Читать онлайн «Лекции». Страница 28

Во время этого опыта было сделано интересное наблюдение. Все три колбы подвесили на оголенном проводе, соединенном с выводом катушки, большую — на конце провода, маленькую — на некотором расстоянии, а среднюю — на таком же расстоянии от маленькой. Нити в обеих больших лампах горели, как и ожидалось, в то время как в маленькой она не добрала и ожидаемой степени свечения. Это наблюдение заставило меня сменить положение ламп, и тогда я обнаружил, что какая бы лампа ни оказалась в середине, она будет гореть тусклее, чем с краю. Этот загадочный результат, конечно, был отнесен на счет электростатического воздействия ламп друг на друга. Когда их поместили вдали друг от друга или в углах равнобедренного треугольника из медного провода, они горели соответственно своему размеру.

Что касается формы сосуда, то она тоже важна, тем более при высокой степени вакуумирования. Из всех возможных конструкций наиболее предпочтительна шарообразная с телом из тугоплавкого материала внутри. По опыту ясно, что в таком шаре тугоплавкий предмет определенных размеров значительно легче накалить, чем в колбе другой формы. Преимущество также заключается в придании телу накаливания формы шара, по очевидным причинам. В любом случае тело надо поместить в центр, где атомы, отскакивающие от стен, соударяются. Этой цели легче всего достичь в сферической колбе; но она достижима и в цилиндрическом сосуде, где нить или нити расположены на его оси, а возможно и в параболическом сосуде или сферическом, где тугоплавкие части помещены в его фокусе; хотя последнее вряд ли возможно, так как наэлектризованные атомы должны в любом случае нормально отталкиваться от поверхности, с которой они соударяются, если только скорости не крайние, тогда они, возможно, будут следовать общим правилам отражения. Неважно, какой формы сосуд, если воздух откачан слабо, нити, помещенные в любую точку, будут накаливаться одинаково; но если воздух откачан сильно и колба имеет сферическую или грушевидную форму, как обычно, то образуются фокальные точки и нить накаливается сильнее всего в этих точках или поблизости от них.

Для иллюстрации этого эффекта у меня имеются две небольшие одинаковые колбы с разной степенью вакуумирования. При подключении к катушке нить в той колбе, откуда воздух откачан слабо, накаливается одинаково по всей длине, в то время как в последней та часть нити, что расположена ближе к центру колбы, светится гораздо более интенсивно, чем остальные. Любопытно то, что это явление наблюдается, даже если две нити поместить внутрь и каждую соединить с выводом катушки, и, что еще более любопытно, если они расположены рядом, конечно, при условии, что воздух совсем откачан. Во время опытов я заметил, что нити перегорают в определенный момент, и вначале приписывал это качеству угля. Но когда это произошло несколько раз подряд, понял, почему это происходит.

Для того чтобы накалить тугоплавкое тело в колбе, желательно, по причине экономии, чтобы вся переданная в колбу от источника энергия достигла этого тела без потерь; оттуда, и только оттуда, она должна испускаться. Конечно, не подлежит сомнению, что нельзя достичь этой теоретической цели, но при помощи правильной конструкции осветительного прибора можно приблизиться к ее достижению.

