Лекции

При крайне высокой степени разряжения, которая достигается с трудом при помощи насоса Шпренгеля, когда вещество внутри колбы в состоянии крайне высокой излучательной способности, трубка действует наиболее эффективно. Тень от верхнего края трубки ясно проступает на колбе.

При немного меньшей степени разряжения, которую можно назвать обычным «неударным» вакуумом, и когда частицы вещества в основном движутся по прямой, экран всё еще хорошо работает. Для того чтобы пояснить предыдущее высказывание, необходимо сказать, что то, что есть «неударный» вакуум для катушки, работающей, как обычно, от импульсов, или тока низкой частоты, не является даже близко таковым, когда катушка работает от тока очень высокой частоты. В таком случае разряд очень свободно может пройти через разреженный газ, через который может не пройти низкочастотный разряд, даже если потенциал будет гораздо выше. При нормальном атмосферном давлении имеет место противоположное правило: чем выше частота, тем меньше вероятность пробоя искры между выводами, особенно если это разрядные головки или шары определенного размера.

И наконец, при низкой степени разряжения, когда газ хорошо проводит ток, металлическая трубка не только не действует, как электростатический экран, но и является недостатком конструкции, усиливающим боковое рассеивание энергии от подводящего провода. Этого, конечно, следует ожидать. В данном случае металлическая трубка хорошо контактирует с подводящим проводом и большая часть бомбардировки направлена на трубку. Если электрический контакт слаб, то трубка всё-таки полезна, хотя она, может быть, и не экономит энергию, но всё же защищает опору элемента накаливания, а также служит для концентрации энергии на нем.

Если алюминиевая трубка призвана выполнять функцию экрана, то ее полезность ограничивается степенью откачки воздуха, когда она изолирована от электрода, то есть, когда газ в целом не проводник, и молекулы или атомы действуют как независимые отдельные носители зарядов.

В дополнение к работе в качестве эффективного экрана, в истинном понимании этого слова, токопроводящая трубка или покрытие могут также играть роль, по причине своей токопроводимости, компенсатора или демпфера во время бомбардировки стеклянной ножки. Предположим следующую ситуацию: при ритмической бомбардировке проводящей трубки, по причине ее несовершенства как экрана, обязательно должно случиться так, что некоторые молекулы или атомы ударят по трубке ранее других. Те, что ударятся первыми, отдадут свой избыточный заряд, и трубка наэлектризуется, причем электризация моментально распространится по ней. Но это должно уменьшить количество энергии, теряемой при бомбардировке по двум причинам: первая — заряд, отданный атомами, распространяется по большому участку поверхности, следовательно, электрическая плотность в любой точке уменьшается и атомы отталкиваются с меньшей энергией, чем если бы они ударились о хороший изолятор; вторая — так как трубка наэлектризована атомами, которые первыми вступили с ней в контакт, продвижение следующих атомов к трубке затрудняется отталкивающей силой, с которой трубка должна воздействовать на одинаково заряженные атомы. Эта сила должна оттолкнуть значительное количество атомов от трубки и, во всяком случае, уменьшить энергию их удара. Ясно, что чем ниже уровень разреженности, тем лучшим проводником является газ, и ни один из вышеуказанных эффектов не может иметь место, а, с другой стороны, чем меньше количество атомов, тем с большей скоростью они движутся; иными словами, чем тщательнее откачан воздух, до определенного предела, тем более отчетливыми будут оба явления.

То, что я сейчас сказал, может служить объяснением явлению, наблюдавшемуся профессором Круксом, а именно: разряд в колбе гораздо сильнее, когда в ней находится изолятор, а не проводник. По моему мнению, проводник служит демпфером для движущихся атомов двумя указанными способами, поэтому для того чтобы сформировать видимый разряд, требуется гораздо более высокий потенциал, если в колбе проводник, имеющий значительную площадь поверхности.

Для того чтобы разъяснить эти высказывания, я должен обратиться к рисункам 18, 19 и 20, на которых показаны различные конструкции широко применяемых ламп.

На рисунке 18 показана в разрезе сферическая лампа L со стеклянной ножкой 5, содержащей подводящий провод w, соединенный с нитью накаливания l, которая в свою очередь служит опорой для элемента накаливания т в центре лампы. М ~ это тонкая полоса слюды, в несколько слоев намотанная на ножку s, а а — это алюминиевая трубка.

