ТЕСЛА ОТВЕЧАЕТ Д-РУ ЛУИСУ ДУНКАНУ И ОБЪЯСНЯЕТ ДЕЙСТВИЕ МОТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 11 страница
Полное удаление газов из устройства, в котором диэлектрик подвергается более или менее интенсивному воздействию меняющихся электрических полей, однако, не только желательно, но и целесообразно с точки зрения экономики. Например, в конденсаторе, если применять только твердый или только жидкий диэлектрик, потери будут малы; но если внутри останется газ под нормальным или низким давлением, то потери будут велики. Какова бы ни была природа сил, действующих в диэлектрике, видимо, в жидкости или твердой среде молекулярное смещение невелико, поскольку результат работы этой силы и процесса смещения незначителен — если только сила невелика; но в газах смещение и его результат огромны — молекулы движутся свободно, достигая высоких скоростей, и энергия их удара переходит в тепло или другую форму. Если газ сильно сжат, то вследствие этого смещение незначительно, а потери уменьшаются.
В большинстве следующих опытов я предпочел использовать, в основном по причине его стабильной и удовлетворительной работы, генератор переменного тока, о котором уже упоминал. Эта одна из машин, которую я построил для проведения таких опытов. Генератор имеет 384 полюса и способен выдавать ток с частотой примерно 10 000 колебаний в секунду. Об этой машине я говорил в своей лекции в Американском институте электроинженеров 20 мая 1891 года, о которой я уже упоминал. Более подробное описание, достаточное, чтобы по нему создать подобный аппарат, можно найти в нескольких профильных журналах этого периода.
|
|
|
Катушки, работающие от этого прибора, довольно малы и имеют от 5 000 до 15 000 витков во вторичной обмотке. Они помещены в прокипяченное льняное масло и находятся в деревянных ящиках, обшитых цинковыми пластинами.
Я счел целесообразным поменять местами обмотки и намотать в этих катушках первичные обмотки сверху; это позволяет применять большую первичную обмотку, что, конечно, уменьшает опасность перегрева и увеличивает мощность катушки. С каждой стороны первичная обмотка короче вторичной на один см для предотвращения пробоя на концах.
Когда первичная обмотка сделана подвижной, что необходимо для некоторых опытов и во много раз удобнее для настройки, я покрываю вторичную обмотку сургучом и обрабатываю на станке, доводя ее диаметр до размера немного меньшего, чем внутренний диаметр первичной обмотки. К последней пристраиваю рукоятку, выступающую из масла, служащую для того, чтобы сдвигать ее по отношению к вторичной.
Теперь позволю себе сделать несколько замечаний в отношении управления катушками индуктивности, которые были опущены в описаниях прошлых опытов.
|
|
|
Вторичная обмотка имеет такую индуктивность, что сила тока, протекающего через провод, очень мала и может быть такой, даже если выводы катушки соединены между собой проводником небольшого сопротивления. Если к выводам присоединить какую-либо емкость, то самоиндукция компенсируется и через вторичную обмотку течет ток большей силы, хотя выводы изолированы. Для человека, совсем незнакомого со свойствами переменного тока, не может быть ничего более загадочного. Эта особенность была продемонстрирована в опыте, где присутствовали металлическая сетка, соединенная с выводами катушки, и резиновая пластина. Когда проволочные сетки подносили близко друг к другу, между ними возникала небольшая дуга, мешавшая прохождению тока большой силы через вторичную обмотку, так как устраняла емкость на выводах; когда между выводами помещали резиновую пластину, емкость созданного конденсатора компенсировала самоиндукцию катушки, и разряд был гораздо сильнее.
