И ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ПО ЭТОМУ ВОПРОСУ

Возвращаясь теперь к световым явлениям, которые были основным предметом исследований, хотелось бы заметить, что все эти явления можно разделить на четыре класса: 1. Накал твердого вещества. 2. Фосфоресценция. 3. Накаливание или фосфоресценция разреженного газа. 4. Свечение газа при обычном давлении. Первый вопрос таков: как получаются эти световые эффекты? Для того чтобы ответить на этот вопрос, удовлетворяя всем современным требованиям и учитывая приобретенный мной опыт, а также для того, чтобы сделать демонстрацию интересной, я расскажу о некоей особенности, которой придаю огромное значение, поскольку она обещает, кроме всего прочего, пролить больше света на природу явлений, произведенных высокочастотными электрическими токами. Как-то я уже указывал на важность присутствия разреженного газа, или атомарной среды в целом, вокруг проводника, через который протекает переменный ток высокой частоты, когда речь идет о нагреве проводника протекающим током. Мои опыты, описанные ранее, показали, что чем выше частота и разность потенциалов тока, тем более важным становится газ, в который помещен проводник, для его нагрева. Однако разность потенциалов, как я тогда указывал, элемент более важный, чем частота. Когда оба эти параметра достаточно высоки, нагрев может происходить целиком за счет присутствия разреженного газа. Следующие эксперименты продемонстрируют важность разреженного газа, газа при обычном или ином давлении для накаливания или иных световых эффектов, производимых токами этого типа.

Я беру две одинаковые 50-вольтовые лампы по 16 свечей, которые одинаковы во всём, за исключением того, что одна лампа была вскрыта сверху, и ее заполнил воздух, а вторая находится в обычном состоянии вакуума, как обычные коммерческие лампы. Когда я присоединяю вакуумную лампу к выводу индукционной катушки, которую я уже использовал в опытах, проиллюстрированных на рисунке 15а, и включаю ток, нить, как вы уже не раз убеждались, сильно накаляется. Когда я присоединяю вторую лампу, наполненную воздухом, нить всё же светится, но не так ярко. Этот эксперимент только частично демонстрирует истинность предыдущих высказываний. Важность того, что нить помещена в разреженный газ, наглядно показана, но не так отчетливо, как хотелось бы. Причина тому — вторичная обмотка этой катушки рассчитана на низкое напряжение и имеет всего лишь 150 витков, следовательно, разность потенциалов на выводах лампы мала. Если бы я взял другую катушку с большим количеством витков, результат был бы виден более рельефно, так как он частично зависит от напряжения, как указывалось ранее. Но так как он таким же образом зависит и от частоты, то правильнее было бы сказать, что он зависит от периода изменения разности потенциалов.

Чем больше это изменение, тем важнее становится газ как фактор нагрева. Я могу воспроизвести и гораздо большую скорость изменений, но по-иному, и этот способ, к слову сказать, имеет то преимущество, что после него вряд ли возникнут возражения, которые могли появиться после демонстрации предыдущего эксперимента, даже если обе лампы включить последовательно или параллельно, а именно: исходя из реакции между первичной и вторичной обмотками, сделанные выводы ненадежны. Такого результата я добиваюсь, заряжая батарею конденсаторов от обычного трансформатора, запитанного от подстанции переменного тока, и разряжаю их прямо через контур с небольшой самоиндукцией, как показано на рисунках 19а, 196 и 19в.

На рисунках 22а, 226 и 22в тяжелые медные бруски ВВ₁ соединены с противоположными пластинами батареи конденсаторов, или, в целом, таким образом, что внезапные разряды высокой частоты пронизывают их. Сначала я присоединяю к брускам при помощи клемм СС обычную 50-вольтовую лампу. Когда через лампу проходят разряды, нить накаливается, хотя сила тока очень мала и при обычных условиях ее бы не хватило для свечения лампы. Теперь вместо нее я присоединяю другую лампу, такую же, как и первая, но ее герметичность нарушена и она заполнена воздухом при обычном давлении. Когда нить пронизывают разряды, она не накаляется. Но этот результат все же можно отнести к действию одного из факторов. Тогда я включаю обе лампы параллельно, как показано на рисунке 22а. При пропускании разрядов через нити накаливания наблюдаем, что нить в вакуумной лампе / ярко горит, в то время как нить негерметичной лампы L _; остается темной. Но не следует полагать, будто эта лампа потребляет только малую часть энергии, напротив, она может потреблять значительную ее часть и стать даже очень горячей, горячее, чем другая нить, которая горит ярко. Во время данного эксперимента разность потенциалов на выводах ламп меняет знак, теоретически, три или четыре миллиона раз в секунду. Концы нитей заряжаются соответственно, и газ в колбах сильно возбуждается, а большая часть энергии, подаваемой на нити, переходит в тепло. В негерметичной лампе, где количество молекул газа в несколько миллионов раз больше, чем в вакуумной, бомбардировка, наиболее сильная на концах нити в горловине колбы, забирает большую часть энергии, не производя видимого эффекта. Причиной тому — большое число молекул, когда бомбардировка количественно более значительна, но удары не такие сильные вследствие невозможности разгона. В вакуумной колбе, напротив, скорости частиц огромны и удары их сильны, а следовательно, производят соответствующий эффект. Кроме того, конвекционная теплоотдача в первой лампе больше. В обеих лампах сила тока, пронизывающего нити, очень мала, несравнимо меньше, чем им понадобилось бы при обычных условиях в низкочастотном контуре. Разность потенциалов, однако, на концах нитей очень велика и может равняться 20 000 вольт или более, если бы нити были прямыми и концы их расходились далеко. В обычной лампе обычно проскакивает искра между концами нити или внешнего платинового провода задолго до того, как будет достигнуто такое напряжение.

