Тесла - Лекции и Статьи

А-7

Границы слышимости дуги зависят от ее размера. Чем больше поверхность, подверженная эффекту нагрева в дуге, тем выше граница слышимости. Наиболее высокие звуки издаются высоковольтными разрядами индукционной катушки, в которых дуга, скажем так, является всей поверхностью. Если R — сопротивление дуги, а С — ток, и если линейные размеры увеличить в n раз, то сопротивление станет R/n, и при той же плотности тока ток будет n2 С; поэтому нагревательный эффект вырастет в n3 раз, а поверхность только в n2 . По этой причине очень большие дуги не будут испускать никакого ритмического звука даже при очень низкой частоте. При этом надо заметить, что испускаемый звук в некоторой степени зависит от состава угля. Если уголь содержит очень тугоплавкий материал, при нагревании это поддерживает температуру дуги однородной и звук уменьшается; по этой причине представляется, что для переменной дуги нужны именно такие угли.

При токах таких высоких частот можно получить бесшумные дуги, но настройка лампы становится крайне сложной из-за чрезвычайно слабых притяжений или отталкиваний между проводниками, переносящими эти токи.

Интересной особенностью дуги, полученной таким быстро переменяющимся током, является ее продолжительность. Этому есть две причины, одна из которых наличествует всегда, а другая лишь иногда. Одна обусловлена свойством тока, другая — свойством машины. Первая причина более важна, и вызвана быстротой переключений. Когда дуга формируется периодическим волнообразным током, возникает соответствующая волнообразность в температуре столба газа, и, следовательно, соответствующая волнообразность в сопротивлении дуги. Но сопротивление дуги чрезвычайно сильно меняется с температурой газового столба, становясь практически бесконечным, когда газ между электродами холодный. Продолжительность дуги, таким образом, зависит от неспособности столба охлаждаться. По этой причине невозможно поддерживать дуги при токе, переключающемся лишь несколько раз в секунду. С другой стороны, при практически постоянном токе дуга поддерживается легко, потому что постоянно поддерживаются высокая температура и низкое сопротивление столба. Чем выше частота, тем меньше интервал времени, в течение которого дуга может остыть и заметно увеличить свое сопротивление. При частоте 10,000 в секунду или более в дуге того же размера на постоянную температуру накладываются небольшие вариации температуры, как рябь на поверхности глубокого моря. Эффект нагрева практически непрерывен, и дуга ведет себя как дуга, создаваемая постоянным током, за исключением того, что она может не так легко устанавливаться, и что электроды расходуются дугой одинаково; хотя в этом отношении автор наблюдал некоторые нерегулярности.

Вторая упомянутая причина, которая может и отсутствовать, обуславливается тенденцией машины столь высокой частоты поддерживать практически постоянный ток. Когда дуга удлиняется, электродвижущая сила растет пропорционально, и дуга становится более продолжительной.

Подобные машины словно специально предназначены для того, чтобы поддерживать постоянный ток, но совсем не подходят для постоянного напряжения. На самом деле, в определенной категории таких машин почти постоянный ток является практически неизбежным результатом. Когда сильно увеличивается число полюсов или полярных выступов, становится очень важным зазор. На самом деле, экспериментатору приходится иметь дело с огромным числом очень маленьких машин. Потом, есть сопротивление в якоре, которое высокая частота увеличивает чрезвычайно. Потом, опять же, облегчается магнитное рассеяние. Если чередующихся полюсов три или четыре сотни, рассеяние столь велико, что это практически то же самое, что в двух-полюсной машине соединить полюса куском железа. Правда, этого недостатка можно более или менее избежать, если использовать везде поле одной полярности, но тогда сталкиваешься с трудностями иной природы. Все эти явления стремятся поддерживать в цепи якоря постоянный ток.