Первостепенная задача, следовательно, соединить емкость со вторичной обмоткой, чтобы преодолеть самоиндукцию. Если частота и потенциал очень высоки, то газообразное вещество надлежит тщательно изолировать от заряженных поверхностей. Если использовать лейденские банки, находящиеся под большим напряжением, то их надо погрузить в масло, в противном случае происходит значительное рассеивание. При высоких частотах также важно соединить конденсатор с первичной обмоткой. Можно соединить конденсатор с концами первичной обмотки или выводами генератора, но последнее не рекомендуется, так как устройство можно повредить. Лучше всего, без сомнения, включить конденсатор последовательно с первичной обмоткой и генератором и настроить его емкость так, чтобы устранить самоиндукцию в этих приборах. Конденсатор должен иметь очень тонкую подстройку, для этого удобно применять небольшой масляный конденсатор с подвижными пластинами.
|
|
|
В настоящий момент считаю лучше всего продемонстрировать вам явление, которое я наблюдал не так давно, и которое с чисто научной точки зрения может показаться более интересным, чем всё то, о чем я собирался вам поведать сегодня вечером. Было бы правильным квалифицировать его как разновидность кистевого разряда, формируемого поблизости от выводов или непосредственно на одном из них в вакууме.
В колбе, имеющей проводящий вывод, даже если он алюминиевый, кистевой разряд недолговечен, и, к сожалению, даже в том случае, если из колбы удалить электрод. При исследовании одного явления, несомненно, следует пользоваться колбой, в которой нет подводящего провода. Я выяснил, что лучше всего пользоваться такими колбами, какие показаны на рисунках 12 и 13.
|
|
|
На рисунке 12 лампа состоит из колбы L , в основание которой запаяна трубка барометра Ь, конец которой запаян в форме небольшого шара s.
Эта сфера должна быть как можно лучше запаяна в центре большой колбы. Перед запайкой тонкую трубку t, изготовленную из алюминиевого листа, можно поместить внутрь трубки барометра, но это не принципиально. Небольшой полый шар s заполняется порошком проводника, а в горловине w укрепляется провод, соединяющий порошок с генератором.
Конструкция на рисунке 13 была выбрана с целью удалить из кисти любой проводник, могущий оказать на нее воздействие. Лампа в данном случае состоит из колбы L, у которой имеется горловина п с трубкой Ь и небольшим шаром s, припаянным к ней так, чтобы образовать две отдельных емкости, как показано на рисунке. Когда лампа работает, горловина п, покрытая фольгой, которая соединена с генератором и действует индуктивно в относительно разреженном и токопроводящем газе, содержащемся в ней. Оттуда ток поступает через трубку Ь в небольшой шар $, чтобы индуктивно воздействовать на газ, содержащийся в колбе L. Лучше всего сделать трубку t очень толстой, отверстие в ней очень маленьким, а шар 5 выдуть тонким. Крайне важно поместить шар 5 точно в центр колбы L.
На рисунках 14, 15 и 16 показаны разные формы, или стадии, кисти. На рисунке 14 показано, как разряд возникает в колбе, имеющей проводящий вывод: но поскольку в такой колбе он очень скоро исчезает — часто за несколько минут, — я продолжу описывать это явление так, как оно видится в колбе, где нет электрода. Оно наблюдается при следующих условиях: Когда из колбы L (рисунок 12 и 13) максимально откачан воздух, обычно она не возбуждается при соединении провода w (рисунок 12) или фольги (рисунок 13) с выводом катушки. Для возбуждения обычно достаточно дотронуться рукой до колбы L. Тогда поначалу в колбе возникает интенсивное свечение а затем оно уступает место белому туманному свету. Вскоре после этого можно заметить, что освещенность в колбе распределяется неравномерно, а после прохождения тока в течение како- го-то времени лампа принимает вид как на рисунке 15. После этого явление переходит в фазу, показанную на рисунке 16, т. е. через несколько минут, часов, дней или недель, в зависимости от того, как эксплуатируется лампа. Нагревание лампы или увеличение напряжения ускоряет этот переход.
