне высоким потенциалом и низкой частотой. Тогда я обнаружил, что если поднести руку к лампе, когда нить соединена с одним выводом катушки, чувствуются мощные вибрации, которые вызваны притяжением и отталкиванием молекул воздуха, наэлектризованных через стекло. В некоторых случаях, когда процесс происходил очень интенсивно, я слышал звук, происхождение которого должно быть объясняется теми же причинами.

Когда частота низкая, можно получить очень сильный удар током от лампы. В целом, когда присоединяешь лампу или другой предмет определенного размера к выводам катушки, следует опасаться скачка напряжения, так как он может быть вызван просто этим подключением, и напряжение может вырасти в несколько раз по сравнению с первоначальным значением.

Рис. 22

Когда к катушке подключаются лампы, как показано на рисунке 23, емкость ламп может быть такой, что при этих условиях они дадут максимальное возрастание напряжения. Таким способом можно получить нужный потенциал при меньшем количестве витков провода.

Срок службы этих ламп, конечно, зависит от степени откачки воздуха, но частично и от формы блока материала с высокой преломляющей способностью. Теоретически может показаться, что маленький угольный шарик, помещенный в стеклянную колбу не пострадает от молекулярной бомбардировки, поскольку, когда материя в колбе излучает, молекулы движутся по прямой и редко сталкиваются с шариком под углом. В связи с этим интересна мысль о такой лампе, в которой «электричество» и электрическая энергия очевидно должны двигаться по одним линиям.

Использование переменного тока высокой частоты делает возможной передачу при помощи электростатической и электромагнитной индукции сквозь стекло лампы достаточной энергии, чтобы поддерживать свечение нити и избавиться от подводящих проводов. Такие лампы предлагались, но за неимением надлежащего оборудования успешно не использовались. Я сконструировал и проводил опыты с большим количеством ламп, основанных на принципе непрерывной и прерывистой нити. Когда используется вторичная обмотка, помещенная в лампу, целесообразно совместить ее с конденсатором. Когда передача осуществляется электростатической индукцией, потенциалы, конечно, очень высоки при частоте, получаемой с машины. Например, когда поверхность конденсатора составляет сорок квадратных сантиметров, что, в общем-то, не так уж и много, а толщина стекла 1 мм, частота составляет 20 000 колебаний в секунду, требуемое напряжение — примерно 9 000 вольт. Это может показаться большой цифрой, но так как каждая лампа может включаться во вторичную обмотку трансформатора очень небольших размеров, это не так уж и неудобно, более того, это устройство не причинит смертельного вреда. Трансформаторы предпочтительнее всего включать последовательно. Регулировка не составит труда, так как с токами такой частоты легко добиться их постоянства.

На прилагающихся рисунках показано несколько типов таких ламп. Рисунок 24 — лампа с прерывистой нитью, рисунки 25а и 256 — лампа с одиночным внешним и внутренним слоями и одиночной нитью. Я также изготавливал лампы с двумя внешними и внутренними слоями и сплошной петлей, соединяющей их. Такие лампы я эксплуатировал с импульсами тока огромной частоты, получаемыми от разрядов конденсатора.

Прерывистый разряд конденсатора особенно предпочтителен для работы таких ламп — где нет внешних подключений — при помощи электромагнитной индукции, причем эффект электромагнитной индукции крайне высок; мне также удалось получить желаемое свечение всего лишь с несколькими витками провода. Свечения можно также добиться, используя простую замкнутую нить.

Оставив теперь в стороне вопрос о практичности таких ламп, могу сказать, что они обладают прекрасной и желаемой многими особенностью, а именно: по усмотрению им можно придать более яркое свечение, просто изменив положение внешнего и внутреннего слоя конденсатора, или индуктивного контура.

Подключения лампы можно добиться путем присоединения ее к одному выводу источника, покрыв колбу внешним конденсирующим слоем, который одновременно выполняет роль отражателя, и соединив его с изолятором определенного размера. Такого типа лампы показаны на рисунках 26 и 27. На рисунке 28 показана схема подключения. Яркость этой лампы можно регулировать в широких пределах, меняя размеры изолированной металлической пластины, к которой подключен слой конденсатора.

Также можно освещать помещения при помощи ламп с одним подводящим проводом, как показано на рисунках 20 и 21, соединив один вывод лампы с выводом источника, а второй с изолированным предметом необходимого размера.