А-8

В этой связи интересно отметить, что даже сегодняшние инженеры изумляются работе машины постоянного тока, так же, как несколько лет назад они считали удивительной способность машины поддерживать постоянную разность потенциала между контактами. Хотя одного результата так же легко добиться, как и другого. Надо только помнить, что в индукционном приборе любого вида, если нужен постоянный потенциал, индуктивное отношение между первичной, или возбуждающей, цепью и вторичной цепью, или якорем, должно быть как можно ближе. Тогда как в приборе для постоянного тока нужно как раз противоположное. Более того, противодействие течению тока в индуцируемой цепи должно быть как можно меньше в первом случае и как можно больше во втором. Но противодействие течению тока может вызываться более чем одним способом. Его можно вызвать омическим сопротивлением или самоиндукцией. Можно сделать индуцируемую цепь динамо машины или трансформатора с таким большим сопротивлением, что что в работе с приборами гораздо меньшего сопротивления в очень широких пределах будет поддерживаться почти постоянный ток. Но это большое сопротивление приводит к огромной потере в мощности, и поэтому непрактично. С самоиндукцией дело обстоит по-другому. Самоиндукция не обязательно означает потерю мощности. Мораль такова: вместо сопротивления используйте самоиндукцию. Кроме того, есть обстоятельство, которое способствует принятию такого плана действий, и состоит оно в том, что очень высокую самоиндукцию можно получить дешево, окружив сравнительно небольшую длину провода более или менее полностью железом, и, более того, эффект можно усиливать, вызывая быструю волнообразность тока. Чтобы все это просуммировать, для постоянного тока требования такие: Слабая магнитная связь между индуцируемой и индуцирующей цепями, насколько возможно высокая самоиндукция при наименьшем сопротивлении, наибольшая возможная частота перемен тока. Для постоянного потенциала, напротив, требуются: Как можно более близкую магнитную связь между цепями, равномерный индуцируемый ток, и, если возможно, никакой реакции. Если в машине постоянного потенциала последние условия получается выполнить полностью, ее выход будет многократно превосходить выход машины, изначально предназначенной для того, чтобы давать постоянный ток. К несчастью, тот вид машин, в которых эти условия можно соблюсти, имеет очень мало практической ценности из-за маленькой получаемой электродвижущей силы и сложностей в съеме тока.

С их обостренным инстинктом изобретателей нынешние электро-дуговики быстро распознали, чего не хватает машине постоянного тока. Их машины дугового света имеют слабые поля, большие якоря с огромной длиной медного провода и небольшим числом сегментов коммутатора, чтобы давать сильные изменения в силе тока и ввести в игру самоиндукцию. Подобные машины могут поддерживать практически постоянный ток в больших пределах вариации сопротивления цепи. Их выход, конечно, уменьшается соответственно, но, наверное именно имея в виду не слишком уж сильно этот выход уменьшать,

ииспользуется простой прибор для компенсации избыточных вариаций. Волнообразность тока

—едва ли не самое важное для коммерческого успеха системы электродугового света. Она вводит в цепь стабилизирующий элемент вместо большого омического сопротивления, не приводя к большим потерям мощности, и, что еще более важно, она позволяет использовать простые зажимные (clutch) лампы, которые при токе с определенным, наилучшим для каждой конкретной лампы, количеством импульсов в секунду, будут, если за ними правильно следить, регулироваться даже лучше, чем самые хорошие точные (clock-work) лампы. Это открытие было сделано автором — с опозданием на несколько лет.

Знающие Английские электротехники утверждали, что в машине постоянного тока или трансформаторе на регулировку влияет изменение фазы вторичной цепи. Можно легко показать ошибочность этой точки зрения, если вместо ламп использовать устройства, каждое из которых обладает самоиндукцией и емкостью, или самоиндукцией и сопротивлением, — то есть замедляющей и ускоряющей компонентами, — в таких пропорциях, чтобы не влиять существенно на фазу вторичного тока. Любое количество таких устройств можно вставить в цепь или убрать из нее, и все равно окажется, что регулировка есть, постоянный ток

