Феномены токов высокой частоты

 

Я не могу не прокомментировать замечание профессора Томсона в вашем номере от 1 апреля, хотя и не люблю вступать в долгую полемику. И с радостью оставил бы последнее слово за профессором, если бы некоторые его заявления не сделали мой ответ необходимым.

В моих словах не было и намека, что все свои работы в области переменных токов высокой частоты Томсон сделал после своего письма, опубликованного в «Electrician». Я посчитал возможным и даже очень вероятным, что он провел свои эксперименты до письма, и мое высказывание в этой связи подразумевало этот обычный ход вещей. Более чем вероятно, что достаточно много экспериментаторов создали такие машины и наблюдали эффекты, подобные тем, что описаны профессором. Однако сомнительно, что при отсутствии каких бы то ни было публикаций по этому вопросу описанный мной эффект свечения наблюдался другими. Это тем более вероятно, поскольку очень немногие смогли бы пойти на те тяготы, которые испытал я. Да и сам не сделал бы этого, если бы у меня не было твердого убеждения, к которому я пришел, изучая труды самых выдающихся мыслителей, что я добьюсь искомых результатов. Теперь, когда я указал направление, будет, вероятно, много последователей, и именно с этой целью были продемонстрированы мной некоторые из достигнутых результатов.

Относительно экспериментов с лампой накаливания и нитью накала, установленной на одиночном проводе, профессор Томсон решительно утверждает, что он совершенно не может согласиться со мной, что проводимость сквозь стекло имеет какое-либо отношение к наблюдаемому явлению. Он упоминает хорошо известный факт, что лампа накаливания действует так же, как лейденская банка, и говорит, что «если бы проводимость сквозь стекло была возможной, этот эффект не мог бы проявиться». Я думаю, что могу с уверенностью утверждать, что очень немногие электротехники согласятся с этой точкой зрения. Чтобы емкостный эффект мог осуществиться, необходимо лишь, чтобы скорость, с которой заряды способны равномерно проникать через стекло благодаря проводимости, была бы несколько ниже скорости, с которой они накапливаются.

Профессор, по-видимому, считает, что проводимости сквозь стекло не существует. Но разве он никогда не измерял сопротивление изоляции? И разве не с помощью тока проводимости? Неужели он считает, что среди существующих физических тел есть идеальный изолятор? Разве он не понимает, что в связи с проводимостью вопрос может стоять только о ее степени? Если бы стекло было абсолютным изолятором, как мы могли бы объяснить утечку в стеклянном конденсаторе, когда на него воздействует постоянная разность потенциалов?

Хотя это и не связано напрямую с данной полемикой, я хотел бы здесь указать на то, что существует распространенная ошибка относительно свойств диэлектриков. Многие электротехники часто путают теоретический диэлектрик Максвелла с применяемыми на практике диэлектриками. Они всё еще думают, что единственным идеальным диэлектриком является эфир, а все остальные тела, о существовании которых нам известно, должны быть проводниками, судя по их физическим свойствам.

Мое утверждение, что в описанном выше опыте речь идет о некоторой, возможно, незначительной, проводимости, было сделано не только на основании того, что все вещества в большей или меньшей степени являются проводниками, но главным образом из-за нагрева стекла в ходе эксперимента. Профессор Томсон, видимо, не учел, что изолирующая способность стекла очень сильно ослабевает с повышением температуры, тем более что расплавленное стекло является сравнительно неплохим проводником. В своем первом ответе профессору в номере от 18 марта я, кроме того, изложил, что такой же эксперимент можно провести при постоянной разности потенциалов. В этом случае необходимо допустить, что в какой-то степени такой процесс, как проводимость стекла, имеет место, тем более что это можно продемонстрировать на опыте, в котором при достаточно высокой постоянной разности потенциалов сквозь стеклянный конденсатор с ртутным покрытием может проходить достаточное количество тока, чтобы засветилась трубка Гейслера, последовательно соединенная с конденсатором. При переменном напряжении проявляется влияние конденсатора и проводимость становится незначительной; проводимость тем слабее, чем выше частота чередований или изменений тока в единицу времени. Тем не менее, по моему мнению, проводимость существует всегда, особенно если стекло горячее, хотя слабая проводимость может иметь место при очень высоких частотах.

