Статьи

Тесла Никола

Разрежение также сильно влияет на ослабление диэлектрических свойств воздуха. Разрядники подобного типа я использовал в сочетании с магнитом. Для этих целей бралась большая трубка с тяжелыми электродами из углерода или металла, между которыми происходил разряд. Трубка помещалась в сильное магнитное поле. Когда разрежение, возникающее в трубке достигало определенной точки, то разряд происходил легко, но давление воздуха при этом должно было быть больше обычных 75 мм. рт. ст. В другом типе разрядника, обладающего всеми вышеупомянутыми свойствами, разряд получается при прохождении между двумя регулируемыми магнитными полюсами. При этом температура пространства между ними сохраняется повышенной.

Здесь следует заметить, что когда используется такое или любое другое прерывающее устройство и ток проходит через первичную обмотку пробивной разрядной катушки, то как правило, не целесообразно получать число прерываний тока в секунду больше чем естественная частота колебаний динамо-машины, поставляющей ток, и который обычно невелик.

Следует также заметить, что несмотря на то, что устройства, упоминаемые в связи с пробивным разрядом, удобны для использования при определенных условиях, тем не менее, иногда они могут вызывать определенные сложные, поскольку вызывают перебои колебаний, а также другие нарушения, которые следует устранять.

К сожалению в этом красивом методе преобразования тока есть недостаток, который к счастью, не является жизненно важным, и который постепенно устраняется. На мой взгляд, лучшей формой привлечения внимания к этому недостатку и описания плодотворного способа борьбы с ним, будет сравнение электрического процесса с его механическим аналогом. Описать этот процесс можно

следующим образом. Представим себе резервуар с широко раскрывающимся дном, которое закрыто благодаря давящей пружине. Но оно внезапно и резко раскрывается, как только жидкость в резервуаре достигает определенной высоты. Дадим жидкости попасть с определенной скоростью в резервуар через подающую трубу. Когда жидкость достигнет критической высоты, пружина поддается и дно резервуара открываемся. Жидкость немедленно проваливается в широкое отверстие, а пружина вновь закрывает дно. Резервуар вновь заполняется и через определенный интервал времени процесс повторяется. Понятно, что если через трубу жидкость поступает быстрее, чем способно вытечь через дно, оно будет закрыто, и резервуар будет оставаться переполненным. Если скорости подачи и вытекания равны, дно будет оставаться частично открытым. Никаких колебаний столба жидкости при этом не произойдет, хотя это и возможно, если предпринять некоторые меры. Но если входная труба подает жидкость недостаточно быстро, будут наблюдаться колебания. В этом случае всякий раз, когда крышка открывается или закрывается, пружина и столб жидкости, при достаточной гибкости пружины и инертности движущихся частей, будут вызывать независимые колебания. В этой аналогии жидкость можно уподобить электричеству или электрической энергии, резервуар — конденсатору, пружину — диэлектрику, а трубу — проводу, через который электричество поступает в конденсатор. Чтобы сделать эту аналогию совершенно полной, следует предположить, что дно при каждом его открывании, очень сильно ударяется об неэластичную преграду. Этот удар сопровождается потерей некоторого количества энергии, а кроме того происходит некоторое рассеивание энергии из-за фрикционных потерь. По предыдущей аналогии предполагается, что жидкость находится под постоянным давлением. Если предположить, что наличие жидкости в резервуаре ритмически изменяется, можно провести аналогию с переменным током. Процессы не могут считаться совершенно идентичными, но в принципе действие одинаково.

Для того чтобы сделать вибрацию экономичной, желательно, насколько это возможно, снизить ударные и фрикционные потери. Что касается последних, которым в электрической аналогии соответствуют потери из-за сопротивления цепей, то избежать их полностью невозможно, но их можно свести к минимуму соответствующим выбором размеров цепей и применением тонких проводников в форме крученых жил. Но потери энергии, вызываемые первым пробоем диэлектрика и которые в приведенном выше примере соответствуют сильному удару дна об неэластичную преграду, необходимо избегать. В момент пробоя воздушный зазор имеет очень высокое сопротивление, которое можно снизить до очень маленькой величины следующим образом: по мере увеличения силы тока, увеличивать температуру воздуха. Потери энергии должны значительно уменьшиться, если поддерживать температуру воздушного зазора очень высокой, но в таком случае не будет происходить пробивного разряда. Умеренно нагревая, пространство лампой или иным способом, мы существенно увеличим экономичность, связанную с образованием дуги. Использование магнита, или другого прерывающего устройства не снизит потерь энергии в дуге. Подобно тому, как струя воздуха только облегчает выход энергии. Воздух или газ вообще, в этом отношении ведет себя странно. Когда два тела заряжаются до очень высоких значений разности потенциалов, затем происходит пробивной разряд через воздушный зазор, то в этот момент по воздуху может распространяться любое количество энергии. Очевидно, далее эта энергия гасится материальными частицами; в результате столкновений и взаимного влияния молекул друг на друга. Обмен молекулами в пространстве происходит с невообразимой скоростью.