Могут возникнуть предположения, что во время опыта вакуумная лампа могла потреблять ток большей силы и полученный результат можно отнести не только к действию газа в лампах. Такие соображения поутихнут, если я соединю с тем же успехом лампы последовательно. Сделав это, пропускаем заряды через нити и вновь отмечаем, что нить в негерметичной лампе /_/ остается темной, в то время как в вакуумной / светится даже сильнее, чем при нормальных условиях (рисунок 226). В соответствии с общепринятыми взглядами, сила тока в нитях сейчас должна была бы быть одинаковой, если бы не изменилась под воздействием газа в колбах.

На этом этапе лекции мне бы хотелось коснуться еще одной интересной особенности, которая демонстрирует эффект скорости изменения потенциала тока. Теперь я оставлю лампы соединенными последовательно с брусками BB_f, как и в предыдущем опыте (рисунок 226), но значительно понижу частоту тока, которая в предыдущем опыте была очень высокой. Этого я могу добиться, включив последовательно в цепь разряда катушку индуктивности или нарастив емкость конденсаторов. Когда я теперь пропускаю низкочастотные заряды через нити, вакуумная лампа светится, как и прежде, но заметно, что негерметичная лампа тоже светится, хотя и не так ярко, как первая. Уменьшив силу тока в лампах, я могу заставить нить в негерметичной лампе быть тускло красной, и, хотя нить в вакуумной лампе светится ярко (рисунок 22в), степень накала уже гораздо меньше, чем на рисунке 226, когда ток был гораздо большей частоты.

Поведение газа в этих опытах характеризуется двояко, когда определяет степень накала нити, то есть при конвекции и бомбардировке. Чем выше частота и потенциал тока, тем важнее становится бомбардировка. Конвекция, наоборот, должна быть тем меньше, чем выше частота. При постоянном токе, бомбардировки практически нет, и следовательно, конвекция сильно влияет на накал нити и дает результат, подобный наблюдавшемуся. Так, если две одинаковые лампы, вакуумная и негерметичная, соединены последовательно или параллельно и питаются постоянным током, то нить негерметичной лампы потребует значительно большей силы тока для накаливания. Это происходит целиком и полностью вследствие конвекции, и результат тем отчетливее, чем тоньше нить. Профессор Эртон и м-р Килгор недавно опубликовали количественные результаты исследований термальной эмиссионной способности при излучении и конвекции, в которых эффект тонкого провода явно прослеживался. Этот эффект можно продемонстрировать, взяв несколько маленьких коротких стеклянных трубок, в каждой из которых вдоль ее оси располагается тончайший платиновый провод. Если из всех трубок откачать воздух, то несколько из них можно соединить параллельно и подключить к источнику постоянного тока, при этом все нити можно накалить с помощью меньшей силы тока, чем потребовалось бы для накаливания одной нити в негерметичной трубке. Если бы вакуум в трубках можно было довести до такой степени, что конвекция равнялась бы нулю, то относительное количество теплоты, выделенное при конвекции и излучении, можно было без труда определить, прибегнув к количественным измерениям тепловых характеристик. Если применить источник электрических импульсов высокой частоты и потенциала, можно включить еще большее количество трубок, и нити в них будут накаливаться при помощи тока такой силы, что ее было бы недостаточно для ощутимого нагрева провода такого же размера, помещенного в воздух при обычном давлении, и при этом передаваемой энергии хватило бы всем трубкам.