Во всех случаях изолированный предмет служит для отдачи энергии в окружающее пространство и подобен обратному проводу. Очевидно, в двух последних случаях, вместо присоединения проводов к изолированному предмету, можно подключиться к заземлению.

Опыты — наиболее интересные и многообещающие — те, что проводятся с вакуумными трубками. Как и ожидалось, источник тока такой частоты способен возбуждать трубки на больших расстояниях, и получаемые световые эффекты просто замечательны.

Во время своих экспериментов я пробовал возбуждать трубки, лишенные электродов, при помощи электромагнитной индукции, когда трубка служит вторичной обмоткой катушки индуктивности, пропуская через первичную обмотку разряды лейденской банки. Эти трубки были разной формы, и мне удалось получить световые эффекты, которые я тогда относил к действию электромагнитной индукции. Но после тщательного изучения явлений я обнаружил, что полученные эффекты больше по природе электростатические.

Именно поэтому этот способ возбуждения трубок очень расточителен: если первичная обмотка замкнута, то потенциал, а следовательно, и электростатический индуктивный эффект сильно ослаблен.

Во время работы катушки индуктивности, как описано выше, нет сомнения в том, что трубки возбуждаются при помощи электростатической индукции, а электромагнитная индукция имеет малое (если вообще имеет) значение.

Это со всей очевидностью следует из опытов. Например, если взять трубку в одну руку и находиться возле катушки, она ярко светится и остается такой независимо от того, в каком положении она находится от тела наблюдателя. Если бы действие было электромагнитным, трубка не светилась бы, когда наблюдатель находился между ней и катушкой, или, по крайней мере, ее яркость сильно уменьшилась. Если трубку держать точно по центру катушки, — когда последняя намотана посекционно и первичная обмотка симметрична вторичной, — она может быть совершенно темной, если же ее перенести немного ближе к краю вправо или влево, ярко освещается.

Рис. 28

Она не светится потому, что в центре обе половины нейтрализуют друг друга и потенциал равен нулю. Если бы действие было электромагнитным, то трубка ярче всего светилась бы именно в плоскости, проходящей через середину катушки, так как электромагнитный эффект здесь максимальный. Когда между контактами катушки устанавливается дуга, все лампы вокруг гаснут, но зажигаются вновь, когда дуга исчезает по причине повышения напряжения. Хотя электромагнитный эффект должен быть практически таким же в обоих случаях.

Размещая трубку на расстоянии от катушки и ближе к одному из выводов — предпочтительнее в точке на оси катушки, — можно осветить ее, дотронувшись до дальнего вывода катушки изолированным предметом или рукой, таким образом повысив напряжение на выводе рядом с трубкой. Если трубку приблизить к катушке настолько, что она засветится от действия ближнего контакта, то погасить ее можно, удерживая на изолированной подставке конец провода, соединенный с дальним выводом, вблизи ближнего вывода, таким образом компенсируя воздействие последнего на трубку. Эти явления явно электростатические. Подобным же образом, когда трубку помещают на значительном расстоянии от катушки, наблюдатель, стоя на изолированной подставке между катушкой и трубкой, может осветить последнюю, поднеся к ней руку; либо он может заставить ее светиться, просто встав между ней и катушкой. При электромагнитном действии это невозможно, ибо тело наблюдателя играет роль экрана.

Когда катушка получает энергию от крайне малых токов, экспериментатор может, прикоснувшись к одному из выводов катушки трубкой, погасить последнюю и снова зажечь ее, разорвав контакт с выводом и позволив образоваться небольшой дуге. Это происходит явно по причине соответствующего понижения и повышения потенциала на выводе. В описанном выше опыте, когда трубка освещается через небольшую дугу, она может погаснуть при ее исчезновении, так как электростатическая индукция сама по себе очень слаба, хотя напряжение может быть велико; но когда устанавливается дуга, электризация одного конца трубки гораздо сильнее и он постепенно освещается.

Если держать конец трубки правой рукой, она будет ярко светиться, но перехватив трубку в середине левой рукой, можно погасить участок трубки, находящийся между руками. Удивительный эффект прекращения свечения трубки можно получить, проведя рукой вдоль трубки и в тоже время плавно убирая ее от катушки, правильно угадав расстояние, чтобы трубка и после этого оставалась темной.

Если первичную обмотку катушки расположить сбоку, как показано на рисунке 166, например, и вакуумную трубку вводить с другого конца внутрь, трубка будет интенсивно светиться, так как увеличивается конденсаторный эффект, и в этом положении очень четко видны полоски. Во всех описанных опытах и многих других действие явно электростатическое.