По многим причинам накаливаемое тело помещают в центр колбы, обычно оно расположено на стеклянной ножке, через которую проходит подводящий провод. Поскольку потенциал на этом проводе переменный, то разреженный газ вокруг этой ножки подвергается индукции, она нагревается и подвержена бомбардировке. Таким образом, большая часть энергии, предназначенная для освещения, — особенно, когда используется высокая частота, — может теряться. Дабы избежать этих потерь,чили по крайней мере свести их к минимуму, я обычно экранирую разреженный газ от индукции провода, помещая его в трубку из проводника. Сомнений не вызывает, что из всех металлов для этой цели наиболее пригоден алюминий по причине своих многочисленных замечательных свойств. Единственный его недостаток в том, что он легкоплавкий и, следовательно, надо правильно разместить его по отношению к телу накаливания. Обычно изготавливается трубочка, диаметр которой немного меньше диаметра стеклянной ножки, и надевается на нее. Трубочка изготавливается путем оборачивания на токарном станке алюминиевой полосы нужного размера вокруг сердечника, при этом надо зажимать полоску плотно при помощи чистой замши или промокательной бумаги, а сердечник вращать очень быстро. Полоска плотно наматывается вокруг сердечника и таким образом получается двух- или трехслойная трубка. При надевании на ножку давления обычно хватает, чтобы трубочка не соскользнула, но для верности нижнюю кромку стоит загнуть внутрь. Верхний внутренний угол полоски — тот, что ближе всего к телу накаливания, — следует отрезать по диагонали, так как он, находясь ближе всего к источнику тепла, часто заворачивается и почти касается или даже касается подводящего провода или нити, поддерживающей тело накаливания. В таком случае большая часть поступающей в колбу энергии расходуется на нагревание трубочки, и лампа становится бесполезной. Алюминиевая трубочка должна выступать над стеклянной ножкой — на дюйм или два, — в противном случае стекло будет находиться слишком близко к раскаленному предмету, сильно нагреется и станет более или менее сносным проводником и вследствие своей проводимости установит электрический контакт между металлической трубкой и подводящим проводом, причем большая часть энергии, опять же, израсходуется на нагрев последнего. Посему лучше сделать верхний конец трубки диаметром в 1 дюйм или меньше. Для того чтобы еще уменьшить опасность, возникающую от нагревания стеклянной ножки, а также для того, чтобы предотвратить контакт между металлической трубкой и электродом, предпочитаю обернуть ножку несколькими слоями тонкой слюды, которая по ширине совпадает с металлической трубкой. В некоторых колбах я также применял внешний изолирующий колпачок.

Приведенные замечания предназначены для экспериментаторов на первых стадиях опытов, так как трудности, с которыми они встретятся в дальнейшем, каждый преодолеет по-своему.

Для иллюстрации эффекта экранирования я взял две лампы одинакового размера, размещение их стеклянных ножек, проводов подводки и соединенных с ними элементов накаливания должно быть абсолютно одинаковым. Ножка одной лампы имеет алюминиевый колпачок, на ножке другой его нет. Сначала обе лампы были соединены с насосом Шпренгеля. Когда был максимально откачан воздух, скачала отсоединили и запаяли основную трубку, затем обе лампы. Итак, уровень разряжения в обеих одинаков. Когда их поочередно соединяют с катушкой, дающей определенный потенциал, угольная нить той лампы, где есть металлический колпачок, сильно накаливается, в то время как нить другой лампы, при том же потенциале, даже не краснеет, хотя фактически получает больше энергии, чем первая. Если их вместе подключить к выводу катушки, разница станет еще заметнее, что демонстрирует важность экранирования. Металлический колпачок, надетый на стеклянную ножку с подводящим проводом, фактически выполняет две функции. Первая — он работает более или менее как электростатический экран, таким образом экономя энергию, подаваемую в лампу, и вторая — каким бы плохим экраном он ни был, он выполняет механическую задачу по предотвращению бомбардировки, и соответственно, интенсивного нагрева и возможного повреждения тонкой опоры элемента накаливания, или стеклянной ножки с подводящим проводом. Я говорю тонкой опоры, ибо очевидно, что для более полной локализации тепла на элементе накаливания его опора должна быть действительно тонкой, чтобы забирать как можно меньше тепла вследствие своей проводимости. Из всех опробованных опор я обнаружил, что наилучшая — это обычная нить накаливания, в основном потому, что из всех проводников она может выдерживать наибольшую степень нагрева.

Эффективность металлической трубки, как электростатического экрана, зависит от степени разряжения.

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.