А-9

А11

15,000 в секунду нити легко раскалялись. При более низких частотах это тоже можно было выполнить, но разность потенциалов, конечно, надо было увеличить. Далее автор обнаружил, что через некоторое время в стекле появляются отверстия и вакуум нарушается. Чем выше частота тем дольше может выдержать лампа. Такой износ диэлектрика всегда имеет место, когда количество энергии, передаваемое через диэлектрик определенного размера и определенной частотой, слишком велико. Стекло выдерживает лучше всего, но даже стекло изнашивается. Конечно, в этом случае разность потенциалов на пластинах слишком велика, и вызывает потери на проводимость и несовершенную упругость. Если нужно сделать конденсаторы, способные выдерживать разности потенциалов, то единственный диэлектрик, который не приводит ни к каким потерям, — это газ под давлением. Автор работал с воздухом под огромными давлениями, но в этом направлении есть огромное количество практических трудностей. Он думает, что для того, чтобы сделать конденсаторы, имеющие значительную практическую пользу, следует использовать более высокие частоты, хотя такой план имеет помимо прочих тот недостаток, что система становится весьма неподходящей для работы моторов.

Если автор не ошибается, М-р Свинбурн предлагал способ возбуждения генератора переменного тока с помощью конденсатора. Много лет назад автор выполнил эксперименты, имевшие в виду целью получить практичный самовозбуждающийся генератор переменного тока. Он разными путями преуспел в получении определенного возбуждения магнитов посредством переменных токов, которые не переключались механическими устройствами. Тем не менее, его эксперименты выявили факт, твердый как скала Гибралтара. Никакое практическое возбуждение нельзя получить одним только периодическим изменяющимся и не переключающимся током. Причина в том, что изменения в силе возбуждающего тока вызывают соответствующие изменения в силе поля, что приводит к возбуждению токов в якоре; и эти токи являются помехой тем, которые производятся движением якоря через поле, при этом первые на четверть фазы опережают вторые. Если поле сделать ровным, не получится никакого возбуждения; если его не выравнивать, определенное возбуждение получается, но магниты нагреваются. Комбинируя два возбуждающих тока — смещенных на четверть фазы,

— можно получить возбуждение в обоих случаях, и если магниты не выровнять, эффект нагрева будет сравнительно мал, поскольку поддерживается однородность силы поля, и, если бы можно было получить совершенно однородное поле, возбуждение такого вида дало бы достаточные практические результаты. Если эти результаты должен обеспечивать конденсатор, как предложил М-р Свинбурн, то нужно скомбинировать два тока, разделенные четвертью фазы; это то же, что сказать, что обмотки якоря должны быть намотаны в две укладки и подсоединены к одному или двум независимым конденсаторам. Автор проделал некоторую работу в этом направлении, но должен отложить описание устройств до будущих времен.

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕЧАСЫ*

Если тонкий, легко вращающийся и хорошо сбалансированный диск или цилиндр поместить в соответствующий гальванический раствор посредине между анодом и катодом, то одна половина диска станет электрически положительной, а другая половина — электрически отрицательной. Благодаря этому металл осаждается на одной и удаляется с другой половины, и диск приводится во вращение под действием силы тяжести. Поскольку количество металла, который осаждается и удаляется, пропорционально силе тока, то и скорость вращения, если она будет мала, пропорциональна току.

Первый прибор такого вида заработал у меня в начале 1888 в попытках сконструировать электрометр. Узнав, однако, что меня опередили другие, по крайней мере в том, что касается самого принципа, я изобрел прибор, приведенный на прилагающейся гравюре. Здесь F — прямоугольная рамка из твердой резины, закрепленная на деревянном основании. Рамка примерно 1/2 дюйма толщиной, 6 дюймов длиной и 5 дюймов высотой. На обеих ее вертикальных сторонах закреплены толстые металлические пластины, которые служат электродами. Эти пластины жестко удерживаются на резине зажимами T Т и T1T1. На боковых сторонах рамки закреплены латунные пластины, соответственно, В и В1, той же формы, что и резиновая рамка F. Эти латунные пластины служат для того, чтобы удерживать на своем месте две пластины из полированного стекла, и если под и над каждой пластиной проложить резиновую прокладку, то сосуд герметично запечатывается. При этом пластины можно прикручивать туго, не боясь их сломать.

