ТЕСЛА ОТВЕЧАЕТ Д-РУ ЛУИСУ ДУНКАНУ И ОБЪЯСНЯЕТ ДЕЙСТВИЕ МОТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 6 страница
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.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 54; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!