Научные и технические статьи
ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ТОКОВ ОЧЕНЬ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ*
Журналы по электричеству становятся все более и более интересными. Каждый день наблюдаются новые факты и встают новые проблемы, овладевающие вниманием инженеров. В последних номерах английских журналов, особенно в Electrician, было поднято несколько новых вопросов, которые привлекли к себе более чем просто обычное внимание. Выступление Профессора Крукса оживило интерес к его красивым и искусно выполненным экспериментам, эффект, наблюдавшийся на электросетях Ферранти, побудил выразить свои мнения нескольких ведущих Английских электротехников, а М-р. Свинбурн указал на некоторые интересные моменты в связи с конденсаторами и возбуждением в динамо.
Собственные знания и опыт автора побудили его отважиться на некоторые замечания по этим и другим вопросам в надежде, что эти замечания дадут какую-нибудь полезную информацию читателю или наведут его на размышления.
Среди своих многочисленных экспериментов Профессор Крукс демонстрирует ряд опытов с трубками без внутренних электродов, и из его замечаний можно сделать вывод, что полученные с этими трубками результаты довольно необычны. Если это так, то автор должен выразить свои сожаления о том, что Профессор Крукс, чья превосходная работа восхитила каждого исследователя, не воспользовался в своих экспериментах машиной переменного тока, сконструированной должным образом, — а именно, такой, которая дает, скажем, 10,000 — 20,000 перемен тока в секунду. Тогда его исследования этого сложного но пленительного предмета были бы [гораздо] полнее. Конечно, это правда, что при использовании такой машины, подключенной к индукционной катушке, отличительные особенности электродов, — что во многих экспериментах если и не необходимо, то желательно, — теряются, и в большинстве случаев оба электрода ведут себя схожим образом. Но, с другой стороны, экспериментатор получает возможность произвольно усиливать эффекты. Когда используется вращающийся переключатель или коммутатор, достижимая частота переключений постоянного тока ограничена. Когда коммутатор вращается быстрее, первичный ток-ослабевает, а если ток увеличивать, то искрение, которое нельзя полностью преодолеть конденсатором, портит прибор. Ни одного из этих ограничений нет, если применять машину переменного тока, потому что можно достичь любой желаемой частоты изменения в первичном токе. Таким путем возможно получить чрезвычайно большую электродвижущую силу во вторичной цепи при относительно небольшом первичном токе, и помимо того, можно вполне полагаться на безупречную исправность работы прибора.
Попутно автор также отметит, что любой, кто будет пытаться сконструировать такую машину в первый раз, сможет потом написать целое сказание о своих мытарствах. Само собой разумеется, он сначала начнет делать якорь с нужным количеством полярных выступов. После чего получит удовлетворение от того, что создал прибор, который вполне подойдет для аккомпанемента в опере Вагнера. Кроме того, он сможет по ходу дела овладеть добродетелью преобразования механической энергии в тепло почти что в совершенстве. Если будет обращение полярности полюсов, то он будет получать тепло от машины; если обращения не будет, нагрев будет меньше, но и выхода почти не будет. Он после этого откажется от железа в якоре, и попадет от Сциллы к Харибде. Он будет ожидать одной трудности, а сталкиваться с другой, но после нескольких попыток он сможет получить почти то, что хотел.
Среди большого числа экспериментов, которые можно провести с такой машиной, не последний интерес представляют опыты с индукционной катушкой высокого напряжения. Характер разряда полностью меняется. Дуга устанавливается на гораздо больших расстояниях, и на нее столь легко влияет самый слабый поток воздуха, что часто она извивается самым причудливым образом. Она обычно издает ритмический звук, свойственный дугам переменного тока, но любопытно, что этот звук можно слышать при числе перемен намного выше десяти тысяч в секунду, что многими считается [приблизительной] границей слышимости. Катушка во многих отношениях ведет себя как статическая машина. Острия существенно уменьшают ее разрядный промежуток, потому что электричество свободно стекает с них, а от присоединенного к одной из клемм провода исходят потоки света, как если бы он был соединен с полюсом мощной машины Теплера. Все эти явления возникают, безусловно, главным образом благодаря получаемой огромной разности потенциалов. Вследствие самоиндукции катушки и высокой частоты ток незначителен, тогда как напряжения соответствующий рост есть. Импульс тока определенной силы, начавшийся в такой катушке, продолжает течь не менее четырех десятитысячных секунды. Поскольку это время больше, чем половина периода, то получается, что противоположная электродвижущая сила начинает действовать в то время, пока ток еще течет. И как следствие этого, напряжение растет как давление в заполненной жидкостью трубе, которая быстро вибрирует относительно своей оси. Ток настолько мал, что, по мнению и невольному опыту автора, разряд даже очень большой катушки не может причинить сколько- нибудь серьезного вреда, тогда как в случае, если та же самая катушка будет работать под током меньшей частоты, то, хотя электродвижущая сила и будет гораздо меньше, разряд ее будет несомненно весьма вредоносным. Этот эффект, однако, лишь частично обусловлен высокой частотой. Опыт автора говорит о том, что чем больше частота, тем больше количество | электрической энергии, которое может пройти через тело человека без серьезного дискомфорта; откуда представляется необходимым вывод, что человеческие ткани действуют как конденсаторы.