Когда происходит мощный разряд между электродами, они могут оставаться совершенно холодными, а потери энергии в воздухе могут достигать любых размеров. Вполне реально при большой разности потенциалов рассеять в пространство некоторую мощность через разрядную дугу так, что температура электродов не повысится. Практически все фрикционные потери энергии происходят в воздухе. Если не допускать обмен молекул в воздушной среде, например, поместить газ в герметически закрытый сосуд, то можно быстро довести газ внутри сосуда до высокой температуры даже при очень маленьком разряде. Трудно оценить, насколько много энергии теряется в звуковых волнах, как слышимых, так и неслышимых, при возникновении сильного разряда. Когда ток, проходящий через пространство между электродами велик, они могут быстро нагреться, но это не позволяет надлежащим образом измерить потери энергии в дуге, поскольку потери энергии, проходящей через зазор, могут быть сравнительно малы. Несомненно, что воздух или газ вообще, по крайней мере, при обычном давлении не являются лучшей средой, в которой может происходить пробойный разряд. Атмосферный воздух и другие газы, находясь под высоким давлением, больше подходят в качестве среды для зазора. Я провел длительные эксперименты в этом направлении. К сожалению, они тяжело осуществимы из-за трудностей и больших затрат, связанных с получением сжатого воздуха. Но даже если средой, в которой происходит разряд, являются жидкость или твердое тело, некоторые потери имеют место, хотя они и меньше чем в воздухе. На самом деле, неизвестно тело, которое бы не разрушались в дуге. Среди ученых остается открытым вопрос, может ли вообще дуговой разряд происходить в воздухе без отрыва частиц электродов. Я полагаю, что когда ток очень мал, а дуга велика, то относительно большое количество тепла расходуется при разрушении электродов, которые отчасти из-за этого могут оставаться совершенно холодными.

Идеальная среда для разрядного промежутка должна только трескается, а идеальный материал для электродов не должен разрушаться. При маленьком токе, протекающем через разрядный промежуток, наилучшим материалом для электродов является алюминий, но он не годится для большой силы тока. Пробивной разряд в воздухе, или более или менее обычных условиях не представляет собой нечто напоминающее растрескивание. Правильнее было бы сравнить его с прохождение бесчисленного количества пуль через массу, обладающую большой фрикционной устойчивость этому воздействию, что сопровождается значительной потерей энергии. Среда, которая должна только трескаться при электростатическом напряжении, а это возможно в случае абсолютного вакуума, такая как чистый эфир, должна вызывать очень небольшие потери в разрядном пространстве, настолько маленькие, что ими можно пренебречь. Поэтому, по крайней мере, теоретически, растрескивание может произойти в результате очень малого смещения. В продолговатой вакуумной лампе, снабженной двумя алюминиевыми клеммами, действуя с большой осторожностью, я преуспел в получении такого вакуума, что вторичный разряд пробивной разрядной катушки проходил через лампу в виде тонких потоков искр. Любопытно, что разряд полностью игнорировал клеммы и начинался на двух алюминиевых пластинках, которые служили электродами. Такой, почти полный вакуум может поддерживаться в течение очень короткого промежутка времени. Возвращаясь к идеальной среде, представьте для наглядности кусочек стекла или похожего материала, зажатого в тиски и сжимаемого все больше и больше. В определенный момент времени усиливающееся давление заставит стекло треснуть. Потери энергии при разбиении стекла практически ничтожны, хотя сила приложена большая. Теперь представьте, что стекло обладает свойством восстанавливаться после уменьшения давления. Так ведет себя диэлектрик в разрядном пространстве. Но ввиду того, что должны происходить некоторые потери в разрядном пространстве, среда, которая должна быть постоянной, должна пропускать разряд с большой скоростью. В предыдущем примере стекло хорошо закрыто, это означает, что диэлектрик в разрядном пространстве обладает хорошей изолирующей способностью. Когда стекло трескается, то это сигнализирует о том, что среда в разрядном пространстве стала хорошим проводником. Диэлектрик должен очень существенно менять свое сопротивление в зависимости от изменений электродвижущей силы в разрядном пространстве.

