Чтение онлайн

В этом направлении уже были проведены некоторые опыты и я кратко остановлюсь на них в надежде, что они окажутся небесполезными.

Нагрев электропроводного тела, заключенного в лампе и подсоединенного к источнику часто изменяющихся электрических импульсов, зависит от такого большого количества причин, имеющих различную природу, что довольно трудно определить общеприменимое правило, следуя которому можно было бы добиться максимального нагрева. Что касается размеров сосуда, то в последнее время я обнаружил, что при обычном или даже слабо отличающемся от обычного, атмосферном давлении, когда воздух является хорошим изолятором, и следовательно тело излучает одинаковое количество энергии при определенной разности потенциалов и частоте, вне зависимости от того, является ли тело большим, или маленьким, оно нагревается до более высокой температуры, если помещено в меньший сосуд вследствие более плотного ограничения распространения тепла.

При низком давлении, когда воздух становится более или менее электропроводным, или если воздух нагрет достаточно для того, чтобы стать электропроводным, в большой лампе тело раскаляется до более высокой температуры, видимо потому, что при прочих равных условиях в большой лампе тело может излучать большее количество энергии.

При очень высокой степени разрежения воздуха, когда вещество в лампе становится "лучистым", большая лампа имеет преимущество над маленькой, но оно сравнительно невелико.

Наконец, при очень высокой степени разрежения, которая может быть достигнута только при помощи специальных средств, какого-либо существенного различия в степени нагрева тела в сосудах большего, или меньшего размеров не наблюдается.

Эти наблюдения являются результатом большого числа экспериментов., один из которых, призванный продемонстрировать эффект размера лампы при высокой степени разрежения, может быть описан и показан здесь, поскольку представляет определенный интерес. Были взяты три сферических лампы размером в 2, 3 и 4 дюйма в диаметре. В центре каждой лампы были вмонтированы нити накаливания одинаковой длины и толщины. В каждой лампе часть нить накала прикреплена к ведущей внутрь платиновой проволоке, проходящей внутри впаянной в лампу стеклянной ножки. Конечно, по возможности, все они были как можно более похожими друг на друга. На каждой стеклянной ножке с внутренней стороны лампы расположена очень гладкая трубка, сделанная из листа алюминия, которая плотно подогнана к ножке и удерживается на ней под действием пружины. Назначение алюминиевой трубки будет объяснено чуть позже. В каждой лампе над металлическими трубками выступают части нити накала равной длины. Здесь мне представляется важным заметить, что при в условиях соблюдена равная длина и толщина нитей накала. Другими словами, нагреванию подвергались тела одинакового объема. Все три лампы припаяны к стеклянной трубке, которая подключена к помпе Спренгеля. По достижении сильного вакуума, стеклянную трубку, на которой крепятся лампы, наглухо запаивают. Затем к каждой лампе последовательно подключили ток. При этом нити накала достигли примерно одинаковой яркости, хотя самая маленькая лампа, расположенная посередине между двумя большими, могла бы быть немного поярче. Этот результат ожидался, так как когда одну из ламп подсоединяли к катушке, то яркий свет возникал и в двух других, демонстрируя таким образом, что на самом деле три лампы составляли единый сосуд. При параллельном подключении всех трех ламп к катушке, то в самой большой из них нить накала излучала яркий свет, в лампе поменьше — яркость была поменьше, а в самой маленькой — нить накала только покраснела. Затем лампы были разделены и подвергнуты испытаниям по отдельности. Яркость нитей накала стала такой как и ожидалось, т. е энергия выделялась пропорционально поверхности ламп. Эта поверхность в каждом случае выступает как одно из покрытий конденсатора.

Таким образом, между самой большой и средней лампами различия оказались меньше, чем между средней и самой маленькой лампами. В этом эксперименте было сделано интересное наблюдение. Все три лампы были подвешены на прямом оголенном проводе, подключенном к клемме катушки. На конце провода размещалась самая большая лампа, на некотором расстоянии от нее — самая маленькая, а средняя лампа — на таком же расстоянии от самой маленькой. Угольные электроды в больших лампах светились так, как и ожидалось, но в самой маленько из них свечение значительно ни слабее того, что могла выдать лампа. Это наблюдение навело меня на мысль изменить расположение ламп и я заметил, что какая бы из ламп не находилась посередине, она светила менее ярко, чем в любом другом положении. Этот таинственный результат был, конечно, следствием электростатических взаимодействий между лампами. Когда они располагались на значительном расстоянии друг от друга, или располагались по углам равностороннего треугольника из медной проволоки, они светили так, как и предопределялось размерами их поверхностей.

