Читать онлайн «Лекции». Страница 69

Постоянные усилия, направленные на усовершенствование разнообразных автоматических приспособлений для контроля тока питания, четко выявили ограниченность таковых вследствие их механики, и идея использования конденсаторов, как средства получения, независимо от таких механических устройств, внезапных изменений параметров тока, которые необходимы в прикладных областях, является удачным и своевременным решением. В таком новом для всех процессе механические средства выполняют лишь незначительную функцию, а именно: периодически заставляют колебаться электромагнитную систему, и они должны лишь удовлетворять требованиям надежности в работе и долговечности (этим могут заняться механики), которых, в определенной степени, мне нетрудно было добиться во многих устройствах.

Итак, памятуя о том, что скорость изменения разряда или первичного тока в таких приборах в основном зависит от физических констант контура, через который происходит разряд, становится очевидным, что необходимо правильно сконструировать такой контур, и во время опытов, которые я проводил с этой целью, мною были сделаны небезынтересные наблюдения.

Во-первых, можно сделать очевидное заключение: поскольку первичная обмотка в таком трансформаторе обычно состоит из нескольких витков медной ленты с сопротивлением, которым можно пренебречь, то и изоляция между витками не требует особого внимания. Но практический опыт вскоре убеждает нас в нашей ошибке, ибо часто случается так, что вследствие огромного резонансного подъема, разность потенциалов на соседних витках достигает такого значения, что происходит пробой даже при использовании очень хорошей обычной изоляции. По этой причине я счел необходимым поступить с первичной обмоткой таким же образом, как было описано выше, добившись твердости, которая получается в результате вытягивания металлических пластин и уплотнения изолирующих слоев во время нагревания в вакууме и последующего сжатия металла во время охлаждения до нормальной температуры после того, как диэлектрик затвердел.

Затем экспериментатор будет удивлен, обнаружив важность правильного выбора длины первичной обмотки и способа ее соединения. Он, естественно, готов увидеть, что, поскольку разрядный контур невелик, включение в этот контур небольшой индуктивности или фрикционного сопротивления даст ощутимую разницу в результате, например, в длине искры на вторичной обмотке. Но он, конечно, не ожидает того, что иногда даже четверти дюйма провода достаточно для получения зримого эффекта. В качестве примера: несложно при помощи такого аппарата получить искру длиной несколько футов, а удалив или добавив к первичной обмотке дюйм толстого медного провода, можно сократить искру наполовину. Наблюдения такого рода впечатляют экспериментатора необходимостью точной настройки контуров и определения их констант. Его внимание, помимо его воли, привлекается тогда к преимуществам, которые можно получить от снижения самоиндукции и сопротивления разрядной цепи, причем первое обеспечивает наибольшую частоту вибраций, и второе — экономию. Он также начинает понимать важность сведения к минимуму длины и сопротивления всех соединительных частей и проводов. Хорошо сконструированный прибор и его разрядный контур должны иметь не более пяти процентов неактивного проводника, его сопротивление должно быть крайне малым, а самоиндукция не должна составлять более нескольких сот сантиметров. Я обнаружил, что практически обязательно для постройки первичной обмотки надо применять тонкую медную ленту, и именно ее использование позволило сделать некоторые любопытные наблюдения. Выяснилось, что при определенных условиях в процессе работы первичная обмотка становится ощутимо прохладнее. Довольно длительное время я сомневался в таком результате, пока не доказал положительно, что это происходит вследствие эффекта Томсона, когда тепло от первичной обмотки передается на пластины конденсатора.