Когда кисть принимает форму, показанную на рисунке 16, она может стать очень чувствительной к электростатическому и магнитному воздействию. Если лампа висит на прямом проводе и все предметы удалены от нее, а к ней приблизится на несколько шагов наблюдатель, то это заставит разряд переместиться на другую сторону, а если наблюдатель будет ходить вокруг нее, то разряд всегда будет находиться на противоположной стороне. Он может начать вращение вокруг вывода задолго до того, как достигнет этой чувствительной фазы. Когда начинается вращение, да и несколько раньше тоже, на него оказывает влияние магнит, а на определенной стадии он становится крайне восприимчивым к его влиянию. Небольшой постоянный магнит, полюса которого отстоят друг от друга на расстоянии двух сантиметров не более, зримо воздействует на кисть на расстоянии двух метров, замедляя или ускоряя ее вращение в зависимости от того, как он расположен по отношению к ней. Мне кажется, я заметил, что в тот момент, когда кисть наиболее чувствительна к магнитному воздействию, она не так подвержена влиянию электростатического поля. Мое объяснение таково: электростатическое притяжение между кистью и стеклом колбы, которое задерживает вращение, растет гораздо быстрее, чем магнитное воздействие, когда возрастает интенсивность потока.
Когда лампочка висит на проводе колбой L вниз, вращение всегда по часовой стрелке. В южном полушарии вращение произойдет в обратную сторону, а на экваторе его не будет вовсе. Вращение может быть реверсировано при помощи магнита, если его держать на некотором расстоянии. Кисть, кажется, вращается лучше всего, когда она находится под прямым углом к действию сил притяжения Земли. На максимальной скорости она скорее всего вращается синхронно с колебаниями тока, скажем, 10 000 раз в секунду. Вращение можно замедлить или ускорить при приближении или удалении наблюдателя или любого проводника, но его нельзя начать в противоположную сторону, переместив колбу. Когда разряд находится на пике чувствительности и потенциал или частота меняются, чувствительность падает. Даже небольшое изменение любого из этих параметров прекращает вращение. Чувствительность также подвержена влиянию температурных изменений. Для достижения наибольшей чувствительности требуется, чтобы небольшой шар s был в центре колбы L , так как в противном случае электростатическое воздействие стеклянной колбы будет препятствовать вращению. Шар s должен быть небольшим и одной толщины; его асимметричность, конечно, приведет к потере чувствительности.
Тот факт, что кисть вращается в постоянном магнитном поле в определенном направлении показывает, что в переменном токе высокой частоты положительные и отрицательные импульсы не равны, но один всегда больше другого.
Конечно, вращение в одном направлении может быть вызвано действием двух составляющих тока друг на друга, или действием поля, произведенного одним из элементов, на другое поле, как в сериесном моторе, причем необязательно, чтобы один импульс был сильнее другого. Тот факт, что кисть вращается в любом положении, говорит в пользу этого мнения. В таком случае она будет вращаться в любой точке земной поверхности. Но, с другой стороны, трудно объяснить, почему постоянный магнит реверсирует ее вращение, и приходится согласиться с мнением о преобладании импульсов одного вида.
Что же касается самого формирования кисти или потока, полагаю, это происходит вследствие электростатического воздействия колбы и асимметрии частей. Если бы маленькая колба s и большая колба L были абсолютно концентрическими сферами, а стекло имело во всех точках одинаковую толщину и качество, думаю, кисть не формировалась бы, так как со всех сторон имелась бы одинаковая тенденция к прохождению разряда. То, что создание потока объясняется неравномерностью, очевидно, следует из того факта, что он имеет тенденцию оставаться в одном положении, а вращение происходит только тогда, когда его выводят из равновесия под воздействием электростатического или магнитного поля. Когда, достигнув максимальной чувствительности, он находится в одном положении, с ним можно проводить любопытные опыты. Например, экспериментатор может, выбрав правильное положение, поднести руку на достаточно значительном расстоянии к лампе и заставить кисть передвинуться простым напряжением мышц. Когда она начинает вращаться и руки находятся на нужном расстоянии, нельзя сделать и малейшего движения, чтобы кисть не отреагировала. Металлическая пластина, соединенная с другим выводом катушки, воздействует на нее на большом расстоянии, замедляя вращение на один оборот в секунду.