Эффект экранирования также указывает на электростатическую природу этих явлений и демонстрирует кое-что в плане электризации на расстоянии. Например, если трубку поместить в направлении оси катушки и отделить их друг от друга металлической пластиной с изолятором, трубка в целом засветится ярче, а если трубка будет находиться слишком далеко от катушки, ее всё же можно заставить светиться, поместив между ней и катушкой такую пластину. Сила эффекта в некоторой степени зависит от размеров пластины. Но если пластину заземлить, это промежуточное положение всегда будет гасить трубку, даже если она будет находиться недалеко от катушки. В целом, промежуточное положение предмета между трубкой и катушкой увеличивает или уменьшает яркость свечения трубки или ее способность загораться, в зависимости от того, увеличивается или уменьшается электризация. При экспериментах с изолированной пластиной она не должна быть слишком большой, в противном случае она будет оказывать ослабляющее действие, так как обладает способностью отдавать энергию окружающей среде.

Если трубку зажечь на каком-то расстоянии от катушки, и поместить между ними резиновую или другую изолирующую пластину, трубка может погаснуть. Промежуточное положение диэлектрика в данном случае немного повышает индукцию, но сильно ослабляет электризацию сквозь воздух.

Тогда во всех случаях, когда мы возбуждаем свечение вакуумных трубок при помощи такой катушки, это явление происходит вследствие быстро меняющегося электростатического потенциала; и более того, оно может относиться на счет гармонических колебаний, производимых непосредственно самой машиной, а не наложениями колебаний, которые, как полагают, присутствуют. Такие наложенные колебания невозможны, когда мы используем машину переменного тока. Если пружину постепенно сжимать и отпускать, она не совершает самостоятельных колебаний; для этого ее надо внезапно отпустить. То же самое происходит и с переменными токами в динамо-машине; среда гармонично подвергается напряжению и расслаблению, вырабатывая только один тип волн; внезапное замыкание или обрыв, или внезапный пробой диэлектрика, как при разряде лейденских банок, необходим для получения наложенных волн.

Во всех только что описанных опытах можно использовать безэлектродные трубки, и с их помощью нетрудно получить достаточное освещение для чтения. Световой эффект, однако, значительно усиливается, если применять фосфоресцирующие материалы, такие, как иттрий, урановое стекло, и т. д. Здесь можно столкнуться с трудностями, так как эти материалы при мощных воздействиях постепенно уменьшаются в количестве, и предпочтительнее работать с твердым веществом.

Чтобы не зависеть от эффекта индукции на расстоянии, зажечь трубку можно при помощи внешнего — или, если есть желание, и внутреннего — слоя конденсатора, подвесив трубку в любом месте в комнате на проводе, соединенном с одним выводом катушки. Таким способом можно добиться мягкого освещения. Однако идеальным освещением комнаты было бы создание таких условий, когда осветительный прибор можно передвигать куда угодно и он загорался бы везде и его не надо было бы подключать. Мне удалось этого достичь, создав в комнате мощное высокочастотное электростатическое поле.

С этой целью я подвесил лист металла на расстоянии от потолка на изолирующих шнурах и соединил его с одним из выводов катушки, другой же вывод заземлил. Я подвешивал и два листа, как показано на рисунке 29, каждый из них соединен с одним из выводов катушки и их размеры тщательно рассчитаны. Вакуумную трубку теперь можно держать в руке в любом месте между этими листами, даже немного за их пределами, — она всегда светится. Рис. 29

В таком электростатическом поле проявляются интересные явления, особенно если частота низкая, а потенциал высокий. Кроме указанных световых эффектов можно наблюдать, что любой изолированный проводник искрит, если к нему поднести руку или другой предмет, и искры довольно мощные. Когда большой проводник укреплен на изолирующей подставке и к нему поднести руку, чувствуется вибрация, вызванная движением молекул воздуха, можно также наблюдать светящиеся потоки, если руку поднести к какому-либо выступу. Если прикоснуться одним или двумя контактами телефонной трубки изолированного проводника некоторых размеров, телефон издаёт громкий звук; он также гудит, когда провод определенной длины прикасается к одному или обоим выводам, а при мощных полях звук имеет место даже без провода.

