12 Электрический разряд в вакуумных трубках

12

Электрический разряд в вакуумных трубках

В «Electrical Engineer» за 10 июня я обратил внимание на описание некоторых экспериментов профессора Джозефа Джона Томсона, в частности на электрический разряд в вакуумных трубках, а в номере за 24 июня профессор Элью Томсон описывает опыт такого же рода. В основе этих экспериментов лежит идея наведения электродвижущей силы в вакуумной трубке — желательно без участия электродов — посредством электромагнитной индукции и засвечивания трубки таким способом.

В соответствии с моим видением предмета я, пожалуй, должен сказать, что любому экспериментатору, всесторонне изучившему стоящую перед ним проблему и пытавшемуся найти ее решение, эта идея должна представляться такой же естественной, как, например, идея заполнения пространства между пластинами лейденской банки разреженным газом и возбуждения таким образом свечения в конденсаторе путем его зарядки и разрядки.

Будучи очевидной, эта идея, каковы бы ни были достижения в этом направлении исследований, непременно будет зависеть от полноты изучения предмета и точности результатов исследования. Пишу эти строки без всякого желания с моей стороны подтвердить документально, что я являюсь одним из тех, кто провел подобные эксперименты, но с желанием помочь другим экспериментаторам, обратив их внимание на определенные особенности исследуемого феномена, не замеченные, судя по всему, профессором Дж. Дж. Томсоном, который, как кажется, работал более или менее методично, проводя свои исследования, и стал первым, кто объявил о полученных результатах. Эти подмеченные мной особые свойства, по-видимому, не согласуются с воззрениями профессора и представляют феномен в ином свете.

Я занимался исследованиями в этом направлении главным образом зимой и весной прошлого года. В течение этого времени проведено много различных экспериментов, и в процессе обмена идеями по этому предмету с г-ном Альфредом С. Брауном из Западной объединенной телеграфной компании выдвигались всевозможные предложения по самым разнообразным компоновкам, которые были осуществлены мною на практике. Ил. 1 может служить примером одного из многих применявшихся аппаратов. Это устройство состояло из большой стеклянной трубки, запаянной с одной стороны и вставленной в обычную колбу лампы накаливания. Первичный контур, обычно состоявший из нескольких витков толстого, хорошо изолированного медного листа, помещался внутри трубки, а внутреннее пространство колбы представляло собой вторичный контур. Этот тип устройства стал результатом некоторых опытов, и я применял его главным образом для того, чтобы можно было получить отполированную отражающую поверхность на внутренней стороне трубки, и для этого последний виток первичного контура покрывался тонким слоем серебра. Во всех применявшихся типах аппаратов не возникало особых проблем в образовании светящегося круга или цилиндра вокруг первичного контура.

Ил. 1

Что касается количества витков, я не вполне понимаю, почему профессору Дж. Дж. Томсону кажется, что нескольких витков было бы «вполне достаточно», но чтобы не приписывать ему суждения, которого у него, возможно, нет, добавлю к сказанному, что у меня сложилось это представление после прочтения опубликованных выдержек его лекции. Очевидно, что количество витков, которое в любом случае дает наилучший результат, зависит от размеров аппарата, и если не существует иных соображений, один виток всегда даст лучший результат.

Я убедился, что в этих экспериментах предпочтительнее использовать генератор переменного тока, дающий среднее число колебаний в секунду, чтобы индукционная катушка возбуждалась и заряжала лейденскую банку, которая разряжается через первичный контур, как показано в виде схемы на ил. 2. В этом случае, прежде чем произойдет электрический пробой, трубка или колба, слегка возбуждаясь, образуют светящийся круг. Но в некоторых экспериментах я применял также и генератор Уимсхерста. По мнению Дж. Дж. Томсона, рассматриваемые феномены, по-видимому, всецело обязаны своим происхождением электромагнитному воздействию. Одно время я был того же мнения, но после тщательного изучения предмета пришел к убеждению, что они ближе к электростатической природе. Необходимо помнить, что в этих экспериментах нам приходится иметь дело с токами огромной частоты и высокого напряжения в первичном контуре, а проводником вторичного контура является разреженный газ, и что при таких условиях электрические эффекты играют важную роль.