Далее профессор Томсон заявляет, что я, с его точки зрения, неправильно понял его высказывание о пределе слышимости. Он говорит, что от 10 000 до 20 000 полуволн соответствуют 5 000-10 000 полных звуковых колебаний. В своем ответе (в номере от 18 марта) я избегал прямого подчеркивания ошибки, допускаемой им, но теперь не вижу другого выхода. Профессор, надеюсь, извинит меня, если обращу его внимание на явление, которому он, по-видимому, не придал значения, а именно на то, что от 10 000 до 20 000 полуволн колебаний тока в дуге — что и было предметом обсуждения — означают не 5 000-10 000, а от 10 000 до 20 000 полных звуковых колебаний.

Профессор говорит, что я поддержал или предложил идею считать пределом слухового восприятия 10 000 колебаний в секунду, но я этого не делал. С его утверждением, что я экспериментировал со звуками от 5 000 до 10 000 полных колебаний, категорически не могу согласиться. По его мнению, это ниже предела слышимости, а в качестве аргумента приводит ссылку на то, что, экспериментируя в старших классах в Central High School в Филадельфии, он воспринимал 20 000 колебаний в секунду. Однако полностью проигнорировал особенность, на которой я подробно останавливался, а именно на том, что пределом слышимости дуги является нечто совершенно иное, чем предел слышимости вообще.

В ответ на некоторые мои суждения относительно машин с постоянной величиной тока Томсон описывает ситуацию, как пять или шесть лет тому назад ему пришло в голову испытать конструкцию динамо-машины с постоянной величиной тока, в которой «имелись весьма эффективные якорные обмотки, то есть сравнительно короткий провод для получения напряжения, и которые вращались в сильном магнитном поле». Снаружи обмотки и вне поля он поместил в цепь каждой обмотки дроссель, который состоял из железного сердечника, обмотанного проводом значительной длины и соединенного напрямую в цепь с якорной обмоткой. Таким образом он добился, как считал, «проявления значительной самоиндукции наряду с эффективной генерацией тока». Профессор ожидал, что «результаты, возможно, будут во многом совпадать с теми, которые могут быть получены при использовании машин обычной конструкции». Но он был разочарован. При всём уважении к нему я должен сказать, что надеяться на хороший результат при такой комбинации было весьма оптимистично. Земля не дальше от небес, чем предлагаемое устройство от того, где используется провод достаточной длины, намотанный на якоре, чтобы создать самоиндукцию и выработать необходимую ЭДС, вместо этого производится противоположный эффект, не говоря уже о потерях в железных сердечниках. Конечно, будет справедливо напомнить, что этот эксперимент был проведен пять или шесть лет тому назад, когда даже передовые электротехники испытывали недостаток в необходимой информации по этим и другим вопросам.

Профессор Томсон, видимо, считает, что самоиндукция уничтожает периодические волнообразные колебания тока. Однако самоиндукция ничего подобного не совершает, она, если хотите, делает волнообразные колебания более резко выраженными. Это очевидно. Давайте подключим катушку самоиндукции в цепь, по которой проходит переменный ток, и посмотрим, что произойдет. Во время наибольшей скорости изменений, когда ток имеет небольшую величину, самоиндукция оказывает большее сопротивление, чем во время малой скорости изменений, когда ток достигает максимальной или близкой к ней величины. Следствие — при той же самой частоте максимальная величина тока становится тем больше, чем сильнее самоиндукция. Так как звук в телефоне зависит только от максимальной величины, очевидно, что самоиндукция и есть то, что требуется для телефонной цепи. Чем сильнее самоиндукция, тем громче и яснее звучит речь, при условии, что ток в цепи имеет те же характеристики. Несколько лет деятельности в телефонии позволили мне достаточно хорошо изучить этот предмет. В вопросе о том, что катушка самоиндукции, включенная последовательно с телефоном, уменьшает громкость звука, Томсон, по-видимому, не учел того, что этот эффект целиком обязан полному сопротивлению катушки, т. е. ее свойству уменьшать силу тока. Но в то время, как сила тока уменьшается, волновая характеристика тока становится всё более резко выраженной. Очевидно, когда проводятся сравнения, они должны проводиться с тем же самым током.