Экспериментатор не вполне готов к поведению катушки, подсоединенной к Лейденской банке. Он, конечно, ожидает, что из-за высокой частоты емкость банки должна быть маленькой. Поэтому он берет очень маленькую банку, размером примерно с небольшой стакан для вина, но обнаруживает, что даже с такой банкой катушка практически оказывается замкнутой накоротко. Тогда он уменьшает емкость, пока не доходит приблизительно до емкости двух сфер, скажем, десяти сантиметров в диаметре и на расстоянии два — четыре сантиметра. Тогда разряд принимает форму зазубренной ленты, которая выглядит в точности как последовательность искр, наблюдаемая в быстро вращающемся зеркале; зубцы, конечно, соответствуют разрядам конденсатора. В этом случае экспериментатор может наблюдать странный эффект. Разряд начинается в ближайших [друг к другу] точках, постепенно нарастает, прерывается где-то в районе верха сфер, начинается вновь внизу и так далее. Это происходит так быстро, что несколько зазубренных лент видны одновременно. Это может озадачить на несколько минут, но объяснение достаточно просто. Разряд начинается в ближайших точках, воздух нагревается и поднимает дугу вверх, пока она не прервется, тогда! она вновь устанавливается в ближайших точках, и т. д. Поскольку ток легко проходит через конденсатор малой емкости, естественным будет то, что подсоединение только одного контакта к телу того же размера, не важно насколько хорошо изолированного, заметно уменьшает расстояние пробоя дуги.
Отдельный интерес представляют опыты с трубами Гейсслера. Откачанная трубка, не содержащая в себе каких-либо электродов, на некотором расстоянии от катушки будет светиться. Если трубка от вакуумного насоса идет рядом с катушкой, то весь насос ярко светится. Поднесенная к катушке лампа накаливания начинает светиться и ощутимо нагревается. Если контакты лампы подсоединены к одной из клемм катушки, и к колбе лампы приблизить руку, то возникает очень любопытный и весьма неприятный разряд от стекла к руке, при этом нить [лампы] может раскалиться. Этот разряд в определенной степени сходен с потоком, исходящим от пластин мощной машины Тэплера, но несравненно больше по величине. Лампа в этом случае работает как конденсатор, разреженный газ является одной обкладкой, а рука человек — другой. Когда колбу лампы берут в руку и приближают металлические контакты или приводят их в контакт с проводником, соединенным с катушкой, уголь ярко раскаляется и стекло быстро нагревается. Со 100-вольтовой лампой в 10 свечей можно без особых неудобств выдержать ток, достаточный для того, чтобы лампа ярко засветилась; но продержать ее в руке можно только несколько минут, потому что стекло разогревается за необычайно короткое время. Когда трубка загорается при приближении ее к катушке, ее можно погасить, если поместить металлическую пластину в руке между катушкой и трубкой; но если металлическую пластину закрепить на стеклянной палочке или еще как-нибудь изолировать, трубка будет продолжать светиться и тогда, когда внесут пластину, или даже может начать светиться еще ярче. Этот эффект зависит от положения пластины и трубки относительно катушки, и его легко предсказать, предположив, что имеет место проводимость между одним контактом катушки и другим. В зависимости от положения пластины она может или отводить ток от трубки, или направлять его к ней.