Что касается формы сосуда, то она также имеет довольно важное значение, особенно при высокой степени разрежения газа. Из всех возможных конструкций, наиболее пригодной для использования представляется сфера, в центре которой располагается вмонтированное в нее тугоплавкое тело. Опыт проведения таких экспериментов показал, что в сосуде сферической формы тугоплавкое тело заданного объема раскаляется значительно легче, чем в сосуде любой другой формы. Кроме того, по совершенно очевидным причинам, лучше, чтобы тело, которое подлежит накалу, также имело сферическую форму. В любом случае тело должно быть расположено в центре, где сталкиваются атомы, рикошетом отлетающие от стеклянных стенок. Этот процесс лучше происходит в сферическом сосуде, но он также происходит и в сосуде цилиндрической формы с одной или двумя прямыми нитями накала, расположенных по оси цилиндра. Кроме того, накаливание возможно, когда тугоплавкое тело, или тела, размещены в фокусе, или в фокусах, сосуда параболической или сферической форм. И это несмотря на то, что в последнем случае такое кажется невероятным, поскольку атомы, несущие электрический заряд, должны в любом случае нормально отражаться от поверхности. Но если скорость атомов не чрезмерна, то в этом случае они могут двигаться, подчиняясь общему закону отражения. Независимо от используемой формы сосуда, если разрежение в нем слабое, то нить накала раскаляется равномерно по всей длине. Однако, если степень разрежения велика, а лампа имеет сферическую или грушевидную форму, то обычно образуется фокальная точка, и нить накаливания накаляется больше именно в этой точке, либо вблизи нее. Чтобы проиллюстрировать этот эффект, я возьму две похожие маленькие лампы, с тем лишь различием, что в одной из них сильных вакуум, а в другой слабый. При подключении к катушке, в лампе со слабым вакуумом нить накала светится равномерно по всей длине, в то время как в лампе с сильным вакуумом, центральная часть нити светится более интенсивно, чем по краям. Примечательно то, что это явление происходит, даже если в лампе находятся две нити накаливания, каждая из которых присоединена к одной из клемм катушки. Но что еще более интересно, если они расположены близко друг от друга, то вакуум становится сильнее. В процессе эксперимента с этими лампами я заметил, что нить накала обычно прогорает в определенном месте. Сначала приписал это дефекту в углеродном электроде. Но затем, когда это явление повторилось многократно, мне удалось установить его настоящую причину. Для того, чтобы довести тугоплавкое тело в лампе до высшей степени накала, а это важно по экономическим причинам, нужно, чтобы вся энергия, поступающая к лампе от источника, без потерь достигала тела, не расходуясь никуда, кроме как на излучение. Разумеется, мы не ставим себе целью достичь этого теоретического результата, но при проектировании осветительных приборов к этому нужно стремиться. По многим причинам тугоплавкое тело помещают в центре лампы, и обычно оно держится на стеклянной ножке, внутри которого находится ведущий внутрь провод. Как только разность потенциалов на концах этого провода изменяется, разреженный газ, окружающий ножку, подвергается индуктивному воздействию, а стеклянная ножка подвергается сильной бомбардировке атомами, вследствие чего нагревается.