На рисунке 19 показана такая же лампа, но уже усовершенствованная. Металлическая трубка S приклеена к горловине трубки. В самой трубке укреплена пробка Р, изготовленная из изоляционного материала, по центру которой проходит металлический вывод / для соединения с подводящим проводом w. Этот вывод должен быть хорошо изолирован от металлической трубки S, следовательно, если клей токопроводящий, — а в большинстве случаев так и бывает, — то пространство между пробкой Р и горловиной колбы надо заполнить хорошим изолятором, например слюдяным порошком.

На рисунке 20 показана лампа, изготовленная в экспериментальных целях. В этой лампе алюминиевая трубка снабжена внешним выводом для изучения поведения колпачка в различных условиях. О ней пойдет речь при описании дальнейших опытов.

Поскольку бомбардировка ножки, по которой проходит подводящий провод, происходит благодаря индуктивному воздействию провода на разреженный газ, было бы полезным уменьшить величину воздействия в практичных пределах, применив тонкий провод, изолированный толстым слоем стекла или другого материала, и как можно более сократить ту часть провода, которая проходит сквозь газ. Для выполнения этих условий я применил большую трубку Т (рисунке 21), которая немного выступает внутрь колбы, и имеет на вершине очень короткую стеклянную ножку s, в которой запаян подводящий провод w, а верхнюю часть ножки я защитил от нагревания небольшой алюминиевой трубкой а, а под ним слоем слюды, как обычно. Провод w, выходящий наружу сквозь большую трубку, должен быть хорошо изолирован, например стеклянной трубкой, а пространство внутри следует заполнить каким-либо отличным изолятором. Из всех изолирующих порошков, которые я испробовал, наилучшим является слюдяной. Если не принять эту меру предосторожности, то трубка Т, выступающая внутри колбы, непременно треснет вследствие нагрева кистевым разрядом, который имеет тенденцию появляться в верхней части трубки, там, откуда откачан воздух, в особенности, если вакуумирование высокое, и, следовательно, необходимый для работы лампы потенциал очень высок.

На рисунке 22 показана подобная конструкция, где большая трубка Т выступает внутрь колбы и несет элемент накаливания пг. В данном случае подводящий провод снаружи внутрь колбы отсутствует, а энергия поступает с покрытий конденсатора СС. При такой конструкции изолятор Р должен плотно прилегать к стеклу и быть довольно толстым, в противном случае разряд может миновать провод w, который соединяет внутреннюю пластину конденсатора с элементом накаливания т.

Молекулярная бомбардировка стеклянной ножки внутри колбы доставляет много неприятностей. Для примера я опишу явление, которое наблюдал часто и с большим неудовольствием. Можно взять колбу, лучше большую, и хороший проводник, например угольный, укрепить его внутри на платиновом проводе в стеклянной ножке. Из колбы можно откачать воздух, довольно сильно, когда появляется свечение. Когда лампу подключают к катушке, угольный элемент, если он мал, сначала накаляется, но его яркость немедленно уменьшается, а затем где-то в середине ножки проходит разряд в форме ярких искр, несмотря на то, что платиновый провод находится в хорошем контакте с разреженным газом через угольный элемент или металл сверху. Первые искры очень ярки, и напоминают искры, получаемые на чистой поверхности ртути. Но по мере нагревания ими стекла, они, конечно, теряют свою яркость и прекращаются, когда стекло в месте излома накаляется или становится достаточно теплым для того, чтобы проводить ток. Когда наблюдаешь это впервые, явление кажется очень любопытным, оно показывает, как резко меняется поведение переменного тока, или импульсов высокой частоты по сравнению с постоянным током или током низкой частоты. В случае низкочастотных токов это явление, конечно, не возникло бы. Когда мы имеем частоту, полученную от механического источника, я думаю, стекло трескается вследствие бомбардировки, которая нагревает его и снижает изолирующие качества, но при высокой частоте, которую мы получаем от конденсатора, без сомнения, стекло может треснуть и без нагрева. Хотя на первый взгляд это и может показаться чрезвычайно необычным, но всё же этого следовало ожидать. Энергия, поступающая на подводящий провод, частично расходуется элементом накаливания, а частично — сквозь стекло благодаря действию индукции. Этот случай, таким образом, аналогичен тому, когда конденсатор при помощи проводника включается параллельно в цепь с источником переменного тока. При низкой частоте наибольшую нагрузку получает проводник, а конденсатор остается в сохранности; но при крайне высокой частоте, роль проводника может стать ничтожной. В последнем случае разность потенциалов на выводах конденсатора может стать такой высокой, что наступит пробой диэлектрика, несмотря на то, что выводы шунтированы проводником низкого сопротивления.