Дуговые машины такого типа, с которыми работал профессор Томсон, действуют по-другому. Здесь вам придется иметь дело с замыканием и размыканием. В этом случае имеются два наведенных тока, один с противоположным, а другой с тем же направлением, что и главный ток. Если механизм предназначен для вышеупомянутой функции, то и с катушкой самоиндукции и без нее волновые колебания никак не могут быть сглажены. Но профессор, по-видимому, забыл, что этот эффект целиком обусловлен несовершенством коллектора, то есть наведенный ток прерывания, который имеет то же направление, что и главный ток, и высокую интенсивность, в случае большой самоиндукции просто соединяет смежные сегменты коллектора и если не полностью, то по крайней мере укорачивает интервал, во время которого цепь разомкнута, и таким образом ослабляются волнообразные колебания.

Что касается улучшения регулирования ламп с помощью вибраций или волнообразных колебаний, Томсон высказывается решительно. Теперь он считает, что вибрации должны улучшать регулирование ламп с часовым механизмом. Он говорит, что я «довольствовался только тем, что сказал», однако не могу согласиться с ним и в этом вопросе.

Так вот, «сказал» — это не единственное, что мною сделано. Я провел много ночей, отслеживая регулирование лампы, и оставляю за любым маститым экспериментатором право исследовать, верны ли мои утверждения. Мое мнение таково, что лампа с часовым механизмом, т. е. лампа, в которой опускание угольного электрода регулируется не зажимным или фрикционным механизмом, а с помощью анкерного механизма, не может регулироваться сколько-нибудь лучше, чем зубчатая передача, которая позволяет осуществлять перемещение, скажем, в 1/64 дюйма или менее того. Такая лампа регулируется почти тем же самым способом, независимо от того, будет ли ток идеально однородным или волнообразным, если только условия контура в других отношениях стабильны. Если в этом есть какая-либо выгода, она будет, я считаю, в использовании однородного тока, поскольку с волнообразным током лампа отключится на некоторое время и регулятор сработает больше чем на один зубец. Однако в лампе, где спуск угольного электрода регулируется фрикционным механизмом, волнообразный ток с должным количеством волновых колебаний в секунду всегда будет показывать лучший результат. Конечно, для того чтобы в полной мере получить выгоду от применения тока с волновым свойством, разъединение должно происходить независимо от движения вверх и вниз, на что я указывал ранее.

В отношении физиологических воздействий профессор Томсон говорит, что в таком сравнительно слабом проводящем материале, как животная ткань, распространение тока не может регулироваться самоиндукцией в какой-то поддающейся оценке степени, но он не принимает во внимание двойной эффект большого поперечного сечения, на который указывал сэр Уильям Томсон. Поскольку сопротивление тела таким токам низко, мы должны допустить или емкостное, или индуктивное действие токов в теле.

«The Electrical Engineer», 8 апреля 1891 г.

 

Электролитические часы

 

Если укрепленный на оси легко вращающийся и точно сбалансированный металлический диск или цилиндр поместить в подготовленный гальванический раствор посередине между анодом и катодом, то одна половина диска становится электроположительной, а другая половина — электроотрицательной. Вследствие этого на одной половине металл накапливается, а с другой половины удаляется, и диск начинает вращаться под действием силы тяжести. Так как количество накапливаемого и теряемого металла пропорционально силе тока, то скорость вращения, даже небольшая, пропорциональна величине тока.

