ТЕСЛА ОТВЕЧАЕТ Д-РУ ЛУИСУ ДУНКАНУ И ОБЪЯСНЯЕТ ДЕЙСТВИЕ МОТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 9 страница
Вот катушка, в которой работают токи крайне высокой частоты, получаемые от разрядов лейденской банки. Для студента не будет удивительным, если лектор скажет, что вторичная обмотка этой катушки состоит из сравнительно короткого и толстого провода; не удивит его и то, что, несмотря на это, катушка способна выдать любой потенциал, который сможет выдержать лучшая изоляция; но, хотя он и будет готов, и даже предполагаемый результат не вызовет в нем интереса, всё же сам разряд катушки удивит и заинтересует его.
Все знакомы с разрядом обычной катушки; не стоит его здесь воспроизводить. Но вот, для сравнения, форма разряда катушки, где ток в первичной обмотке колеблется с частотой несколько сот тысяч в секунду. Разряд обычной катушки выглядит как простая линия или полоса света, разряд этой катушки — как мощные пучки и светящиеся потоки, исходящие изо всех точек двух проводов, присоединенных к выводам вторичной обмотки (рисунок 1).
Теперь сравним явление, которое вы только что наблюдали, с разрядом машин Хольца или Уимсхерста — еще одного прибора, такого дорогого сердцу экспериментатора. Какая огромная разница! И всё же, если бы я сделал некоторые изменения, — и их сделать легко, если бы только они не мешали проведению других опытов, — я бы получил на этой катушке искры, которые, если бы катушка была скрыта от ваших глаз, а видны были бы только две рукоятки, даже самому дотошному наблюдателю среди вас было бы трудно, если вообще возможно, отличить от искр электрофорного или фрикционного генератора. Это можно сделать по-разному, — например, если катушка заряжает конденсатор от низкочастотного генератора переменного тока, причем желательно настроить разрядный контур так, чтобы в нем не возникало колебаний. Тогда мы получим во вторичной обмотке, если рукоятки достаточного размера и правильно установлены, более или менее быстрое искрение, очень мощное, но редкое, где искры также ярки и также трещат, как те, что производятся электрофор-ным или фрикционным генератором.
|
|
|
Есть еще один способ — через две первичные обмотки, соединенные с общей вторичной, пропускать два вида тока со слегка различными периодами, что приведет к появлению во вторичной обмотке искр, возникающих со сравнительно большим интервалом. Но даже и с тем оборудованием, что есть у меня сегодня, я могу успешно имитировать искры машины Хольца. Для этого между выводами катушки, заряжающей конденсатор, я устанавливаю длинную неустойчивую дугу, которая периодически рвется от восходящего потока воздуха, который сама же и производит.
Рис. 1
Для того чтобы усилить поток воздуха, с каждой стороны дуги, поближе к ней, я кладу две большие слюдяные пластины. Конденсатор, заряжающийся от этой катушки, разряжается в первичную обмотку другой катушки через некоторый воздушный промежуток, что необходимо для создания высокой скорости изменения тока через первичную обмотку. Схема соединения показана на рисунке 2.
|
|
|
G — это обычный генератор переменного тока, соединенный с первичной обмоткой Р катушки, где вторичная обмотка S заряжает конденсаторы или банки СС. Выводы вторичной обмотки соединены с внутренним слоем покрытия банок, а внешний слой покрытия соединен с концами первичной обмотки рр второй катушки. Эта первичная обмотка рр имеет небольшой зазор ab.
Вторичная обмотка 5 снабжена набалдашниками или шариками КК нужного размера, расположенными на расстоянии, необходимом для проведения опыта.
Длинная дуга возникает между выводами АВ первой катушки. Дуги ММ из слюдяных пластин.
Каждый раз, когда между А и В рвется дуга, банки быстро заряжаются и разряжаются через первичную обмотку рр, и происходит мгновенная искра между шариками КК. Когда устанавливается дуга АВ, потенциал падает, и банки не могут зарядиться до потенциала настолько большого, чтобы разрядиться через зазор аЬ до тех пор, пока дуга не станет рваться от потока воздуха.
|
|
|
Таким образом, внезапные импульсы, происходящие с большим интервалом в первичной обмотке рр, приводят во вторичной обмотке s к соответствующему количеству импульсов большой интенсивности. Если шарики КК нужного размера, то искры больше напоминают искры машины Хольца.
Но эти два явления, которые выглядят такими разными, — есть только два проявления разряда. Всё, что нам нужно, это изменить исходные данные опыта, и мы снова получим интересные наблюдения.