Это состояние было достигнуто, но очень несовершенным способом: нагреванием воздуха до определенной критической температуры, которая зависит от ЭДС, проходящей через разрядное пространство. Но дело в том, что воздух не обеспечивает пробивной разряд, при резких изменениях этого условия. В частности, резкому всплеску тока всегда предшествует слабый ток, который сначала повышается постепенно, а затем относительно быстро. Вот почему период изменения значительно выше, при пробое, например, через стекло, нежели через воздух, или иной материал со схожими диэлектрическими свойствами. Поэтому, в качестве среды для прохождения разряда, предпочтительнее выбирать твердое тело или даже жидкость. Трудносебе представить твердое тело, которое обладает способностью восстанавливаться после растрескивания. Но жидкость, особенно под высоким давлением, фактически обладает свойствами, присущими твердому телу, но при этом не трескается. Следовательно, жидкий изолятор может быть

более подходящим диэлектриком, чем воздух. Следуя этой идее, было проведены испытания большого количество различных типов разрядных устройств, в которых использованы такие изоляторы, иногда даже при большем давлении. Мне представляется важным более подробно остановиться на одном из устройств, использованных в эксперименте. Одно из таких разрядных устройств изображено на Рис. 4а и 4Ь. Полый металлический шкив Р(Рис. 4а) закреплен на валу а,который вращается со значительной скоростью. Внутри шкива, но не соприкасаясь с ним, расположен тонкий диск h (который для большей наглядности показан толстым). Диск закреплен в прочной резиновой форме, в которую вставлены два металлических сегмента S S,с металлическими удлинителями е е,в ввинчены проводящие клеммы tt, покрытые толстыми трубками из прочной резины tt. Резиновый диск hс его металлическими сегментами S Sобработан на токарном станке и вся его: поверхность отполирована так, чтобы исключить любое возможное фрикционное сопротивление при движении в жидкости. В полости шкива находится изолирующая жидкость, которая разлита тонким слоем так, что достигает открытой стороны фланца "f", который плотно ввинчен во внешнюю поверхность шкива. Контакты tt, подключены к противоположным контактам батареи конденсатора так, чтобы разряд проходил через жидкость. Когда шкив вращается, жидкость растекается против обода шкива и ее давление значительно усиливается. Таким простым способом разрядное пространство заполняется средой, поведение которой практически подобно твердому веществу, и которая обладает качеством немедленно заполнять возникающие трещины. Кроме того, она циркулирует через разрядное пространство с большой скоростью. Очень сильные эффекты были получены с использованием разрядных устройств этого типа с жидкостными прерывателями самых разных форм. Как и ожидалось, обнаружилось, что при определенной длине провода получалась искра, длина которой превосходила длину искры в случае, когда в качестве прерывающего устройства использовался воздух. Обычно в типе описанного выше разрядного устройства скорость и соответственно, | давление жидкости ограничены по причине трения жидкости. Но практически получаемая I скорость более чем достаточна для получения числа прерываний, подходящих для обычно используемых цепей.

В таких случаях металлический шкив Рснабжался выступами, направленными внутрь, и по скорости вращения шкива можно было подсчитать получившееся число прерываний. Кроме того, продолжались эксперименты с жидкостями различной изолирующей способности, с целью снизить потери мощности в дуге. Когда изолирующая жидкость умеренно нагревалась, уменьшались и потери мощности в дуге.

В экспериментах с различными разрядными устройствами этого типа была отмечена важная деталь. Например, было обнаружено, что поскольку созданные условия благоприятны для образования искр большой длины, получающийся таким образом ток не лучшим образом подходит для получения световых эффектов. Опыт показал, что для таких целей больше подходит гармоническое повышение и понижение потенциала. Будь то твердое тело, которое раскалено или фосфоресцирует, будь то энергия, передаваемая катушкой конденсатора через стекло, совершенно ясно, что гармоническое повышение и понижение потенциала действует менее разрушительно, а вакуум удерживается более длительное время. Это легко объясняется тем, что идущий в вакууме процесс имеет электролитическую природу.

