Лекции

Явления сопротивления

Среди явлений, вызванных электрическим током, возможно, наиболее интересными являются те, что порождены сопротивлением проводника токами, меняющимися с высокой скоростью. В моей первой лекции, прочитанной в Американском институте электроинженеров, я описал несколько поразительных явлений такого характера. Так, я показал, что, когда такие токи или разряды пропускаются через толстый металлический брусок, на его поверхности могут возникнуть точки на расстоянии лишь нескольких дюймов друг от друга, между которыми имеется достаточная разница потенциалов, необходимая для поддержания яркого накала обычной нити лампы. Я также описывал любопытное поведение разреженного газа, окружающего проводник, вследствие таких внезапных бросков тока. Эти явления с той поры были изучены более тщательно, и несколько опытов было бы полезно привести сейчас.

На рисунке 19а В и Bf — толстые медные бруски, нижние концы которых соединены с пластинами конденсатора Си С( соответственно, пластины конденсатора в свою очередь соединены с выводами вторичной обмотки S трансформатора высокого напряжения, первичная обмотка которого Р запи-тана от низковольтной динамо-машины G или обычной сети. Конденсатор, как обычно, разряжается через промежуток dd. Установив быстрые колебания, мне удалось провести следующий любопытный эксперимент. Бруски В и В1 сверху соединялись низковольтной лампой немного ниже помещалась на клеммах СС еще одна 50-вольтовая лампа 12; а еще ниже — 100-вольтовая лампа L; и, наконец, на некотором расстоянии ниже вакуумная трубка Т. После тщательной выверки положения всех устройств стало возможным поддерживать в них соответствующий уровень свечения. И всё же они все были параллельно соединены многочисленными дугами с медными брусками и требовали разного напряжения. Этот эксперимент требует, конечно, тщательной настройки, но после этого его вполне легко поставить.

На рисунках 196 и 19в показаны два других опыта, не требующие столь тщательной настройки параметров. На рисунке 196 показаны две лампы li и 12, первая — на 100 вольт, а вторая — на 50, размещенные на определенном расстоянии одна над другой, причем 100-вольтовая лампа располагается ниже. Когда в искровом промежутке формируется дуга и через бруски ВВ1 подаются броски тока, 50-вольтовая лампа, как правило, горит с максимальной яркостью, или, по крайней мере, этого нетрудно добиться, в то время как 100-вольтовая остается темной (рисунок 196). Теперь можно соединить бруски BBf толстым поперечным бруском В2 сверху и становится возможным поддерживать полный накал в 100-вольтовой лампе, а 50-вольтовая остается темной (рисунок 19в). Результаты не стоит приписывать полностью частоте, но скорее скорости изменения колебаний, которая может быть высокой даже при низкой частоте. Таким образом, можно получить много интересных результатов, в особенности для тех, кто привык работать только с постоянным током, и эти результаты дают ценные ключи к разгадке многих секретов электрического тока.

В предыдущих опытах я имел возможность показать некоторые световые явления и теперь было бы правильным исследовать их детально; но чтобы сделать эти исследования наиболее полными, я полагаю необходимым вначале высказаться относительно электрического резонанса, поскольку это явление всегда наблюдается во время таких опытов.