Таким образом, значительная часть энергии, подаваемой к лампе — особенно, если используется ток очень высокой частоты — может теряться, не достигая цели. Для того чтобы избежать этих потерь или свести их к минимуму, я обычно экранирую разреженный газ, окружающий ножку, от индуктивного воздействия ведущей внутрь проволоки, снабжая ножку трубкой или покрытием из электропроводного материала. Лучшим из металлов, пригодных для этих целей, несомненно, является алюминий, обладающий многими замечательными свойствами. Единственным его недостатком является его легкоплавкость, и поэтому, расстояние между ним и накаливаемым телом должно быть рассчитано очень точно. Обычно, из тончайшего алюминиевого листа делается тонкая трубка, диаметром чуть меньше, чем диаметр стеклянной ножки, и надевается на ножку. Трубку легко изготовить накручивая алюминиевый лист соответствующего размера на стержень, закрепленный в токарном станке. Для этого алюминиевый лист крепко удерживают куском чистой свиной кожи или промокательной бумаги и быстро вращают стержень. Лист плотно прилегает к стержню и получается очень гладкая трубка, состоящая из одного — трех слоев. При насаживании ее на ножку, обычно давления обхвата бывает достаточно, чтобы предотвратить ее соскальзывание, но для большей безопасности нижний край листа можно завернуть внутрь. Верхний внутренний угол листа (тот, который ближе всего находится к тугоплавкому накаляемому телу) должен быть обрезан по диагонали, так как часто случается, что под воздействием высокой температуры он выворачивается наружу и контактирует, либо близко подходит к проводу или нити накаливания, поддерживающей тугоплавкое тело. Теперь большая часть энергии, подаваемой к лампе, расходуется на нагревание металлической трубки, и лампа оказывается бесполезной для этих целей. Алюминиевый лист должен выступать над уровнем стеклянной ножки в большей или меньшей степени — на один дюйм, или около того — иначе, если стекло будет слишком близко располагаться от накаливаемого тела, оно может сильно нагреться и стать в некоторой степени электропроводным, от чего оно может треснуть. Либо, вследствие приобретенной электропроводности, оно может установить хороший электрический контакт между металлической трубкой и запаянным в стекло проводом. В этом случае также большая часть энергии будет расходоваться на нагревание трубки. Возможно, что лучший выход — это сделать верхнюю часть трубки меньшего диаметра, примерно на один дюйм, или чуть больше. Для того, чтобы в дальнейшем уменьшить опасность, возникающую из-за нагрева стеклянной ножки и предотвратить образование электрического контакта между металлической трубкой и электродом, я предпочитаю обертывать ножку несколькими слоями тонкой слюды, которые должны быть, по меньшей мере, вровень с металлической трубкой. В некоторых лампах я также использовал внешнее изолирующее покрытие.

Предыдущие замечания приведены только для того, чтобы помочь экспериментатору в его первых опытах. А трудности, которые будут встречаться ему в дальнейшем, он может преодолеть своими силами.

Для того, чтобы показать эффект экрана, и преимущество его использования, я взял две лампы как можно более походящий одна на другую, одного и того же размера, со стеклянными ножками, внутри которых имеются ведущие внутрь провода, к которым в свою очередь подсоединены нити накала. Стеклянная ножка одной лампы снабжена алюминиевой трубкой, а другая — нет. Сначала обе лампы соединялись трубкой, которая была подключена к помпе Спренгеля. По достижении сильного вакуума, сначала запаивается соединительная трубка, а затем лампы. Таким образом в обеих лампах образуется вакуум одинаковой величины. Когда лампы по отдельности присоединяли к катушке, выдающей определенную разность потенциалов, угольная нить накаливания в лампе, снабженной алюминиевым экраном, достигала высокой степени накала, в то время как нить накала в другой лампе, при той же разности потенциалов, даже не покраснела, хотя на самом деле она потребила больше энергии, чем первая. Когда их вместе присоединили к клемме катушки, разница стала еще более очевидной, что показало важность экранирования. Металлическая трубка, надетая на стеклянную ножку, в которую впаян провод, выполняет две различных функции. Во-первых, она действует как электростатический экран, и таким образом снижает потери энергии, подаваемой на лампу. Во-вторых, если вдруг по каким-либо причинам она не сможет действовать электростатическим путем, она выполнит свои функции механическим путем: предотвратит бомбардировку, и, следовательно, интенсивный нагрев и возможное разрушение тонкой опоры тугоплавкого накаливаемого тела, или стеклянной ножки с впаянным в нее проводом.