Если вместо того, чтобы подключать катушку, как в двух последних опытах, мы подключим ее к высокочастотному генератору переменного тока, как в следующем опыте, то систематическое исследование явлений значительно упростится. В этом случае, изменяя силу и частоту тока в первичной обмотке, мы можем наблюдать пять отчетливых форм разряда, которые я описал в своей лекции, прочитанной перед аудиторией Американского института электроинженеров 20 мая 1891 г.[8]
Нам потребуется много времени, и мы сильно отклонимся от предмета нашей сегодняшней беседы, если будем воспроизводить все эти формы разрядов, но мне кажется желательным показать вам одну из них. Это кистевой разряд и он интересен по многим причинам. Если рассматривать его вблизи, он напоминает струю газа, вырывающуюся под большим давлением. Мы знаем, что это явление объясняется возбужденным состоянием молекул возле вывода, и ожидаем, что при ударе молекул о вывод и друг о друга вырабатывается некоторое количество тепла. И действительно, мы обнаруживаем, что кисть горячая, а немного поразмыслив, можно прийти к выводу: если бы мы могли достичь высокой частоты, то получили бы кисть, которая дает достаточно тепла и света, и которая во всех деталях подобна пламени, за исключением того, возможно, что оба явления не имеют общей первопричины, что химическое сродство может и не иметь электрической природы.
|
|
|
Так как тепло и свет в данном случае вырабатываются за счет ударов молекул воздуха или чего-то подобного, и так как мы можем увеличить количество энергии, просто увеличив потенциал, мы можем даже при той частоте, что мы имеем от динамо-машины, усилить это действие настолько, что температура поднимется до точки плавления вывода. Но при такой низкой частоте нам всегда придется иметь дело с чем-то, что имеет природу электрического тока. Если я поднесу к кисти проводник, проходит небольшая тонкая искра, и всё же при той частоте, что мы используем сегодня, тенденция к образованию искры невелика. Если я поднесу металлический шар на некоторое расстояние и буду держать его над выводом, вы увидите, что всё пространство между выводом и шаром освещено потоками без искр; а при более высоких частотах, получаемых от разряда конденсатора, если бы не внезапные импульсы, число которых невелико, искрения не происходит даже на небольшом расстоянии. Однако при несравнимо более высоких частотах, которые мы всё же можем получать, и если электрические импульсы такой частоты можно передать через проводник, электрические характеристики кистевого разряда совсем исчезают — никаких искр, никакого удара, — и всё-таки мы имеем дело с электрическим явлением, но в более широком, современном смысле этого слова. В моей предыдущей работе, которую я не так давно упоминал, я указал любопытные свойства кисти и описал, как лучше всего ее получить, но мне подумалось, что надо, вследствие интереса к нему, более подробно остановиться на этом явлении.
Когда через катушку проходит ток очень высокой частоты, можно получить прекрасный кистевой эффект, даже если катушка сравнительно небольшая. Экспериментатор может по-разному его варьировать, но и сами по себе они представляют красивое зрелище. Но еще более интересными их делает то, что их можно получить как на одном выводе, так и на двух — фактически на одном даже проще, чем на двух.
Но из всех наблюдавшихся явлений, самый приятный взору и самый поучительный разряд тот, что получается при пропускании через катушку тока от конденсатора. Мощность кисти, обилие искр, если условия подбирать терпеливо, просто потрясающие. Даже с очень маленькой катушкой, если ее заизолировать так, чтобы она выдерживала разность потенциала в несколько тысяч вольт на виток, искрение такое обильное, что катушка напоминает огненный шар.
Любопытно, что искры, если выводы расположить на значительном расстоянии друг от друга, разлетаются во всех направлениях, как будто выводы катушки независимы. Поскольку искры быстро разрушают изоляцию, их надо избегать. Лучше всего это сделать, поместив катушку в жидкий изолятор, такой, как олифа. Погружение в жидкость может быть непременным условием для продолжительной и успешной работы такой катушки.
Конечно, не может быть и речи о том, чтобы в экспериментальной лекции, когда у нас есть всего несколько минут для демонстрации каждого опыта, показать в лучшем виде все разряды, так как для этого требуется тщательная выверка параметров. Но даже при несовершенном их воспроизводстве, как это сегодня, вероятно, и произойдет, они достаточно поразительны, чтобы вызвать интерес у такой образованной аудитории.
Прежде чем приступить к показу некоторых явлений, ради полноты картины, я должен привести описание катушки и других приборов, которыми буду сегодня пользоваться для показа опытов с разрядом конденсатора посредством разрядника.
Они находятся в ящике В (рисунок 3), изготовленном из толстых твердых деревянных досок, обшитых снаружи цинковыми пластинами Z, тщательно запаянными по швам. При проведении строго научных опытов, когда точность очень важна, можно посоветовать не прибегать к помощи металлической обшивки, так как она приведет к многочисленным ошибкам, в основном вследствие своего комплексного воздействия на катушку в качестве конденсатора низкой емкости и электростатического и электромагнитного экранирования. Когда катушка применяется для опыта, подобного сегодняшним, металлическая обшивка имеет ряд преимуществ, на которых, впрочем, мы не будем останавливаться.