Гальванический раствор, который в данном случае является концентрированным раствором медного купороса, заливается внутрь через отверстие в верхней части резиновой рамки, закрывающееся затычкой R.

В центре сосуда помещается легкий и тонко сбалансированный медный диск D, ось которого поддерживается капиллярной стеклянной трубкой, прикрепленной к одной из стеклянных пластин сургучом или другим веществом, на которое не действует жидкость. Чтобы насколько возможно уменьшить трение, в капиллярной трубке, которая служит в роли подшипника, находится капелька масла. Центр диска должен быть равноудален от обоих электродов. К одной стороне оси диска прикрепляется очень легкий указатель или стрелка, лучше из стеклянного волоска. На стеклянной пластинке, которая со стороны этой стрелки, находится окружность с обычными часовыми делениями, выгравированная на ней как на циферблате часов. Эта окружность может быть подвижной, чтобы ее можно было установить в любое положение относительно стрелки. Если циферблат неподвижный, то вместе как стрелку можно использовать тонкую проволочку из отожженного железа. Проволочка должна быть размещена так, чтобы находиться точно в центре раствора. С помощью подковообразного магнита диск можно поворачивать и устанавливать в нужное положение.

The Electrical Engineer, 6 Мая 1891 г.

А-13

Аккуратно заливается медный электролит и затычка R вставляется на место, контакты батареи постоянного тока подключаются к зажимам Т и Т1, после чего время от времени наблюдается вращение диска. К другим зажимам Т и Т1 подключается шунт, и меняя сопротивление этого шунта, или другого диска, регулируется скорость вращения, пока она не будет соответствовать делениям циферблата; то есть, пока, например, не будет делаться один оборот за 12 часов.

Очевидно, данный инструмент был придуман не для практических целей. Как и то, что он не будет достаточно точным в своих показаниях. Есть определенные ошибки, которые неизбежны в принципе; например, трение, которое нельзя полностью преодолеть. Но этот прибор интересен как средство новым способом показывать время. Тем не менее, показано, что при тщательной конструкции, постоянном токе и компенсаторе температуры можно сделать так, что он будет вращаться с почти безупречно равномерной скоростью. Чтобы достичь лучших результатов, плотность тока, конечно, должна быть очень мала, и диск примерно 3 дюйма в диаметре должен делать оборот за 6 часов. Вероятно, если использовать серебряный электролит и серебряный диск, то результаты будут еще лучше.

Очень интересно наблюдать поведение электролита и диска в таком узком прозрачном сосуде. Электролит становится чисто голубым, одна сторона диска кажется серебряно белой в определенном положении, а другая половина темной как тусклое серебро. Никакой разделительной линии нет, и оттенки красиво переходят один в другой.

УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

-

Около полутора лет назад, занимаясь изучением переменных токов короткой продолжительности, мне пришло в голову, что такие токи можно было бы получать вращая

Рис. 1.

заряженные поверхности очень близко к проводникам. Соответственно, я придумал разные виды экспериментальных установок, две из которых проиллюстрированы на идущих ниже рисунках.

В приборе, показанном на Рис. 1, А — это кольцо из сухого твердого дерева, обработанного шеллаком, на внутренней стороне которого находятся два множества обкладок из оловянной фольги, a и b. Все обкладки а и все обкладки b, соответственно, соединены вместе между собой, но независимо друг от друга. Эти два множества обкладок подключены к двум контактам Т. Для ясности показаны только несколько обкладок. Внутри кольца А и совсем близко к нему установлен вращающийся цилиндр В, тоже из сухого твердого дерева, обработанного шеллаком, и на нем находятся два аналогичных множества обкладок, a1 и b1 , все обкладки а' соединены с одним кольцом, а все остальные, Л, с другим, кольца помечены + и —. Эти два множества, а' и b1 , заряжены до высокого потенциала от машины Гольца или Вимшурста, и еще могут быть подключены к банке некоторой емкости. Внутренняя сторона

* The Electrical Engineer, 6 Мая 1891 г.