Насколько эти принципы применимы практически, покажет будущее. Может возникнуть мнение, что электростатические явления непригодны для работы на расстоянии. Напротив, проявления электромагнитной индукции, если их применять для производства света, более пригодны. Правда, электростатические явления теряют силу в кубе по мере удаления от катушки, в то время как электромагнитная индукция просто уменьшается на расстоянии. Но если мы установим принудительное электростатическое поле, всё будет по-другому, так как вместо разностного воздействия выводов мы имеем их совокупное действие. Кроме того, я бы обратил ваше внимание на то, что в переменном электростатическом поле проводник, такой, как вакуумная трубка, например, имеет тенденцию в основном поглощать энергию, в то время как в электромагнитном переменном поле проводник поглощает наименьшее количество энергии, а волны отражаются с наименьшими потерями. Это одна из причин, по которой трудно возбудить вакуумную трубку на расстоянии при помощи электромагнитной индукции. Я наматывал катушки большого диаметра и с большим количеством витков и подключал трубку Гейсслера к выводам катушки с целью зажечь трубку на расстоянии; но даже при помощи мощных индуктивных воздействий, получаемых при помощи разряда лейденской банки, трубка не светилась, если была далеко от катушки, хотя это позволило мне сделать кое-какие выводы относительно габаритов последней. Я также заметил, что даже самые мощные разряды лейденской банки способны создать лишь слабенькое освещение в запаянной вакуумной трубке, и даже эти явления после тщательного изучения я вынужден был отнести к электростатическим.

Тогда как мы можем надеяться получить нужный результат на расстоянии при помощи электромагнитного воздействия, когда даже в непосредственной близости от источника возбуждения при наивыгоднейших условиях мы можем добиться лишь слабого свечения?

Правда, при действии на расстоянии нам помогает резонанс. Мы можем соединить вакуумную трубку или любой другой осветительный прибор с изолированной системой надлежащей мощности и тогда станет возможно увеличить эффект количественно и только количественно, ибо мы не получим больше энергии через наш прибор. Итак, мы можем при помощи резонанса получить требуемую электродвижущую силу в вакуумной трубке и иметь слабое свечение, но мы не сможем получить достаточно энергии для того, чтобы иметь достаточно света, и простые подсчеты, основанные на результатах опытов, показывают, что даже если вся энергия, которую трубка получит на определенном расстоянии, будет полностью преобразована в свет, вряд ли его количество будет практически достаточным. Отсюда возникает необходимость направлять энергию с помощью проводников к месту преобразования. Но поступая так, мы не можем отойти от той методики, что используется в настоящее время, и всё, что мы можем сделать, — усовершенствовать технику.

Эти соображения подсказывают, что этот идеальный способ освещения можно осуществить на практике, только используя электростатику. В таком случае нам понадобятся очень мощные проявления электростатической индукции, а аппаратура, следовательно, должна быть способной вырабатывать высокое напряжение, меняющее свое значение с предельной скоростью. Нам тем более нужны высокие частоты, раз мы хотим иметь низкое напряжение. Прибегая к помощи механических устройств, мы можем добиться только низких частот; следовательно, надо идти в обход, пользуясь другими средствами. Разряд конденсатора дает нам возможность получения гораздо более высокой частоты, чем получаемой механически, и я, естественно пользовался конденсаторами в вышеописанных опытах.

Когда выводы катушки высокого напряжения (рисунок 30) посредством дуги подключаются к лейденской банке и последняя отдельными разрядами разряжается в цепь, мы можем рассматривать дугу, имеющую место между выводами катушки, как источник переменного тока, и тогда нам приходится иметь дело с подобной системой, состоящей из генератора такого тока, и контура, соединенного с ним, и конденсатора, выполняющего роль моста. Конденсатор в таких случаях — самый настоящий преобразователь, и поскольку частота очень высока, можно получить любое соотношение токов в обеих частях системы. На самом деле, аналогия не так уж полна, ибо в пробивном разряде мы имеем в основе своей моментальное изменение относительно низкой частоты и наложенные гармонические колебания, а законы, управляющие течением тока, в них не тождественны.

Когда мы действуем таким способом, соотношение преобразования не должна быть слишком большим, так как потери в дуге возрастают пропорционально квадрату силы тока, а если банку разряжать через толстые и короткие проводники, чтобы получить очень быстрые колебания, значительная часть энергии теряется. С другой стороны, низкие скорости непрактичны по многим очевидным причинам.