На схеме, изображенной на Рис. 1, на которую я уже ссылался, проиллюстрированы Наиболее часто встречающиеся на практике случаи. Имеется ток, постоянный или переменный, получаемый от источника электроснабжения. Для экспериментатора в изолированной лаборатории подходит использование описанной выше машины G,которая может вырабатывать оба вида тока. Кроме того, предпочтение отдается этой машине потому, что экспериментатор использует большое количество электрических схем, а также потому, что она может оказаться полезной и удобной в случаях, когда требуется менять направление тока в разных фазах эксперимента. На схеме Dпредставляет собой цепь прямого, а А— цепь переменного тока. В каждой из них показаны три ответвления цепи, каждое из которых снабжено двойным переключателем линии S S S S S S.Сначала рассмотрим преобразование постоянного тока; 1а представляет собой простейший случай. Если ЭД С генератора достаточна для пробоя небольшого воздушного пространства, по крайней мере, когда последний нагревается или иным способом понижается его изоляция, то в этом случае не составляет особого труда поддерживать вибрацию с хорошей экономичностью, правильно регулируя емкость, самоиндукцию и сопротивление цепи L,содержащей устройства ll m. В этом случае магнит N Sможно с успехом объединить с воздушным пространством. Разрядное устройство d dс магнитом может быть расположено любым из способов, указанных на схеме жирной, или пунктирной линиями. Цепь 1а с соединениями и устройствами предполагает наличие показателей, пригодных для получения и поддерживания колебаний. Обычно ЭД С в цепи или в ответвлении 1а составляет 100 вольт или около того. Этого недостаточно, чтобы произошел пробой через разрядное пространство. Для исправления этого недостатка можно использовать много различных способов, повышая ЭД С через разрядное пространство. Возможно, что простейшим из них является последовательное включение большой катушки самоиндукции к цепи L.При возникновении дуги, например, через разрядное устройство, изображенное на Рис. 2, магнит тут же выдует ее. Теперь дополнительный ток разряда с большой ЭД С пробьет пространство и вновь создается путь с низким сопротивлением для прохождения тока от динамо-машины. Это вызовет внезапный всплеск тока, идущего от динамо-машины воздействие тока, идущего из динамо-машины и ослабление возмущение излишнего тока. Этот процесс повторяется очень быстро. Таким образом, мне удалось поддерживать колебания через разрядное пространство на уровне 50 вольт и даже меньше. Но такое преобразование не рекомендуется по причине слишком сильного тока, проходящего через зазор, и возникающего в результате этого нагревания электродов. Кроме того, полученная таким образом частота очень низка из-за высокого уровня самоиндукции, возникающей в цепи. Очень желательно чтобы ЭДС была как можно больше, во-первых для тог, чтобы увеличить экономичность преобразования, а во- вторых, чтобы получить высокую частоту. Конечно, разность потенциалов в этих электрических осцилляциях приравнивается к силе натяжения в механических колебаниях пружины. Чтобы получить очень быструю вибрацию в цепи с некоторой инерцией, необходима большая сила натяжения или разность потенциалов. Между прочим, когда ЭД С очень велика, возникает необходимость в использовании конденсатора, который обычно используется в цепях, но емкость его должна быть небольшой. Это даст дополнительные преимущества.

Для того, чтобы увеличить ЭД С до значений во много раз превышающих те, которые получают при обычном распределении тока, используют вращающийся трансформатор gтак, как показано на I la, либо включают другую машину с высокой разностью потенциалов для того, чтобы мотор работал от генератора G.Последний способ предпочтителен, так как эти изменения легко внести и применить. Подключения высоковольтных проводов похожи на подключения в ответвлении 1а, за исключением того, что конденсатор С,который должен быть регулируемым, подключен к цепи высокого напряжения. Также в эксперименте обычно используют катушку с регулируемой самоиндукцией, которую последовательно включают в цепь. Когда напряжение тока очень велико, обычно применяют магнит в соединении с разрядным устройством, сравнительно малой мощности. Варьируя размерами цепи легко установить параметры, при которых поддерживаются колебания. Использование постоянной ЭД С в высокочастотных преобразованиях имеет некоторые преимущества по сравнению с использованием переменной ЭДС: более простая регулировка и контроль значений ЭДС. Но, к сожалению, величина ЭД С ограничивается величиной получаемого напряжения. Обмотка также может быть легко повреждена от воздействия искр, которые возникает между частями якоря, или коммутатора при очень большой осцилляции. Кроме того, такие трансформаторы дороги в изготовлении. Как показывает опыт, лучше придерживаться схемы, изображенной на рис. III а. В этом устройстве использован вращающийся трансформатор gдля преобразования постоянного тока низкого напряжения в переменный низкочастотный ток, преимущественно тоже с низким напряжением. Напряжение тока затем повышается в стационарном трансформаторе Т.Вторичная обмотка Sтрансформатора подключена к регулируемому конденсатору С, который разряжается через зазор, или разрядник d d,и может располагаться одним из указанных на схеме способов. Также как и в предыдущих случаях, ток высокой частоты получают со вторичной обмотки Sпробивной разрядной катушки. Это, несомненно, самый дешевый и наиболее удобный способ преобразования постоянного тока.