Катушку следует разместить симметрично относительно металлической обшивки и промежуток должен быть не менее пяти сантиметров, желательно даже гораздо больший; особенно это касается двух сторон металлического ящика, которые расположены под прямым углом к оси катушки, так как они могут оказывать на нее воздействие и служить источником потерь.
Катушка состоит из двух бобин, выполненных из твердой резины RR, укрепленных на расстоянии 10 см друг от друга при помощи болтов с и гаек п, из того же материала. Каждая бобина — это трубка Т с внутренним диаметром примерно 8 см, с толщиной стенки 3 мм, к которой прикручены два квадратных фланца FF с размером стороны 24 сантиметра, расположенные на расстоянии 3 мм друг от друга. Вторичная обмотка SS из провода, изолированного гуттаперчей высокого качества, намотана в 26 слоев, по 10 витков в каждом, что в целом составляет 260 витков. Обе половины намотаны оппозитно и включены последовательно, причем соединение произведено через первичную обмотку. Эта конструкция, помимо того что удобна, имеет еще и то преимущество, что, когда катушка хорошо сбалансирована, т. е. когда оба ее вывода Т1Т2 соединены с предметами или устройствами одинаковой мощности, нет опасности пробоя через первичную обмотку, и изоляция между первичной и вторичной обмотками не должна быть толстой. При использовании катушки можно последовать совету: соединять оба вывода с устройствами примерно одинаковой емкости, поскольку, когда емкость выводов неодинакова, могут возникнуть искры и повредить первичную обмотку. Для того чтобы избежать этого, середину вторичной обмотки можно соединить с первичной, но это не всегда имеет практический результат.
Первичная обмотка РР намотана двумя частями и оппозитно на деревянную бобину W, четыре конца выведены из масла через резиновые трубки tt. Концы вторичной обмотки Т1Т1 также выведены из масла через толстые резиновые трубки t1t1. Первичная и вторичная обмотки заизолированы при помощи хлопка, и толщина изоляции, естественно, пропорциональна разности потенциалов между витками разных слоев. Каждая половина первичной обмотки имеет четыре слоя, по 24 витка, итого — 96 витков. Когда обе половины соединены последовательно, это дает коэффициент преобразования примерно 1:2,7, а если первичные обмотки соединены параллельно — 1:5,4, но когда частота очень высокая, этот коэффициент не дает даже приблизительного представления об эдс в первичном и вторичном контурах. Катушка установлена в масле на деревянных планках, толщина слоя масла вокруг — примерно 5 см. В тех случаях, когда масло не применяют, пространство вокруг заполняется деревянными опилками, и именно для этой цели служит деревянный ящик В.
Конструкция, показанная здесь, конечно, не самая лучшая с точки зрения общих принципов, но я полагаю, она удобна для получения требуемых эффектов при работе с высоким напряжением и маленькой силой тока.
Применительно к катушке, пользуюсь либо обычным, либо модифицированным разрядником. В обычном я сделал несколько изменений, которые дают некоторые очевидные преимущества. Если я и упоминаю о них, то только в надежде на то, что какой-либо экспериментатор сочтет их полезными.
Одно из изменений состоит в том, что подвижные головки А и В (рисунок 4) разрядника крепятся между медными щёчками J J под давлением пружины, что позволяет передвигать их и таким образом избежать утомительного процесса частой полировки.
Другое изменение заключается в использовании сильного электромагнита NS, который крепится так, что его ось проходит под прямым углом к линии, соединяющей головки А и В и создает между ними мощное магнитное поле. Полюсные наконечники магнита подвижны и выполнены так, чтобы выступать между медными головками, с тем чтобы сделать магнитное поле наиболее интенсивным; но для предотвращения попадания разряда на магнит, полюсные наконечники покрыты слоем слюды ММ достаточной толщины. vfv(и s2s2 — это зажимы для проводов. На каждой стороне один винт для толстого, другой — для тонкого провода. LL — это винты для крепления штоков RR, поддерживающих головки.
В другой конструкции с магнитом я создаю разряд между округлыми полюсными наконечниками, которые изолированы, и желательно, чтобы они имели полированные медные колпачки.
Применение интенсивного магнитного поля дает принципиальное преимущество в том случае, когда в индукционной катушке или трансформаторе работает ток очень низкой частоты. В этом случае количество базовых разрядов между головками может быть настолько мало, что ток, возникающий во вторичной обмотке, непригоден для многих опытов. Напряженное магнитное поле тогда служит для того, чтобы сдувать дугу, формирующуюся между головками, и разряд происходит чаще.