В другом направлении своей работы автор часто во время экспериментов заставлял лампы накаливания на 50 и 100 вольт гореть с любой [световой] силой, когда оба контакта каждой лампы подключались к толстому медному проводу длиной не более нескольких футов. Эти эксперименты представляются достаточно интересными, но не более, чем тот странный эксперимент Фарадея, воскрешенный и много раз исполненный недавними исследователями, в котором разряд заставляют бить между двумя концами согнутого медного провода. Этот эксперимент можно повторить и здесь, что представляется столь же интересным. Когда трубку Гейсслера, контакты которой соединены медным проводом, подносят к катушке, определенно никто не будет готов увидеть, что трубка начнет светиться. Достаточно любопытно, что она светится, и еще более того, что провод особенного влияния не оказывает. В первый момент можно подумать, что к этому явлению какое-то отношение имеет сопротивление провода. Но конечно же, это сразу отклоняется, потому что для этого нужна огромная частота. Этот эффект кажется загадочным только сначала; поразмыслив, становится достаточно ясно, что провод особой разницы не делает. Это можно объяснить более чем одним способом, но вероятно наилучшим образом согласуется с наблюдениями то предположение, что присутствует проводимость от контактов катушки через пространство. При этом предположении, если трубку с проводом держать в любом положении, то провод может отбирать не намного более, чем тот ток, который течет через пространство, занятое проводом и металлическими контактами трубки; через прилегающее пространство ток течет практически без возмущения. По этой причине, если трубку держать в любом положении под прямыми углами к линии, соединяющей клеммы катушки, провод вообще вряд ли оказывает какое-либо влияние, но в положении более или менее параллельном этой линии он до определенной степени влияет на яркость трубки и ее способность загораться. Исходя из того же предположения можно объяснить и многие другие явления. В частности, если концы трубки снабдить щетками достаточной величины и держать на линии, соединяющей контакты катушки, она не загорается, и тогда почти весь ток, который иначе бы тек однородно через пространство между щетками, отводится через провод. Но если трубку в достаточной степени наклонить по отношению к этой линии, она загорается несмотря на щетки. Также, если металлическую пластину закрепить на стеклянной палочке и держать под прямыми углами к линии, соединяющей клеммы, и ближе к одному из них, то трубка, расположенная более или менее параллельно этой линии, мгновенно загорится, когда один из контактов коснется пластины, и погаснет, когда [контакт] отделится от пластины. Чем больше размер пластины, до определенного предела, тем легче трубка загорается. Когда трубка располагается под прямыми углами к линии, соединяющей клеммы, а отом поворачивается, ее яркость растет, пока она не станет параллельна этой линии. Автор должен, однако, отметить, что он не поддерживает идею утечки или тока через пространство более, чем как удобное объяснение, потому что убежден, что все эти эксперименты не могли бы быть выполнены со статической машиной, дающей постоянную разность потенциалов, и что большое отношение к этим явлениям имеет эффект конденсатора.
При работе с катушкой Румкорфа с быстро меняющимися токами следует принять определенные предосторожности. Первичный ток не следует включать слишком надолго, иначе катушка может стать настолько горячей, что расплавит гуттаперча или парафин, или еще как- нибудь повредит изоляции, и это может произойти на удивление быстро, учитывая силу тока. При включенном первичном токе контакты обмотки тонкого провода можно соединять без особого риска, поскольку сопротивление настолько велико, что трудно вызвать ток через тонкую обмотку, достаточный, чтобы как-либо его повредить, и на самом деле, катушка в целом I может находиться в гораздо большей безопасности, когда контакты тонкого провода | соединены, нежели когда они изолированы; однако особенно осторожным надо быть, когда контакты подключаются к Лейденской банке, потому что где-нибудь в районе критической емкости, которая противодействует самоиндукции при существующей частоте, катушку может постигнуть судьба Св. Поликарпа. Если дорогой вакуумный насос начинает светиться, находясь вблизи катушки или касаясь провода, подключенного к одному из контактов, ток можно оставить только на несколько кратких моментов, иначе стекло потрескается из-за нагревания разреженного газа в одном из узких мест — по собственному опыту автора quod crat demonstrandum'.
Есть много других интересных моментов, которые можно наблюдать в связи с такой машиной. Эксперименты с телефоном, проводником в сильном поле или с конденсатором или дугой, свидетельствуют о том, что можно воспринимать звуки далеко за верхними пределами общепринятых пределов слышимости. Телефон издает ноты [с частотами] от двенадцати до тринадцати тысяч колебаний в секунду, далее начинает сказываться неспособность сердечника следовать столь быстрым переменам. Однако, если магнит и сердечник заменить конденсатором, а контакты подсоединить к высоковольтной вторичной обмотке трансформатора, все еще будет слышно более высокие ноты. Если ток направить вокруг тонко покрытого сердечника и аккуратно держать небольшой кусочек тонкого листа железа непосредственно вблизи сердечника, звук еще можно слышать при количестве перемен от тринадцати до четырнадцати тысяч в секунду, если ток достаточно сильный. Помимо этого, небольшая катушка, плотно втиснутая между полюсами мощного магнита, будет при вышеуказанном количестве перемен издавать звук, а дуги можно слышать и при более высокой частоте. Предел слышимости оценивается разными способами. В работах Сэра Томпсона где- то указывается, что предел — это десять тысяч в секунду или около того. Другие, но менее надежные, источники определяют его как двадцать четыре тысячи в секунду. Описанные выше эксперименты убедили автора, что звуки с несравненно более высоким числом вибраций в секунду можно было бы воспринять, если бы их можно было произвести с достаточной мощностью. Нет никакой причины, по которой это не должно было бы быть так. Уплотнения и разрежения воздуха обязательно вызовут соответствующую вибрацию диафрагмы, и это вызовет определенное ощущение, какова бы ни была — конечно, в определенных пределах, — скорость передачи сигнала к нервным центрам, хотя вполне вероятно, что ухо по бедности опыта не будет способно различить такие звуки. С глазом дело обстоит по-другому; если чувство зрения, как многие считают, основано на некотором эффекте резонанса, никакое количественное увеличение интенсивности эфирной вибрации не сможет расширить наши границы видимости в любую из сторон спектра.