Ил. 2

Ил. 3

В поддержку своей точки зрения я опишу несколько проведенных мной опытов. Чтобы вызвать свечение в трубке, совершенно не обязательно, чтобы проводник был замкнутым. Например, если вокруг обычной вакуумной трубки (желательно большого диаметра) поместить спираль из толстого медного провода в качестве первичной обмотки, то в трубке может индуцироваться слабо светящаяся спираль, примерно как на ил. 3. В одном из экспериментов наблюдался любопытный феномен: внутри образовались два ярко светящихся круга, оба вблизи витка спирали первичной обмотки, и я объяснял это явление наличием утолщений в первичной обмотке. Круги были соединены слабо светящейся спиралью, параллельной первичной обмотке и образовавшейся в непосредственной близости от нее. Чтобы вызвать такой эффект, я счел необходимым предельно зарядить конденсатор. Витки спирали начинают смыкаться и образуют круги, вполне вероятно, что это может произойти, но не обязательно свидетельствует об электромагнитном эффекте; в то же время тот факт, что свечение может возникать вдоль первичной обмотки в форме незамкнутой спирали, является аргументом в пользу электростатического эффекта.

Так же наглядно проявляется электростатический эффект в случае применения повторного контура доктора Лоджа. Порядок расположения показан на ил. 4. В этих экспериментах через две полые вакуумные трубки НН были пропущены провода повторного контура, и после разрядки конденсатора в трубках обычно возникало свечение.

Ил. 4

Ил. 5 иллюстрирует еще один проведенный эксперимент. В этом случае обычная колба от лампы помещалась внутрь одного или двух витков толстого медного провода Р, и разряд конденсатора через первичную обмотку возбуждал свечение круга L в колбе. Колба имела станиолевое покрытие на стороне, противоположной первичной обмотке, и каждый раз, когда станиолевое покрытие соприкасалось с землей или с большим предметом, свечение шара значительно усиливалось. Очевидно, что это обусловлено электростатическим эффектом.

Ил. 5

Проводя другие эксперименты, я заметил, что когда первичная обмотка соприкасается со стеклом, светящийся круг образуется легче, имеет более четкие очертания; но я не отмечал, что индуцированные круги вообще очень четко очерчены, как высказался Томсон; напротив, в моих опытах они были широкими, и часто светилась вся колба или трубка; а в одном случае я наблюдал сильное свечение с багряным оттенком, о котором упоминает профессор Дж. Дж. Томсон. Но круги всегда находились в непосредственной близости от первичной обмотки и появлялись гораздо легче, когда последняя находилась очень близко к стеклу, и оказывались слишком большими по сравнению с тем, что можно было ожидать, рассчитывая на электромагнитный эффект и принимая во внимание расстояние. Эти факты говорят в пользу электростатического эффекта.

Кроме того, я заметил, что плоскость светящегося круга бомбардируется молекулами под прямым углом к стеклу, если допустить, что круг находится в плоскости первичной обмотки. Доказательством такой бомбардировки служит быстрый нагрев стекла вблизи первичной обмотки. Если бы бомбардировка происходила не под прямым углом к стеклу, нагрев не был бы таким быстрым. Я предположил: если имеет место круговое движение молекул, образующих светящийся круг, то оно, возможно, проявится, если внутри трубки или колбы поместить тонкую слюдяную пластину, покрытую каким-либо фосфоресцирующим веществом радиально к кругу, и другую такую же пластину — касательно к кругу. Если молекулы двигаются кругообразно, первая пластина будет фосфоресцировать более интенсивно. Но из-за недостатка времени я не смог провести этот опыт.

Еще одно мое наблюдение: когда диэлектрическая постоянная среды между первичной обмоткой и вторичной возрастает, индуктивный эффект увеличивается. Это приблизительно иллюстрирует ил. 6. В этом случае упомянутый эффект был отмечен, когда свечение возбуждалось в вакуумной трубке или колбе В, а стеклянная трубка Т вставлялась между первичной обмоткой и колбой. Если бы здесь имело место исключительно электромагнитное действие, то просто невозможно было бы увидеть какое-либо изменение.

Ил. 6

Я также заметил, когда колбу окружает замкнутый на себя провод, находящийся в той же плоскости, что и первичная обмотка, образованию светящегося круга внутри колбы ничто не препятствует. Но если вместо провода использовать широкую станиолевую ленту и приклеить ее на колбу, то образование светящейся полосы будет затруднено, потому что в этом случае действие распределяется по большей поверхности. Эффект замкнутой станиолевой ленты имеет, без сомнения, электростатическую природу, поскольку станиоль обладает значительно б?льшим сопротивлением, чем провод, и вследствие этого оказывает существенно меньшее электромагнитное влияние.

