В данных экспериментах для преобразования токов низкого напряжения в токи высокого использовались катушки индуктивности, рассчитанные на высокое напряжение, или подобные им устройства.
Если к результатам, которые я получил, у вас возникнет интерес столь сильный, что вы начнете сами ставить опыты; если вы будете убеждены в истинности приведенных мною аргументов, вашей задачей станет создание высоких частот и высоких потенциалов, иными словами, мощных электростатических эффектов. Тогда вы столкнетесь со многими трудностями, преодолев которые, вы сможете достичь действительно удивительных результатов.
Сначала возникнет проблема с тем, как получить требуемую частоту при помощи механического устройства, а если она будет получена другим путем, возникнут другие препятствия. Затем выяснится, что трудно обеспечить надлежащую изоляцию, не увеличивая значительно размеры аппаратуры, ибо мы имеем дело с высокими потенциалами: скорость изменения направления приводит к определенной проблеме с изоляцией. Так, например, если присутствует газ, может произойти разряд из-за его молекулярной бомбардировки и последующего нагрева, несмотря на то что вы можете использовать изоляционный материал, такой, как стекло, твердую резину, фарфор, сургуч, и т. д. толщиной в целый дюйм; фактически вас не спасет ни один из ныне известных изоляторов. Таким образом, главное требование при организации изоляции — удалить какой бы то ни было газ полностью.
В целом, мой опыт показывает, что тела, обладающие наиболее высокой удельной диэлектрической проницаемостью, например стекло, являются слабым изолятором по отношению к другим материалам, которые, будучи хорошими изоляторами, имеют гораздо меньшую удельную диэлектрическую проницаемость, например, масла, и, без сомнения, диэлектрические потери у первых гораздо выше. Трудности изолирования, конечно, возникают тогда, когда потенциалы чересчур высоки, ибо потенциалы, скажем, в несколько тысяч вольт, не создают — проблемы, когда надо передать ток от машины, выдающей, например, 20 000 колебаний в секунду, на приличное расстояние. Это число колебаний, однако, слишком мало для того, чтобы быть использованным во многих целях, хотя и достаточно для практического применения. К счастью, проблема изоляции не является жизненно важной; она оказывает влияние только на размеры аппаратуры, ибо, когда мы используем чересчур высокие потенциалы, приборы — источники света — будут располагаться недалеко от нее, а часто и в непосредственной близости. Поскольку потери зависят от емкости конденсатора, их можно свести к минимуму за счет использования очень тонкого провода в толстой оплетке.
Следующей трудностью может оказаться емкость и самоиндукция, обязательно присутствующие в катушке. Если обмотка велика, т. е. велика длина провода, она в целом непригодна для сверхвысоких частот; если она мала, то ее легко приспособить для таких частот, но тогда потенциал не будет достаточно высоким. Хороший изолятор, имеющий низкую удельную диэлектрическую проницаемость, дает двоякое преимущество. Во-первых, он дает нам возможность сконструировать очень маленькую катушку, способную выдерживать огромную разницу потенциалов, а во-вторых, маленькая катушка, по причине ее малой емкости и самоиндукции, способна производить более быстрые и интенсивные колебания. Таким образом, я придаю далеко не малое значение проблеме создания катушки или прибора индуктивности, обладающего требуемыми качествами, и она занимала меня довольно длительное время.
Исследователь, решивший повторить опыты, которые я собираюсь описать, с машиной переменного тока, способной выдавать ток необходимой частоты, и катушкой индуктивности, поступит правильно, если вынесет первичную обмотку вне, а вторичную расположит так, чтобы она находилась на трубке, через которую он может смотреть. Тогда появится возможность наблюдать стриммеры, направляющиеся от первичной обмотки к изоляционной трубке, и по их интенсивности можно определить, какое напряжение подать на обмотку. Без такой меры предосторожности он неминуемо повредит изоляцию. Эта конструкция, однако, в целях эксперимента позволяет легко заменить первичную обмотку.
Какой тип машины выбрать для определенной цели — оставим судить экспериментатору. Здесь представлены три различных типа машин, которые, помимо других, я использовал в своих опытах.
