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.
По мере возрастания силы тока разряд утолщается и становится сильнее, и эффект емкости катушки становится видимым, пока, наконец, при надлежащих условиях, не возникнет белая дуга с открытым пламенем (рисунок 46) часто толщиной в палец, проходящая через всю катушку. Она довольно горячая, характеризуется отсутствием высокого звукового сигнала, который сопровождает менее мощные разряды. Я бы не советовал вам испытать удар тока от катушки при таких условиях. Хотя в другой ситуации, когда потенциал значительно больше, удар тока может и не повредить. Для того чтобы возник такой разряд, количество колебаний в секунду не должно быть очень большим для определенного типа катушки; и, говоря в общем, надо соблюдать определенные условия соотношения емкости, самоиндукции и частоты.
Важность этих элементов в цепях переменного тока теперь хорошо известна, и при нормальных условиях здесь действуют общие правила. Во-первых, самоиндукция не имеет большого значения до того момента, как возникнет дуга, пока она устанавливается, возможно, она не так устойчива, как в обычных цепях переменного тока, поскольку емкость распределена вдоль обмотки, и поскольку разряд обычно происходит при большом сопротивлении, сила тока необычайно мала. Во-вторых, емкость возрастает по мере роста потенциала, а происходит это по причине абсорбции, довольно значительной, поэтому между этими величинами нет критических отношений, и обычные правила кажутся неприменимыми. По мере того как возрастает потенциал, или вследствие роста частоты, или вследствие роста силы тока на первичной обмотке, количество накопленной энергии всё возрастает и емкость приобретает всё большее значение. До определенного предела емкость играет положительную роль, но затем становится недостатком. Из сказанного следует, что каждая катушка дает наилучший результат при определенной частоте и силе тока на первичной обмотке. Очень большая катушка, когда работает при сверхвысокочастотных токах, может дать искру не толще /8 дюйма. Увеличивая емкость на клеммах, можно исправить положение к лучшему, но вообще-то надо понизить частоту.
Когда происходит разряд с пламенем, условия, очевидно, таковы, что через цепь проходит максимальный ток. Эти условия можно создать, меняя частоту в широком диапазоне, но самая высокая частота, когда еще возможно горение дуги, определяет для данной силы тока на первичной обмотке наибольшее расстояние между контактами, когда дуга может возникнуть. При разряде с пламенем, шумовой эффект емкости невозможно воспринять; скорость накопления энергии теперь равна скорости разряда через цепь. Этот тип разряда представляет собой самый сложный тест для катушки; выход из строя, если он случается, подобен разряду в перегруженной лейденской банке. Чтобы дать вам грубое представление, я скажу: если взять обычную катушку, скажем, сопротивлением в 10 000 Ом, то самая мощная дуга возникнет при частоте 12 000 в секунду.
Когда частота возрастает и переходит этот рубеж, конечно, растет и потенциал, но длина дуги тем не менее может уменьшиться, как ни парадоксально это звучит. По мере возрастания потенциала, катушка всё более принимает свойства статической машины, пока, наконец, не появляется возможность наблюдать красивейшее явление текучего разряда (рисунок 5), который может быть равным катушке по длине. В этой стадии на всех концах появляются свободно текущие потоки. Эти потоки можно также наблюдать в большом количестве в промежутке между первичной обмоткой и изоляционной трубкой. Когда потенциал чересчур высок, они появляются всегда: даже если частота низкая и первичная обмотка изолирована целым дюймом сургуча, твердой резины, стекла или другого изолятора. Это значительно ограничивает мощность катушки, но позже продемонстрирую, как мне удалось в значительной степени преодолеть этот недостаток в обычной катушке.