Я полностью убежден, что такая кисть, когда мы научимся ее правильно формировать, послужит полезным инструментом в изучении природы сил, действующих в электростатических и магнитных полях. Если есть какое-либо движение в пространстве, которое можно измерить, то кисть поможет обнаружить его. Это, так сказать, луч света, движущийся без трения и лишенный инерции.
Полагаю, что это явление может найти практическое применение в телеграфии. При помощи такой кисти можно посылать сообщения, например, через Атлантику с любой скоростью, так как ее чувствительность может быть настолько велика, что любое изменение будет оказывать на нее воздействие. Если бы можно было сделать поток очень интенсивным и очень узким, то его отражения можно было бы легко сфотографировать.
Мне было интересно выяснить, вращается ли сам поток или в колбе происходит только передвижение заряда под напряжением. Для этих целей я установил небольшую слюдяную крыльчатку, чьи лопасти находились на пути щетки. Если движение потока есть, то крыльчатка завертится. Мне не удалось получить отчетливого вращения крыльчатки, хотя я повторял опыт снова и снова; но поскольку крыльчатка оказывала видимое влияние на поток, и очевидное вращение последнего не было достаточно удовлетворительным, эксперимент не привел к определенным выводам.
Мне не удалось получить это явление от разрядной катушки, хотя каждое второе такое явление с ее помощью можно получить — много и фактически гораздо лучше, чем от катушки, запитанной от генератора.
Возможно, можно получить кистевой разряд при помощи однонаправленных импульсов или от постоянного потенциала, в таком случае он будет более восприимчив к магнитным полям.
При работе с индукционной катушкой на токах высокой частоты мы с удивлением впервые понимаем, как важно соотношение емкости, самоиндукции и частоты для конечного результата. Воздействие емкости наиболее впечатляет, так как в этих опытах самоиндукция и частота очень высоки, а критическая емкость очень мала, и нужны небольшие изменения для получения впечатляющих изменений. Экспериментатор может прикоснуться к выводам вторичной обмотки или присоединить к одному или обоим выводам изолированные предметы небольшого объема, такие, как, например, лампочки, и может получить значительное увеличение или снижение напряжения, а также значительно повлиять на ток в первичной обмотке. В ранее показанном опыте, когда разряд щетки появляется на проводе, присоединенном к одному выводу катушки, и провод колеблется, когда экспериментатор прикасается изолированным предметом к другому выводу катушки, очевидно наблюдается внезапный рост потенциала.
Я могу показать вам, как катушка ведет себя по-иному, и это тоже интересно. Здесь у меня небольшая алюминиевая крыльчатка, присоединенная к игле и способная свободно вращаться на металлическом предмете, прикрученном к выводу катушки. Когда катушка включается, молекулы воздуха ритмично притягиваются и отталкиваются. Так как сила отталкивания больше силы притяжения, то на лопасти крыльчатки оказывается соответствующее сильное воздействие. Если бы крыльчатка была изготовлена из простой металлической пластины, то сила отталкивания была бы одинаковой для обеих ее сторон и не оказывала никакого действия. Но если одну из поверхностей экранировать, или бомбардировку этой поверхности ослабить тем или иным способом, сила отталкивания продолжает воздействовать на другую сторону, и крыльчатка начинает вращаться. Экранирование лучше всего осуществить, разместив на одной из сторон изолированное токопроводящее покрытие, или, если крыльчатка сделана в форме обычного пропеллера, разместив на одной из сторон, ближе к ней, изолированную металлическую пластину. Без статического экрана, однако, можно обойтись, воспользовавшись толщиной изолятора, прикрепленного к одной из сторон крыльчатки.