 

Ил. 1. Электролитические часы

 

С первым устройством такого рода я работал в начале 1888 года, пытаясь создать электрический счетчик. Однако когда я узнал, что другие опередили меня в том, что имеет отношение к принципу устройства, то изобрел прибор, который представлен на прилагаемой иллюстрации (Ил. 1). Здесь F — прямоугольная рама из твердой резины, укрепленная на деревянном основании. Толщина этой рамы около ½ дюйма, длина 6 дюймов и высота 5 дюймов. К обеим вертикальным сторонам прикреплены толстые металлические пластины, которые служат электродами. Эти пластины плотно прижаты к резиновой раме с помощью зажимов ТТ и T 1 T 1. На горизонтальных сторонах рамы укреплены латунные пластины В и B 1, имеющие такую же форму, что и резиновая рама F. Латунные пластины служат для крепления двух пластин из полированного стекла, и полученный сосуд герметически закрывается с помощью резиновых прокладок, помещаемых между латунными и стеклянными пластинами. Таким образом, пластины можно плотно скрепить винтами без опасения сломать их.

Гальванический раствор, который в данном случае является концентрированным раствором сульфата меди, заливается внутрь через отверстие вверху резиновой рамы, которое закрывается пробкой R.

В центр сосуда помещается легкий и точно сбалансированный медный диск D, ось которого поддерживается капиллярной стеклянной трубкой, прикрепленной к одной из стеклянных пластин с помощью сургуча или другого вещества, не разъедаемого жидкостью. Чтобы уменьшить трение сколько это возможно, в капиллярной трубке, выполняющей роль подшипника, должна быть капля масла. Центр диска должен находиться на равном расстоянии от обоих электродов. С одной стороны диска к оси прикреплен очень легкий индикатор, или стрелка, лучше всего, если это будет тонкая стеклянная нить. На стеклянной пластине, ближайшей к этой стрелке, имеется круг с обычными делениями, как на циферблате часов. Этот круг может двигаться, так что его можно поместить в любое положение относительно стрелки. Если циферблат неподвижен, тогда в качестве стрелки следует использовать тонкий провод из закаленного железа. В этом случае провод следует поместить таким образом, чтобы он был точно в центре раствора. Тогда с помощью подковообразного магнита диск можно будет повернуть и поставить в нужное положение.

Если осторожно залить медный раствор и поставить на место крышку R, а клеммы батареи постоянного тока соединить с зажимами TT 1 можно наблюдать вращение диска. Шунт, соединенный с двумя другими зажимами TT 1 дает возможность изменять скорость вращения диска. Скорость вращения регулируется таким образом, чтобы соответствовать делениям шкалы, к примеру, один оборот совершается за 12 часов.

Очевидно, что этот прибор был задуман не для практического применения. Также и его показания не будут достаточно точными. Имеются определенные неизбежные погрешности, например, вследствие трения, которое невозможно полностью преодолеть. Но прибор интересен как средство измерения времени новым способом. Тем не менее выясняется, что при условии продуманной конструкции, постоянного тока и температурного компенсатора его можно отрегулировать так, что вращение будет почти идеально равномерным. Для достижения наилучших результатов плотность тока должна быть небольшой, а диск диаметром около 3 дюймов будет совершать один оборот за 6 часов. При использовании раствора серебра и серебряной пластины предположительно можно добиться лучших результатов. Очень интересно отметить феномен раствора и диска в таком узком прозрачном сосуде. Раствор имеет голубой цвет, одна часть диска выглядит белой, как серебро, а другая часть подобна почерневшему серебру. Разграничительной линии нет, но эти тона красиво переходят один в другой.

«The Electrical Engineer», 6 мая 1891 г.