А-15

кольца А покрыта слюдой, чтобы увеличить индукцию, а также для того, чтобы можно было использовать более высокие потенциалы.

Когда цилиндр В с заряженными обкладками вращается, то цепь, соединенная с контактами Т, пересекают переменные токи. Другой вид прибора показан на Рис. 2. В этом

Рис. 2.

приборе два множества обкладок из оловянной фольги наклеены на пластину из эбонита, и есть другая такая же пластина, которая вращается и обкладки которой заряжены, как на Рис. 1.

Выход такого прибора очень мал, но можно наблюдать некоторые эффекты, свойственные переменным токам с короткими периодами. Правда, их не сравнить с эффектами, получаемыми с индукционной катушкой, подключенной к машине переменного тока высокой частоты, ряд которых я недавно описывал.

4

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ВАКУУМНЫХ ТРУБКАХ*

В журнале The Electrical Engineer за 10 Июня я встретил описание некоторых экспериментов Проф. Дж. Дж. Томпсона, с "Электрическим Разрядом в Вакуумных Трубках", и в вашем выпуске от 24 Июня Проф. Элиу Томпсон описывает эксперимент того же типа. Фундаментальная идея в этих экспериментах состоит в том, чтобы создать электродвижущую силу в вакуумной трубке — предпочтительно, не содержащей внутри себя каких-либо электродов, — посредством электромагнитной индукции и таким образом возбудить трубку.

Насколько я представляю сам предмет, я склонен думать, что для любого экспериментатора, внимательно изучившего стоящую перед нами проблему и попытавшегося найти ее решение, эта идея должна выглядеть так же, как, например, идея заменить покрытия Лейденской банки из оловянной фольги на разреженный газ и возбудить свечение в получившемся в результате конденсаторе, попеременно заряжая и разряжая его. Отмечу, хотя мысль и очевидна, что какова бы ни была суть дела в данном направлении исследований, она обязательно зависит от полноты изучения предмета и правильности наблюдений. Следующие ниже строки написаны без какого-либо стремления с моей стороны увековечить себя как одного из тех, кто проделал аналогичные эксперименты, но с желанием помочь другим экспериментаторам, указав на определенные особенности наблюдаемого явления, которые, по всей видимости, не были отмечены Проф. Дж. Дж. Томпсоном, который, тем не менее, представляется вполне систематичным в своих исследованиях, и который был первым, кто обнародовал свои результаты. Отмеченные мной особенности могут показаться расходящимися со взглядами Проф. Дж. Дж. Томпсона и представить явление в другом свете.

Мои исследования в данном направлении полностью захватили меня в течение зимы и весны прошлого года. За это время было проведено много различных экспериментов, и в процессе моего обмена мыслями по этому предмету с М-ром Альфредом С. Брауном из Объединенной Западной Телеграфной Компании, было предложено множество различных вариантов расположения, которые я воплотил на практике. Рис. 1 может послужить примером одной из многочисленных форм прибора. Эта состоит из большой стеклянной трубки, запаянной с одного конца и вдающейся внутрь колбы обычной лампы накаливания. Первичная обмотка, обычно состоящая из нескольких оборотов толстой, хорошо изолированной медной полосы, вставляется внутрь трубки, а вторичную составляет внутреннее пространство колбы. К такой форме прибора я пришел после некоторого экспериментирования, и использовал ее главным образом с целью позволить мне поместить полированную отражающую поверхность на внутренней стороне трубки, и для этого последний оборот первичной обмотки был покрыт тонкой серебряной полосой. Во всех формах прибора, которые использовались, не было никаких сложностей с возбуждением светящейся сферы или цилиндра в близости от первичной обмотки.

Что касается числа витков, я не могу до конца понять, почему Проф. Дж. Дж. Томпсону потребовалось считать, что несколько витков "вполне достаточно", но чтобы не приписывать ему точку зрения, которую он мог и не иметь, я добавлю, что у меня создалось это впечатление

* The Electrical Engineer. N. Y.r 1 Июля, 1891 г.