Для того чтобы показать поведение катушки, крыльчатку можно разместить на выводе и она сразу станет вращаться, когда через катушку пропускается ток очень высокой частоты. При постоянном потенциале, конечно, и даже при работе тока низкой частоты, она не будет вращаться, вследствие очень незначительного обмена воздуха и слабой бомбардировки; но в последнем случае она будет вращаться, если потенциал очень высок. Колесико на шпильке, наоборот, подтверждает правильность другого правила: оно вращается лучше всего при постоянном потенциале, а усилие тем меньше, чем выше частота. Итак, довольно легко настроить условия таким образом, чтобы потенциала было недостаточно для вращения крыльчатки, но чтобы при соединении другого вывода катушки с изолированным предметом он поднимался до значения, при котором крыльчатка вращается, и чтобы также было нетрудно остановить вращение, присоединив к выводу предмет других размеров, уменьшающий потенциал.
Вместо крыльчатки в этом опыте мы можем использовать «электрический» радиометр, который даст такой же эффект. Но в таком случае выясняется, что лопасти вращаются только при разрежении или обычном давлении; при небольшом повышенном давлении они вращаться не будут, так как воздух имеет высокие токопроводящие свойства. Это любопытное наблюдение было сделано совместно — мной и профессором Круксом. Я приписываю результат высокой токопроводящей способности воздуха, молекулы которого не ведут себя, как отдельные носители зарядов, но действуют как единый проводник. В таком случае, конечно, если вообще существует отталкивание молекул от лопастей, эта сила должна быть очень мала. Возможно, однако, что результат отчасти объясняется тем, что большая часть заряда проходит по подводящему проводу через газ-проводник вместо того, чтобы рассеиваться с проводящих лопастей.
При попытках воспроизвести описанный опыт с электрическим радиометром потенциал не должен превышать определенного значения, так как электростатическое притяжение между колбой и лопастями может быть настолько сильным, что вращение прекратится.
Самой любопытной особенностью переменных токов высокой частоты и напряжения является то, что они позволяют нам проводить опыты с одним проводом. Во многих отношениях эта особенность представляет огромный интерес.
В том типе мотора переменного тока, который я изобрел несколько лет назад, я добивался вращения путем индукции при помощи однофазного переменного тока, пропущенного через контур мотора, на массе мотора или в других его контурах, вторичных токов, которые, вместе с первичными, или индукционными токами, создавали движущее силовое поле. Простую и несколько грубоватую форму такого мотора можно получить, намотав на железный сердечник первичную обмотку, а рядом с ней вторичную, соединив концы последней, и поместив свободно вращающийся металлический диск в поле обеих обмоток. Железный сердечник применяется в силу очевидных причин, но это не принципиально для опыта. Для улучшения работы мотора, железный сердечник сделан так, что он охватывает якорь. Еще одно улучшение — вторичная обмотка частично наложена на первичную, с тем чтобы она не была свободна от ее индукционного воздействия и не отталкивала силовых линий ее поля. И еще одно улучшение — надлежащий сдвиг по фазе между первичным и вторичным токами достигается при помощи конденсатора, самоиндукции, сопротивления или соответствующих витков.
Я выяснил, однако, что вращение достигается при помощи одной обмотки и сердечника, и объясняю это явление тем, и это главная мысль при проведении опыта, что при намагничивании сердечника существует отставание по времени. Я помню, с каким удовольствием в записках профессора Эйртона, которые попали ко мне позже, я прочитал об идее временной задержки. Действительно ли это временная задержка или запаздывание происходит благодаря действию вихревых токов, циркулирующих в устройстве, — этот вопрос открыт, но фактом остается то, что если через обмотку, намотанную на железный сердечник, пропустить переменный ток, создается силовое движущее поле, способное привести якорь в движение. Интересно упомянуть, с связи с историческим опытом Араго, что в моторах, основанных на задержке или сдвиге по фазе, я добивался вращения в направлении, обратном направлению движения поля, что означает, что в том опыте магнит может не вращаться, а может вращаться в направлении, противоположном направлению вращения диска. Вот перед нами мотор (схематично показанный на рисунке 17), состоящий из обмотки и железного сердечника, а также свободно подвешенного медного диска, расположенного вблизи сердечника.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 53; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!