Некоторые эксперименты профессора Дж. Дж. Томсона, по всей видимости, тоже демонстрируют электростатическое действие. Например, в эксперименте с колбой, помещенной в колоколообразный сосуд, когда из последнего откачан воздух настолько, что оставшийся газ достигает максимальной проводимости, образование круга в колбе и в сосуде затруднено по причине высокой проводимости пространства, окружающего первичную обмотку; в случае дальнейшей откачки воздуха из сосуда проводимость пространства вокруг первичной обмотки уменьшается, и круги обязательно появятся, сначала в колоколообразном сосуде, так как разреженный газ находится ближе к первичной обмотке. Но если бы индуктивное действие было очень сильным, они, возможно, появились бы и в колбе. Однако если из колоколообразного сосуда откачать воздух до максимально возможной степени, они, вполне вероятно, проявились бы только в колбе, то есть при условии, что безвоздушное пространство не является проводником. Предположив, что к этим феноменам имеют отношение электростатические воздействия, мы без труда придем к объяснению того, почему введение ртути или нагрев лампы препятствуют образованию светящейся полосы или сокращают период послесвечения, а также того, почему в некоторых случаях платиновый провод может препятствовать возбуждению трубки. Как бы то ни было, некоторые опыты Томсона могут создавать видимость проявления электромагнитного эффекта. Могу только добавить, что в одном из своих экспериментов, в котором для создания вакуума применил метод Торричелли, я не смог получить светящуюся полосу, но это, возможно, обусловлено применением слабых токов возбуждения.

Мой основной довод состоит в следующем: я экспериментально доказал, что если один и тот же разряд, достаточный, чтобы вызвать появление светящейся полосы в колбе, пройдя через первичный контур, получает такое направление, которое усиливает индуцированный электростатический эффект, то есть он обращен вверх, — вакуумная трубка, не имеющая электродов, может светиться на расстоянии несколько футов.

Записка профессора Дж. Дж. Томсона в «London Electrician» за 24 июля 1891 года

Г-н Тесла, по-видимому, приписывает наблюдаемый им эффект электростатической природе, и я нисколько не сомневаюсь, что, как видно из приводимого им описания методов проведения его опытов, электростатическое действие играет в них очень важную роль. Однако он, по-видимому, превратно понял мою точку зрения относительно причины этих разрядов, которая состоит не в том, как он полагает, что свечение в трубках без электродов не может быть создано с помощью электростатического действия, а в том, что его можно также получить, когда это воздействие исключено. По правде говоря, добиться свечения гораздо легче, когда эта электростатическая активность проявляется, чем когда ее нет. Чтобы проиллюстрировать это, я могу сослаться на то, что свечение в трубке было получено в первом же эксперименте, который я провел с разрядом лейденской банки, но только после шестинедельного непрерывного экспериментирования я смог получить удовлетворивший меня разряд в вакуумной трубке, причиной которого было то, что обыкновенно называется электродинамическим действием. Хотелось бы разобраться в том, что мы понимаем под электростатическим воздействием. Если перед разрядом конденсатора увеличить напряжение в катушке первичного контура, она будет индуцировать на стеклянной трубке распределенное электричество. Если напряжение первичного контура резко падает, эта электризация перераспределяется и может пройти через разреженный газ, вызывая при этом его свечение. Пока продолжается процесс разрядки конденсатора, трудно и, с теоретической точки зрения, нежелательно разделять эффект на части, одна из которых называется электростатической, другая — электромагнитной; факт, который мы можем доказать, состоит в том, что в этом случае разряд отличается от того, который могли бы создать электродвижущие силы, производные от потенциальной функции. В моих экспериментах катушка первичного тока была заземлена и, из предосторожности, первичный контур отделен от разрядной трубки экраном из фильтровальной бумаги, смоченной разбавленной серной кислотой и также заземленной. Влажная фильтровальная бумага является достаточно хорошим проводником, способным экранировать постоянное электростатическое действие, однако не вполне достаточным, чтобы не пропустить волновые импульсы переменной электродвижущей силы. Во время демонстрационных опытов в Физическом обществе я, конечно, не мог держать трубки закрытыми, но, если меня не подводит память, продумал меры предосторожности с целью устранения электростатического эффекта. Во избежание недоразумений считаю возможным заявить, что не делал официального доклада Обществу, моей целью было продемонстрировать некоторые из наиболее типичных экспериментов. Отзыв об этих экспериментах в «Electrician» исходил от репортера, чьих заметок я даже не читал. Теперь я почти закончил рукопись и в скором времени надеюсь опубликовать описание этих и многих других сходных экспериментов, включая некоторые упоминаемые г-ном Теслой опыты с проводниками, помещенными вблизи разрядной трубки, которые, как я считаю, в некоторых случаях уменьшают, в других — увеличивают яркость разряда, а также опыты, связанные с эффектом присутствия веществ с большой удельной индуктивной восприимчивостью. Всё это, как мне кажется, дает удовлетворительное объяснение, однако я должен отослать к моей статье.