') Что и требовалось доказать (лат. — пп.) — Думаю, нужно отметить, что хотя индукционная катушка может дать довольно хороший результат при работе со столь быстро переключающимися переменными токами, тем не менее ее конструкция, почти безотносительно к железному сердечнику, делает ее весьма непригодной для столь высоких частот, и для получения лучших результатов конструкцию следует сильно модифицировать. (прим. авт.)
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.
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, и используется 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 поддерживается, а электродвижущая сила с числом устройств меняется. Изменение фазы вторичного тока — это просто результат, следующий из изменений в сопротивлении, и, хотя вторичная реакция всегда более или менее важна, тем не менее реальная причина регулировки лежит в наличии вышеперечисленных условий. Следует, однако, указать, что в случае машины данные выше замечания должны ограничиваться случаями, когда машина возбуждается независимо. Если возбуждение выполняется посредством коммутации тока якоря, то фиксированное положение щеток делает любое смещение нейтральной линии чрезвычайно важным, и не следует считать нескромным со стороны автора отметить, что насколько позволяют записи, представляется, что он был первым, кто успешно отрегулировал машины, обеспечив шунтирующее соединение между точкой внешней цепи и коммутатором посредством третьей щетки. Когда якорь и поле надлежащим образом спропорционированны, и щетки размещены в определенных для них положениях, постоянный ток или постоянный потенциал получается в результате сдвига диаметра коммутации через изменение нагрузок.
В связи с машинами таких высоких частот конденсатор позволяет провести очень интересное исследование. Легко увеличить электродвижущую силу такой машины в четыре или! пять раз по величине просто подключив к цепи конденсатор, и автор постоянно использовал
такой конденсатор для регулировки, как предлагает Блэксли в своей книге по переменным токам, в которой он с изысканной простотой и легкостью рассмотрел наиболее часто возникающие проблемы с конденсатором. Высокая частота позволяет использовать малые емкости и делает исследование несложным. Тем не менее, хотя результат большинства экспериментов легко можно предсказать, некоторые явления сначала кажутся удивительными. Примером может послужить один эксперимент, проведенный три или четыре месяца назад с такой машиной и конденсатором. Использовавшаяся машина давала около 20,000 перемен в секунду. Два оголенных провода примерно двадцати футов длиной и двух миллиметров в диаметре, расположенные вблизи друг друга, были одним концом подключены к контактам машины, а другим — к конденсатору. Использовался небольшой трансформатор, конечно, без железного сердечника, чтобы привести показания в диапазон вольтметра Кардью, который подключался ко вторичной обмотке. На контактах конденсатора электродвижущая сила была примерно 120 вольт, откуда дюйм за дюймом постепенно снижалась до 65 вольт на контактах машины. Это было практически так же, как если бы конденсатор был генератором, а провод и цепь якоря — просто подключенным к нему сопротивлением. Автор искал случай резонанса, но не смог увеличить эффект ни посредством аккуратного и постепенного варьирования емкости, ни посредством изменения скорости машины. Случая полного резонанса достичь не; удалось. Когда конденсатор был подключен к контактам машины — при этом сначала была определена самоиндукция якоря в максимальном и минимальном положении и взято среднее! значение, — емкость, которая давала наибольшую электродвижущую силу, ближе всего соответствовала той, которая просто противодействовала самоиндукции при данной частоте. Если емкость увеличивалась или уменьшалась, электродвижущая сила как и ожидалось, падала.
При столь высоких частотах как те, что упомянуты выше, эффекты конденсатора очень важны. Конденсатор становиться очень эффективным прибором, способным передавать значительную энергию.