Я говорю "тонкая опора", так как очевидно, что для того чтобы более полно ограничить тепло нагреваемого тела, его опора должна быть очень тонкой, чтобы она уносила наименьшее количество тепла за счет [тепловой] проводимости. Среди всех опор, которые мне довелось использовать, самой лучшей оказалась нить накаливания обычной лампы, так как по сравнению с прочими проводниками она лучше всего противостоит сильному нагреванию.

Эффективность металлической трубки как электростатического экрана зависит в основном от степени разреженности газа.

При очень высокой степени разрежения, — достичь ее можно, если очень осторожно использовать специальные методы в сочетании с помпой Спренгеля, — когда вещество внутри сферы находится в сверхлучистом состоянии, ее действие наиболее эффективно. При этом тень верхнего края трубки четко видна на лампе.

При более низкой степени разрежения воздуха, давление которого примерно равно обычному "не пробиваемому" вакууму, как правило, пока частицы вещества движутся в прямом направлении, экран хорошо справляется со своей задачей. В качестве дополнительного пояснения к предыдущему замечанию необходимо показать, что представляет собой "не поддерживающий разряд" вакуум применительно к катушке, работающей в обычном порядке — от импульсов или тока низкой частоты, в отличие от катушки, работающей от тока очень высокой частоты. В этом случае, через разреженный газ разряд может проходить с большой легкостью, а низкочастотный разряд пройти не может, даже при значительно более высокой разности потенциалов. При обычном атмосферном давлении действует обратное правило: чем выше частота тока, тем меньше возможностей у искрового разряда проскочить между клеммами, особенно если они представляют собой шишаки, либо сферы, размером с шишаки.

Наконец, при очень низкой степени разрежения, при которой газ имеет хорошую электропроводность, металлическая трубка не только не действует как электростатический экран, но даже наоборот, она в значительной степени способствует рассеиванию энергии с поверхности впаянного провода. Конечно, этого следовало ожидать. То есть, в этом случае между металлической трубкой и впаянным проводом установлен хороший электрический контакт, и большинство бомбардирующих атомов направлены на трубку. Пока электрическое соединение не очень хорошее, электропроводная трубка дает некоторые преимущества, хотя и не сильно способствует экономии энергии. Она обеспечивает защиту ножки тугоплавкого электрода и служит также для концентрации на ней большей энергии.

Независимо от того, в какой степени алюминиевая трубка выполняет функции экрана, ее полезные свойства пропадают при очень высокой степени разрежения, когда она изолирована от электродов. То есть, тогда, когда газ как таковой не является проводником: его молекулы или атомы выступают как независимые носители электрических зарядов.

Токопроводящая трубка или покрытие, помимо того, что действуют как более или менее эффективный экран в истинном значении этого слова, в силу своей электропроводности могут также выступать в качестве разновидности эквалайзера, или в качестве элемента, снижающего интенсивность бомбардировки стеклянной ножки. Я представляю себе это действие следующим образом: представьте себе процесс ритмичной бомбардировки электропроводной трубки, возникший по причине того, что недостаточно хорошо работает в качестве экрана. При этом неизбежно часть молекул, или атомов, должны воздействовать на трубку быстрее, нежели остальные. Те из них, которые первыми вступают в контакт с ней, передают ей свой избыточный заряд и трубка электризуется. Электризация немедленно распространяется по всей поверхности трубки. Но это должно снизить потери энергии, происходящие в результате бомбардировки по двум причинам: во-первых, заряд передаваемый атомами, распространяется по большой площади, и следовательно, электрическая плотность в любой точке невелика, и атомы отталкиваются с меньшей силой, нежели они это делали бы во время ударов о хороший изолятор; во-вторых, поскольку трубка наэлектризовывается атомами, первыми вступившими с ней в контакт, то движение последующих атомов к трубке затруднено из-за отталкивающего эффекта, который возникает между трубкой и одинаково с ней заряженными атомами. Возможно, что сила отталкивания достигает такой величины, что значительная часть атомов не может достичь трубки, но в любом случае она должна уменьшить энергию их воздействия. Понятно, что при очень слабом разрежении и тогда, когда газ электропроводен, никакой из описанных выше эффектов произойти не может. С другой стороны, все меньше атомов могут перемешаться с большой свободой. Другими словами, чем выше степень разрежения, чем она ближе к предельной — тем более выразительны оба этих эффекта.