Так как преобразованные токи текут по замкнутому контуру, электростатические эффекты обязательно малы и, следовательно, я преобразую их в токи и эффекты необходимого характера. Предпочтительная схема подключения показана на рисунке 31. Способ работы делает возможным при помощи небольших и дешевых устройств получать огромную разность потенциалов, которую ранее получали при помощи больших и дорогих катушек. Для этого надо взять обычную маленькую катушку, соединить ее с конденсатором и разрядным контуром, которая образует первичную обмотку дополнительной маленькой катушки, и преобразовывать в большую сторону. Так как индуктивность первичных цепей очень мала, вторичная обмотка не должна иметь много витков. При соответствующем выборе элементов, можно получить замечательные результаты.

В своих попытках получить необходимые электростатические эффекты таким образом я столкнулся со многими трудностями, которые постепенно преодолевал, но в данный момент я не готов к рассказу о своих изысканиях.

Полагаю, разряд конденсатора с помощью разрядника будет иметь в будущем большое значение. Ибо он предлагает огромные возможности не только для освещения теоретически, но и для других областей.

Многие годы изобретатели работали над проблемой получения электроэнергии при помощи термоэлемента. Было бы оскорбительно полагать, что лишь немногие знают, в чем проблема термоэлемента. Это не КПД или малая мощность — хотя и это серьезные недостатки, — но то, что у термоэлемента есть своя «филлоксера», т. е. при постоянном использовании он ухудшается, именно это и не позволяет использовать его в промышленном масштабе. Теперь, когда современные исследования, кажется, указали определенно на необходимость использования электричества высокого напряжения, многие должны задаться вопросом, можно ли практичным способом получать эту форму энергии из тепла. Мы привыкли смотреть на электростатическую машину как на игрушку, и так или иначе связываем ее с чем-то непрактичным и неэффективным. Но пришла пора начать мыслить по-иному, ибо теперь мы знаем, что везде вынуждены сталкиваться с теми же силами, и что заставить их работать нам во благо — только вопрос изобретения надлежащих устройств.

В существующих системах распределения электричества применение железа с его удивительными магнитными свойствами позволило нам значительно уменьшить габариты аппаратов, хотя они всё равно слишком громоздки. Чем дальше мы продвигаемся в изучении электричества и магнетизма, тем больше убеждаемся в том, что современным методам не суждена долгая жизнь. По крайней мере для производства света такая тяжеловесная аппаратура не нужна. Требуется небольшое количество энергии, и если свет можно получать так же эффективно, как показывает теория, устройства должны быть маломощными. Если предположить, что методы освещения в будущем будут подразумевать применение высокого напряжения, то желательно создать устройство, способное преобразовывать энергию тепла в энергию нужной формы. Не стоит говорить о том, что сделано в этом направлении, так как мысль о том, что электричество напряжением около 50 000 вольт или 100 000 вольт или более того, даже если его удастся получить, не будет полезно для практического применения, отвратила исследователей от работы в этом направлении.

На рисунке 30 показана схема подключения устройства, необходимого для преобразования токов высокого в токи низкого напряжения при помощи разрядника и конденсатора. Эта схема часто использовалась мной для подключения нескольких ламп накаливания в лаборатории. Некоторые трудности были при работе с дугой разряда, которые я в основном преодолел; кроме этого и настройки машин, других проблем не было, и было легко работать с обычными лампами и даже моторами. При наличии заземления со всеми проводами можно было работать совершенно безопасно, даже имея высокое напряжение на выводах конденсатора. Во время этих опытов применялась катушка высокого напряжения, запитанная от аккумулятора или от генератора переменного тока, для зарядки конденсатора; но катушку можно заменить на другое приспособление, способное выдавать ток высокого напряжения. Таким образом, постоянный и переменный ток можно было преобразовывать, получая импульсы необходимой частоты. Когда токи, заряжающие конденсатор, имеют одно и то же направление, необходимо, чтобы и преобразованные токи также имели одно и то же направление, надо, естественно, так подобрать сопротивление разрядного контура, чтобы не было колебаний.

При работе с приборами по вышеописанной схеме я наблюдал любопытные явления, связанные с сопротивлением, которые интересно описать.