Ответ на записку Дж. Дж. Томсона в «London Electrician» от 24 июля 1891 года

В «Electrical Engineer» от 12 августа я обнаруживаю некоторые высказывания профессора Дж. Дж. Томсона, которые первоначально увидели свет в «London Electrician» и имеют отношение к некоторым экспериментам, описанным мной в вашем издании за 1 июля.

Я не ошибся, по-видимому, в понимании проф. Дж. Дж. Томсоном причины рассматриваемого феномена, но я считал, что в его экспериментах, а также и в моих собственных огромное значение имеют электростатические эффекты. Из скудного описания проведенных им экспериментов не явствует, что были предприняты все возможные меры, предотвращающие возникновение этих явлений. У меня не было сомнений, что свечение в замкнутой трубке можно вызвать при полном отсутствии электростатического воздействия. Действительно, на начальном этапе я и сам надеялся получить исключительно электродинамический эффект и полагал, что добился этого. Но множество экспериментов, проведенных в то время, доказали мне, что в большинстве случаев электростатические эффекты имеют гораздо большее значение и позволяют дать удовлетворительное объяснение большинству наблюдаемых феноменов.

Используя термин «электростатический», я соотносил его скорее с природой действия, чем со стационарным условием, с которым его обычно связывают. Чтобы быть лучше понятым, охотно допускаю, что вблизи вакуумной трубки, находящейся под током, должна быть помещена небольшая сфера, заряженная до очень высокого напряжения. Сфера действует индуктивно на трубку, и распределенное на ней электричество, несомненно, создаст свечение (при достаточно высоком напряжении), пока не будет достигнуто неизменное состояние. Если исходить из того, что трубка идеально изолирована, то в процессе распределения электричества произойдет только одна моментальная вспышка. Это, по всей видимости, обусловлено лишь электростатическим воздействием.

А теперь допустим, что заряженная сфера будет двигаться с большой скоростью вдоль вакуумной трубки. Тогда трубка будет непрерывно возбуждаться (светиться), так как двигающаяся сфера будет вызывать постоянное перераспределение электричества и столкновение молекул разреженного газа. Мы опять-таки будем иметь дело с электростатическим эффектом, и, кроме того, можно будет, вероятно, наблюдать электродинамическое воздействие. Но если бы было, к примеру, обнаружено, что полученный эффект зависит в большей мере от определенного индуктивного свойства, чем от магнитной проницаемости среды, что, конечно, будет иметь место при скоростях несравнимо меньших, чем скорость света, то тогда, полагаю, я имел бы основания сказать, что полученный эффект ближе к электростатической природе. Мои рассуждения, однако, не ведут к тому, что какое-либо подобное условие превалирует в случае разряда лейденской банки через первичный контур, но думаю, что такой процесс желателен.

Я не отступил от истинного смысла вышеупомянутого примера, когда употребил выражение «ближе к электростатической природе», исследовав влияние тел, обладающих большой удельной индуктивной восприимчивостью, и изучив, например, значение качества стекла, из которого изготовлена трубка. Я также постарался выяснить влияние среды с высокой проницаемостью, используя кислород. Приблизительные расчеты показали, что трубка с кислородом в состоянии возбуждения при тех же условиях, то есть насколько они могли бы быть определены, дает больше света, но это, конечно, может быть обусловлено и многими другими причинами.

Нисколько не сомневаясь в том, что благодаря внимательности и предусмотрительности, проявленным профессором Дж. Дж. Томсоном, полученное свечение обязано своим появлением исключительно электродинамическому воздействию, вместе с тем хотел бы сказать, что во многих экспериментах отмечал удивительные случаи неэффективности экранирования, а также обнаружил, что электризация через воздух часто играет очень большую роль и в некоторых случаях, возможно, обусловливает возбуждение трубки.

В своем первом письме в «Electrician» профессор Дж. Дж. Томсон упоминает о факте свечения в трубке, расположенной рядом с проводом, через который разряжается лейденская банка, его отмечал и Хитторф. Я полагаю, что подобный эффект слабого свечения наблюдался многими экспериментаторами, но в моих опытах свечение было значительно более ярким, чем отмечаемые.

«The Electrical Engineer», Нью-Йорк, 1 июля 1891 г.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.