Об электрическом резонансе

Эффекты, порождаемые резонансом, всё чаще замечаются инженерами и приобретают всё большую важность при работе с любой аппаратурой переменного тока. Следовательно, надо сделать несколько замечаний по поводу этих эффектов. Ясно, если нам удастся практически использовать эффекты электрического резонанса при эксплуатации электроприборов, обратный провод, само собой, станет бесполезным, так как электрические колебания можно передавать при помощи одного провода так же хорошо, как и при помощи двух. Значит, сначала надо ответить на вопрос: «А можно ли производить такие эффекты?» Теория и эксперименты показывают, что в природе это невозможно, так как по мере возрастания колебаний потери в колеблющемся теле и окружающей его среде быстро растут и обязательно останавливают колебания, которые иначе могли бы вырасти бесконечно. Это большая удача, что резонанс в чистом виде получить нельзя, ибо, если бы это было возможно, трудно было бы предугадать, какие опасности поджидали бы бедного экспериментатора. Но до определенной степени резонанс получить возможно, причем степень его проявлений ограничена несовершенством проводника, недостаточной эластичностью среды, или, говоря в общем, фрикционными потерями. Чем меньше эти потери, тем более впечатляют его проявления. То же самое происходит и при механических колебаниях. Толстый металлический брусок может колебаться под воздействием падающих на него с определенным интервалом капель воды; а в случае со стеклом, которое еще более эластично, проявления резонанса еще более значительны, ведь стеклянный бокал можно разбить, если пропеть в него ноту определенного тона. Электрический резонанс получается тем сильнее, чем меньше сопротивление участка цепи и чем лучше изолирующие свойства диэлектрика. При разрядах лейденской банки через толстый многожильный провод с тонкими жилами эти требования удовлетворены наилучшим образом, и резонанс проявляется наиболее выпукло. Так не происходит, однако, в динамо-машинах, цепях трансформатора или в целом в коммерческих устройствах, где наличие сердечника затрудняет проявление резонанса или делает его вовсе невозможным. Что же касается лейденских банок, при помощи которых эффекты резонанса часто демонстрируются, я бы сказал, что они часто приписываются действию резонанса, а не являются его следствием, ибо в этом случае очень легко допустить ошибку. Это убедительно можно проиллюстрировать следующим опытом. Возьмем, к примеру, две изолированные металлические пластины или два шара А и В, расположим на определенном небольшом расстоянии друг от друга и зарядим их при помощи фрикционной машины или электрофорного генератора до такого потенциала, что даже небольшое его изменение вызывает пробой воздушной подушки или изоляции между телами. Этого легко добиться путем предварительных попыток. Теперь, если еще одну пластину, — закрепленную на изолирующей рукоятке и соединенную с одним из выводов вторичной обмотки катушки индуктивности высокого напряжения, которую питает генератор (желательно высокочастотный), — поднести к одному из заряженных тел А или В, причем ближе к одному из них, между ними обязательно произойдет разряд; по крайней мере, он произойдет, если потенциал пластины достаточно высок. Это явление легко объясняется тем фактом, что поднесенная пластина индуктивно воздействует на заряженные предметы А и В, вызывая искру между ними. Когда возникает эта искра, заряды, которые были ранее переданы предметам, должны теряться, так как между ними устанавливается связь через сформированную дугу. Итак, эта дуга образуется вне зависимости от того, есть резонанс или нет. Но даже если искра не образуется, всё же между предметами имеет место эдс, когда пластину подносят; следовательно, приближение пластины, даже если фактически и не вызовет, то, во всяком случае, будет иметь тенденцию к пробою промежутка вследствие индуктивного воздействия. Вместо пластин или шаров А и В мы можем с таким же успехом взять пластины лейденской банки, а вместо машины — желательно, чтобы это был высокочастотный генератор, так как он лучше подходит для проведения опыта или для его обоснования, — мы можем взять еще одну лейденскую банку или несколько. Когда такие банки разряжаются через цепь низкого сопротивления, ее пронизывают токи очень высокой частоты. Теперь внешнюю пластину можно соединить с одной из пластин второй банки, и когда ее подносят ближе к первой банке, заряженной перед этим до высокого потенциала при помощи электрофорного генератора, результат получается тот же, что и ранее, и первая банка разряжается через узкий промежуток, когда на вторую банку оказывается воздействие. Но обе банки и не требуется приближать на расстояние, более близкое, чем самая низкая басовая нота по отношению к писку комара, так как в промежутке уже возникнут небольшие искры или, по крайней мере, воздух в промежутке будет значительно напряжен вследствие возникшей благодаря индукции эдс в тот момент, когда одна из банок начинает разряжаться. Может быть допущена и другая ошибка подобного свойства. Если цепи двух банок установлены параллельно и близко друг от друга, и экспериментатор разряжает одну из них при помощи второй, а после добавления к одной из цепей витого провода опыт не удается, вывод о том, что цепи не настроены, будет далек от истины. Так как эти контуры работают, как конденсатор, а добавление витков провода эквивалентно замыканию его в месте включения витков небольшим конденсатором, а он в свою очередь, не дает произойти пробою, уменьшая эдс, действующую в искровом промежутке. Можно привести и многие другие замечания, но, дабы не углубляться в обсуждение, далекое от нашего предмета, с вашего позволения, не прозвучат; эти же сделаны лишь для того, чтобы предостеречь ничего не подозревающего исследователя от того, чтобы у него не сформировалось неверное мнение о его способностях, когда он увидит, что каждый его опыт удачен; эти замечания ни в коем случае не претендуют на новизну в глазах опытных экспериментаторов.