Например, если согнуть толстый медный брусок, как на рисунке 32, и за-шунтировать при помощи ламп накаливания, то при разряде конденсатора через выводы катушки лампы засветятся, хотя они и закорочены. Когда применяется большая катушка, на поверхности бруска легко получить узлы, которые обнаруживаются по степени яркости ламп, как показано на рисунке 32. Узлы никогда не имеют четких очертаний — они представляют собой лишь пики и моменты падения напряжения по длине бруска. Это можно объяснить неравномерностью дуги между контактами. В общем, когда применяется указанная схема преобразования высокого напряжения в низкое, поведение пробойного разряда можно пристально пронаблюдать. Узлы можно изучить при помощи обычного вольтметра Кардью, который должен быть хорошо изолирован. Трубки Гейсслера также могут светиться возле точек согнутого бруска; в этом случае, конечно, надо применять меньшие мощности. Я обнаружил, что в данном случае удобно зажигать лампу, и даже трубку Гейсслера, замкнутую коротким тяжелым куском металла, результат, на первый взгляд, кажется очень любопытным. Фактически, чем толще брусок (рисунок 32), тем лучше для опытов и результаты их поразительны. Когда используются лампы с длинной тонкой нитью, часто заметно, что нити время от времени резко вибрируют, это действие уменьшается возле узловых точек. Видимо, эти вибрации объясняются электростатическим действием между нитью и стеклом колбы.

В некоторых таких опытах надо применять особые лампы с прямой нитью, как на рисунке 33. Когда применяется такая нить, можно наблюдать еще более любопытное явление. Лампу можно поместить перпендикулярно медному бруску и зажечь; используя несколько большие мощности или, иными словами, меньшую частоту или меньшее импульсное сопротивление, нить можно довести до любого уровня накала. Но если сопротивление увеличить, можно достичь уровня, когда через уголь протекает слабый ток, а большая его часть протекает через разреженный газ; может быть, будет более правильным сказать, что равные доли тока протекают через обе среды, несмотря на большую разницу в сопротивлении, и это будет правильно, если только газ и нить не ведут себя по-иному. Затем было замечено, что вся колба ярко освещена и концы подводящих проводов светятся и даже искрят, хотя угольная нить остается темной. Это показано на рисунке 33. Вместо нити можно использовать отдельный провод, проходящий через всю колбу, и в этом случае явление кажется еще более интересным.

Из проведенных опытов ясно, что когда в них участвуют обычные лампы, запитанные от преобразователей, надо использовать такие лампы, где платиновые провода разведены далеко друг от друга, а частота тока невелика, иначе на концах нити или у основания лампы образуется разряд, и она может повредиться.

Представляя вашему вниманию результаты моих исследований по этому предмету, я остановился только вскользь на фактах, которые мог бы описывать очень долго, и среди моих наблюдений я выбрал только те, которые, как мне показалось, могли бы вас заинтересовать. Это поле деятельности очень широко и совсем не изучено, каждый шаг приоткрывает истину и новые факты.

Насколько результаты, полученные мной, применимы на практике, покажет будущее. Что касается производства света, некоторые результаты весьма обнадеживают и питают мою уверенность в том, что практическое решение проблем лежит в направлении, которое я попытался указать. Всё же, каковы бы ни были непосредственные результаты этих опытов, я надеюсь, что они будут только шагом в дальнейших изысканиях идеала и совершенства. Возможности, открываемые современными исследованиями, настолько широки, что даже скептики должны с радостью предвкушать будущее.

Рис. 33

Именитые ученые решают проблему использования одного типа излучения без применения других в устройствах, созданных для производства света при помощи преобразования одной из форм энергии в свет.

Такого результата нельзя добиться, ибо неважно, каков процесс производства необходимых колебаний: электрический, химический или иной, невозможно получить высокочастотные световые колебания без того, чтобы использовать низкочастотные тепловые колебания. Это — проблема придания телу определенной скорости без прохождения "через низкие скорости. Но есть возможность получения энергии не только в виде света, движущей силы и энергии любого другого вида в каком-то другом виде из окружающей среды. Придет время и всё это будет достигнуто, а сейчас настало время, когда можно произнести эти слова перед просвещенной аудиторией и тебя не сочтут глупым мечтателем. Мы вращаемся в бесконечном пространстве с невообразимой скоростью, всё вокруг нас вращается, всё движется, везде есть энергия. Должен быть способ получать эту энергию напрямую. Тогда, получив свет из окружающей среды, получив от него энергию, когда любой тип энергии добывается без усилий из источника неисчерпаемого, человечество пойдет вперед семимильными шагами. Одна только мысль об этих замечательных возможностях расширяет наше сознание, укрепляет надежду и наполняет сердца высшим ликованием.