Автор считал, что машины высокой частоты могут найти применение по крайней мере в случаях, когда не предполагается передача на большие расстояния. С помощью конденсаторов можно уменьшить рост сопротивления в проводниках и увеличить в устройствах, если нужны эффекты нагрева, можно сделать трансформаторы более эффективными, добиться более высоких мощностей и достичь значительных результатов. Работая с машинами высокой частоты автор смог наблюдать эффекты от использования конденсаторов, которые в противном случае могли избежать его внимания. Его очень заинтересовало явление, наблюдавшееся на электросети Ферранти, о котором так много говорили. Мнения высказывали знающие электротехники, но кажется, вплоть до настоящего дня все пока еще находятся в догадках. Без сомнений, в высказанных взглядах должна содержаться истина, но поскольку мнения различаются, часть из них должна быть ошибочной. Когда автор увидел диаграмму Ферранти в Электротехнике за 19 Декабря, у него сложилось мнение об этом эффекте. За отсутствием всех необходимых данных он должен удовлетвориться тем, что опишет на словах процесс, который, как он считает, несомненно и должен был происходить. Конденсатор привносит два эффекта: (1) Он меняет фазы токов в цепях; и (2) он меняет силу токов. Что касается изменений фазы, действие конденсатора состоит в том, что оно ускоряет ток во вторичной цепи в Дептфорде и замедляет в первичной в Лондоне. Первое влечет уменьшение самоиндукции в первичной в Дептфорде, а это означает меньшую электродвижущую силу динамо. Замедление в первичной цепи в Лондоне, если говорить только о фазе, имеет незначительный эффект или вообще никакого, потому что фаза тока во вторичной цепи в Лондоне не поддерживалась постоянной.
Далее, вторым эффектом конденсатора является увеличение тока в обеих цепях. Неважно, равны эти токи или нет; но необходимо сказать, чтобы увидеть важность Дептфордовского повышающего трансформатора, что увеличение тока в обеих цепях вызывает обратные эффекты. В Дептфорде это означает дальнейшее снижение электродвижущей силы в первичной цепи, а в Лондоне это означает повышение электродвижущей силы во вторичной. Таким образом, всё содействует появлению наблюдавшегося эффекта. Когда динамо подключено к сети непосредственно, можно увидеть, что никакого подобного эффекта происходить не может.
Автора особенно заинтересовали предположения и взгляды, выраженные М-ром Свинбурном. М-р Свинбурн часто оказывал ему почтение, не соглашаясь с его взглядами. Три года назад, когда автор, против преобладающего мнения инженеров, продвигал трансформатор с открытой цепью, М-р. Свинбурн был первым, кто критиковал его, когда писал в Electrician: "Этот трансформатор (Теслы) обязан быть неэффективным; его магнитные полюса вращаются, и поэтому у него не замкнута магнитная цепь". Два года спустя М-р Свинбурн становится поборником трансформатора с открытой цепью, и предлагает преобразовать его. Впрочем, tempora mutantur, et nos mutamur in illis^.
Автор не может поверить в теорию реакции якоря, изложенную в Industries, хотя несомненно в ней есть доля истины. Но толкование М-ра Свинбурна столь широко, что может означать что угодно.
М-р Свинбурн, кажется, был первым, кто привлек внимание к нагреванию конденсаторов. Изумление, выраженное по этому поводу талантливейшим электротехником — это поразительная иллюстрация желательности проведения экспериментов в большем масштабе. Научный исследователь, который имеет дело с мельчайшими величинами, кто наблюдает слабейшие эффекты, заслуживает доверия гораздо большего, нежели тот, кто экспериментирует с аппаратурой индустриального масштаба. На самом деле история науки увековечивает примеры непостижимого мастерства, терпения и проницательности исследований. Но каково бы ни было мастерство, какова бы ни была острота понимания исследователя, они могут только выиграть от увеличения эффекта, тем самым способствуя изысканиям. Если бы Фарадей выполнил хотя бы один из своих экспериментов по динамической индукции в большем масштабе, это могло бы принести неисчислимую выгоду.
По мнению автора, нагревание конденсаторов вызывается тремя различными причинами: первая — утечка или проводимость; вторая — несовершенство упругости диэлектрика, и третье — волнение зарядов в проводнике.
Во многих экспериментах автор сталкивался с проблемой передачи наибольшего возможного количества энергии через диэлектрик. Например, он делал лампы накаливания, в которых конца нитей накала были полностью запаяны в стекло, но подключены к обкладкам внутреннего конденсатора, так что всю энергию нужно было передавать через стекло при площади поверхности конденсатора не больше нескольких квадратных сантиметров. Эти лампы при достаточно высоких частотах имели бы практический успех. При переменах на уровне 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.
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ ЧАСЫ*