На рисунке 1 показана машина, которую я использовал в опытах в этом институте. Возбуждающий магнит представляет собой кольцо, изготовленное из ковкого чугуна, с 384 зубцами. Якорь состоит из стального диска, к которому крепится тонкий, тщательно приваренный обод также из ковкого чугуна. Вокруг обода намотан в несколько слоев хорошо обожженный железный провод, который при обматывании пропускали через шеллак. Провода якоря намотаны на медные шпильки, покрытые обмоткой из шелковой нити. Диаметр провода якоря в этом типе машины не должен превышать /в толщины зубца из-за наличия локального эффекта.
На рисунке 2 показана машина другого типа размером побольше. Возбуждающий магнит здесь состоит из двух одинаковых частей, имеющих независимую возбуждающую обмотку. Каждая часть имеет 480 полюсных выступов, расположенных друг против друга. Якорь выполнен в форме колеса из твердой бронзы, подвижные проводники, двигающиеся вдоль выступов возбуждающего магнита. Для намотки провода на якорь я решил поступить следующим образом. Изготовил кольцо из твердой бронзы требуемого размера. Это кольцо и обод колеса имеют нужное количество шпилек и закреплены на пластине. Проводники якоря намотаны и шпильки обрезаны, а концы проводников скреплены двумя кольцами, которые прикручены болтами к бронзовому кольцу и ободу колеса, соответственно. Вся эта конструкция жесткая, образует единое целое и может сниматься. Проводники в подобных машинах должны изготавливаться из листовой меди, толщина которой, конечно, зависит от толщины выступов; либо надо использовать скрученные тонкие провода.
На рисунке 3 показана машина поменьше, во многом похожая на описанную, только здесь проводники якоря и возбуждающая обмотка неподвижны, в то время как вращается только кусок ковкого чугуна.
Нет необходимости удлинять это описание и останавливаться подробно на конструкции этих машин, поскольку они были подробно описаны в номере журнала «The Electrical Engineer* от 18 марта 1891 года. Я считаю полезным, однако, обратить внимание исследователя на два момента, а именно: локальный эффект, который необходимо избежать, и на зазор, он должен быть небольшим. Могу добавить: поскольку цель — добиться высоких линейных скоростей, якорь должен быть очень большого диаметра, с тем чтобы избежать ненужной скорости привода. Из нескольких типов машин, которые я построил, как выяснилось, проще всего сконструировать машину, показанную на рисунке 1. Она проста в обслуживании и хороша для проведения опытов.
Во время работы катушки индуктивности, при очень высокой частоте переменного тока, прежде всего наблюдаются световые явления, в частности те, что вызываются высоковольтным разрядом. По мере того как возрастает число изменений в секунду, или — частота очень высокая — меняется сила тока, проходящего через первичную обмотку, разряд постепенно меняется. Трудно описать небольшие изменения и условия, вызывающие их, но можно четко различить пять форм разряда.
Во-первых, наблюдается слабый, очень чувствительный разряд в форме тонкой, слабой нити (рисунок 4а). Так происходит всегда, когда при высокой частоте, сила тока на первичной обмотке невелика. Несмотря на крайне малую силу тока, скорость изменений очень велика и, следовательно, разность потенциалов на полюсах вторичной обмотки значительна, так что дуга возникает на большом расстоянии; но количество «электричества», приводимого в движение, незначительно, едва достаточно, чтобы создать тонкую, нитевидную дугу. Она очень чувствительна, настолько, что даже близкое дыхание оказывает воздействие на нее, и, если ее не защитить надежно от потоков воздуха, она постоянно дрожит и извивается. Тем не менее в такой форме она постоянна, и когда полюсы сближаются, скажем, на одну треть длины разряда, ее довольно трудно погасить. Эта исключительная устойчивость при небольшой длине объясняется в основном тем, что дуга крайне тонка, поэтому, поверхность, подверженная потоку воздуха, очень мала. А большая чувствительность дуги, при большой длине, главным образом объясняется движением частиц пыли в воздухе.