Вместо магнита может успешно применяться поток воздуха, более или менее сильный. В таком случае лучше формировать дугу между головками АВ (рисунок 2), а головки аЬ можно или соединить, или вовсе устранить, так как в такой конфигурации дуга длинная и нестабильная и легко поддается воздействию потока воздуха.
Когда для прерывания дуги применяется магнит, предпочтительнее вариант соединения, указанный на рисунке 5, поскольку в этом случае токи, формирующие дугу, более мощные, а магнитное поле оказывает более сильное влияние. Применение магнита позволяет, однако, заменить дугу вакуумной трубкой, но я при работе с такой трубкой столкнулся с большими трудностями.
Другой тип разрядника, применяемый в этом и других опытах, показан на рисунках 6 и 7. Он состоит из нескольких медных шпилек сс (рисунок 6), каждая из которых включает в себя круглую среднюю часть т с выступающим снизу концом е, который служит всего лишь для закрепления шпильки в токарном станке при полировке разрядной поверхности, и болта / сверху, с накрученным на него фланцем f, и гайкой п, служащей для крепления провода к болту. Фланец f удобен тем, что удерживает медную шайбу при креплении к ней провода, а также поворачивает ее, когда необходимо иметь свежую поверхность для разряда. Две пластины из твердой резины RR, имеющие профильную проточку дд (рисунок 7) для крепления центральных шайб частей сс служат для жесткого крепления последних при помощи двух болтов СС (из которых показан только один), насквозь стягивающих пластины.
При использовании такого разрядника я обнаружил три основных преимущества перед его обычной разновидностью. Во-первых, диэлектрическая способность суммарной воздушной прослойки больше, когда она образуется из многих промежутков, заполненных воздухом, чем если бы она была однородной, а это позволяет работать с промежутком меньшей длины, что уменьшает потери и износ металла; во-вторых, дуга разбивается на несколько меньших дуг и полированные поверхности служат дольше; и в-третьих, устройство можно настраивать в процессе опыта. Обычно я устанавливаю шайбы, отмеряя расстояние между ними при помощи пластины одинаковой толщины, о таком способе установки я узнал из описания опытов сэра Уильяма Томсо-на, в этом случае происходит шунтирование эдс при искрении.
Следует, конечно, помнить, что разрядный промежуток сильно сокращается при повышении частоты. Проверив несколько вариантов расстояния, экспериментатор примерно представляет себе величину эдс и ему уже проще проводить опыт, так как не надо снова и снова устанавливать шайбы. Имея такой разрядник, я мог поддерживать колебания так, что глазу не видно было искрения между головками, и они не нагревались, по крайней мере значительно. Такой тип разряда применяется во многих конденсаторах и контурах, которые очень удобны и экономят время. Я предпочитал использовать его в схеме, показанной на рисунке 2, когда дугу формируют токи небольшой силы.
Могу также упомянуть, что я пользовался разрядниками с одним или несколькими зазорами, в которых разрядные поверхности вращались с огромной скоростью. Этот способ, однако, не дал каких-либо преимуществ, за исключением случаев, когда сила тока от конденсатора была велика и требовалось охлаждать поверхности разряда, а также случаев, когда собственных колебаний разряда не хватало, и дуга, только сформировавшись, рвалась от потока воздуха, таким образом начиная вибрации с прогрессирующим интервалом. Я также по-разному применял механические прерыватели. Для того чтобы избежать трудностей с трением, я принял такую схему, когда формируется дуга, а сквозь нее вращается с большой скоростью закольцованная слюдяная пластина, прикрепленная к металлической поверхности и имеющая множество отверстий. Понятно, что применение магнита, воздушного потока или иного прерывателя производит замечательный эффект, если только самоиндукция, емкость и сопротивление не находятся по отношению друг к другу в таком отношении, что после каждого прерывания возникают колебания.
Теперь я попытаюсь продемонстрировать вам некоторые наиболее замечательные разряды.
Через это помещение я протянул два обычных провода, изолированных хлопком, каждый длиной 7 метров. Они подвешены на диэлектриках на расстоянии примерно 30 см друг от друга. Теперь каждый провод я соединяю с выводом катушки и подключаю ее. Если выключить в помещении свет, то вы увидите, что провода ярко освещены потоками, обильно исходящими по всей поверхности проводов, даже если слой изоляции довольно толст. При условии, что опыт поставлен правильно, свечения, производимого проводами, достаточно, чтобы различать предметы в помещении. Для получения наилучшего результата, конечно, необходимо тщательно выверить емкость банок, длину дуги между головками и длину проводов. Исходя из своего опыта, могу сказать, что вычисление длины проводов в данном случае ни к чему не приведет. Экспериментатор поступит правильно, если с самого начала возьмет длинные провода и будет их подгонять, отрезая поначалу длинные куски, потом короче и короче до тех пор, пока не достигнет нужной длины.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 60; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!