Поначалу может показаться неясным, почему первичный разрядный контур так чувствителен к изменениям длины, ибо цепь любой длины может быть подключена к конденсатору, и если соотношение между сопротивлением, емкостью и самоиндукцией удовлетворяет условиям, определенным лордом Кельвином, произойдет колебательный разряд. Но следует помнить, что скорость распространения возмущения в контуре зависит от этих величин, и наилучшего результата можно достичь, когда скорость такова, что формируется стоячая волна с одной точкой пересечения, расположенной почти всегда в точке контура или проводника, равноудаленной от пластин конденсатора. При таком условии достигается максимальное напряжение на выводах конденсатора. Но такое состояние возможно только тогда, когда скорость распространения по контуру такова, что возмущение проходит с интервалом, необходимым для завершения половины колебания. Итак, поскольку скорость крайне высока, а длина контура очень мала, даже незначительные изменения длины могут привести к поразительным изменениям в работе устройства. Эти утверждения, конечно, не следует воспринимать как обязательные для каждого случая, такие события имеют место только в случаях, когда колебание разрядного контура, начатое колебанием контроллера, не затухает до начала следующего колебания контроллера. Это можно наглядно проиллюстрировать на примере, взятом из механики. Представим пружину с грузом, подвешенную в тисках, которая начинает вибрировать после нанесенного по ней удара.

Дадим колебаниям затухнуть и нанесем следующий удар. Пружина начнет колебаться, как и прежде, и неважно, какой груз к ней подвешен, какова ее упругость, каков период колебаний и с каким интервалом наносятся удары, процесс преобразования энергии ударов в энергию колебаний будет происходить с одинаковой экономичностью, за исключением влияния второстепенных факторов, которые не играют сейчас никакой роли. То же самое происходит и с электромагнитной системой, и на ранних стадиях экспериментов и отладки прибора я использовал конденсаторы, обычные и электролитические, очень большой емкости и разряжал их со сравнительно большими интервалами через первичный контур, имевший крайне малую самоиндукцию и сопротивление, таким образом получая импульсы тока, достигавшие, по крайней мере, по подсчетам, максимальной величины 100 000 ампер. Таким способом я получал высокую максимальную скорость изменения, но тем не менее средняя скорость изменения была невелика. Если еще раз рассмотреть приведенный выше механический аналог, то из него немедленно можно извлечь урок. Рассматривая пружину как прибор для преобразования энергии, можно сделать вывод, что и экономия и мощность требуют, чтобы колебания продолжались как можно дольше, а удары наносились как можно чаще. Для того чтобы достичь этих требований, надо сделать так, чтобы удары наносились в то время, когда пружина еще колеблется, из чего следует — надо вовремя наносить их. Точно так же и в электромагнитной системе, контроллер цепи должен работать с определенными интервалами, чтобы обеспечить наибольшую частоту колебаний при наименьших затратах энергии. При создании прибора для практического применения принимается произвольное число базовых импульсов, и конденсатор, который изготавливается во время особого процесса, не может быть настроен без особых трудностей, а размер и в определенной степени количество витков первичной обмотки можно определить заранее, исходя из практических соображений. Более того, нежелательно, из соображений экономии, прибегать к удобному в иных случаях способу настройки, когда последовательно с первичной обмоткой включается самоиндуктивность. Такие действия затруднят настройку остальных параметров, и я время от времени прибегал к различным способам настройки, которые казались само собой разумеющимися. Например, поверх первичной я наматывал еще одну обмотку и включал ее параллельно первичной, либо точной настройки я добивался путем определения величины самоиндукции и емкости вторичной обмотки.

Для того чтобы облегчить процесс наблюдения и сделать возможным точное определение колебаний электромагнитной системы, равно как и колебания или обороты механических устройств, таких, как контроллеры цепи, применяемые вместе с такими системами, было решено обязательно создать устройство для этих целей. С самого начала я решил обзавестись устройством визуальной синхронизации. В таком устройстве обычно диск или цилиндр с отметками вращается с постоянной скоростью и периодически освещается световым сигналом, причем метки кажутся застывшими на месте, когда обороты диска синхронны периодам светового сигнала. Главное достоинство такого метода очевидно заключается в постоянстве скорости вращения или в постоянном периоде колебаний. Довольно рано столкнувшись с проблемой вращения тела с одинаковой огромной скоростью, что требуется во многих случаях, или с проблемой получения колебаний с постоянным периодом, я уделил некоторое внимание изучению этого предмета, и по прошествии времени у меня появилось несколько практических решений, более или менее удовлетворительных.