Хочу привести результат, которого добился благодаря наблюдениям во время этих опытов, и который очень интересен. Я заметил, что небольшие различия в плотности воздуха приводили к серьезной разнице в степени накала нитей, и подумал: так как в трубке, через которую проходит световой разряд, плотность газа неоднородна, то очень тонкий провод, помещенный внутрь, может накаляться в местах меньшей плотности газа и в то же время оставаться темным в местах большей плотности, где конвекция сильнее, а бомбардировка менее интенсивна. В соответствии с этой мыслью была приготовлена трубка (;, как показано на рисунке 23, через центр которой проходил очень тонкий платиновый провод w. Из трубки был частично откачан воздух, и было обнаружено, что когда ее соединяли с выводом высокочастотной катушки, платиновый провод и в самом деле накалялся участками, как показано на рисунке 23. Позже было изготовлено несколько таких трубок с одним или несколькими проводами, и каждая из них показывала одинаковый результат. Этот эффект был особенно заметен, когда появлялся полосчатый разряд, но также имел место, когда полосы не были заметны, что говорило о том, что плотность газа в трубке неоднородна. Полосы обычно располагались так, что места наибольшего разрежения соответствовали участкам наибольшего или большей яркости свечения провода w. Но через несколько мгновений становилось заметным, что яркие участки провода покрыты плотными полосами разряда, как показано буквами // на рисунке 23, хотя это явление и было трудноразличимо. Это логично объяснялось, если предположить, что конвекция не сильно различалась на плотных и разреженных участках, а бомбардировка была сильнее на плотных участках полосчатого разряда. В лампах, на самом деле, можно часто наблюдать такую картину, когда тонкий провод накаляется сильнее, если газ не сильно разрежен. Так случается, когда потенциал катушки недостаточен для вакуума, но такой результат можно объяснить разными причинами. Во всяком случае, это любопытное явление накаливания исчезает, когда трубка, или, скорее, провод в трубке равномерно нагревается.

Независимо от корректировки, которую вносит конвекция, есть два основных фактора, которые определяют накал провода или нити при переменном токе, — ток проводимости и бомбардировка. В случае с постоянным током нам приходится иметь дело только с первым из этих факторов, и нагрев при этом минимален, поскольку при постоянном токе сопротивление наименьшее. Когда ток переменный, сопротивление возрастает и усиливается нагрев. Так, если скорость колебания тока очень высока, то сопротивление может вырасти до такого значения, что нить можно накалить при помощи ничтожно малой силы тока, и мы можем взять короткий и толстый кусочек углерода или иного материала и накалить его при помощи силы тока, несравнимо меньшей, чем та, что требуется для той же степени накала нити от постоянного или низкочастотного тока. Этот эффект очень важен, так как показывает, как быстро меняются наши взгляды на этот предмет, и как быстро расширяется область наших знаний. Рассмотрим только один аспект проблемы осветительных приборов. Мы знаем, что для достижения практического успеха, как принято считать, нить должна быть тонкой и иметь высокое сопротивление. Но теперь мы знаем, что сопротивление нити постоянному току ничего не значит; нить может с таким же успехом быть толстой и короткой; ибо если ее поместить в разреженный газ, она накалится при токе малой силы. Всё это зависит от частоты и потенциала тока. Из всего сказанного можно сделать вывод, что для освещения нужно использовать высокую частоту, ибо это позволит применить короткую и толстую нить и ток меньшей силы.

Если нить поместить в однородную среду, весь нагрев будет происходить за счет тока проводимости, но если это будет вакуумный сосуд, то условия будут абсолютно другими. Здесь начинает работать газ и нагрев от тока проводимости, как показывают многие эксперименты, может быть незначительным по сравнению с эффектом от бомбардировки. Это несомненно так, когда контур не замкнут, а потенциал, конечно, высок. Предположим, что тонкая нить помещена в вакуумный сосуд и один ее конец соединен с катушкой высокого напряжения, а другой — с большой изолированной пластиной. Хотя цепь не замкнута, нить, как я уже показывал, сильно накаляется. Если частота и потенциал сравнительно малы, то нить накаляется от проходящего через нее тока. Если частоту и потенциал, последнее важнее, повысить, то пластина может быть небольшой, или ее может не быть совсем; и всё же нить накалена, так как весь накал происходит от бомбардировки. Практически совместить эффекты тока проводимости и бомбардировки можно так, как показано на рисунке 24, где обычная лампа имеет тонкую нить, один конец которой соединен с абажуром, играющим роль пластины, а второй — с источником тока высокого напряжения. Не следует думать, будто для нагревания проводника переменным током важен только разреженный газ, газ при обычном давлении тоже может играть важную роль, если разность потенциалов и частота крайне высоки. По этому поводу я уже заявлял, что когда проводник плавится под ударом молнии, ток, протекающий через него, может быть крайне мал, его может быть даже недостаточно, чтобы нагреть провод, если тот помещен в однородную среду.

Из всего вышесказанного становится ясно: когда проводник высокого сопротивления присоединяют к выводам источника тока высокой частоты и потенциала, может происходить значительное рассеивание энергии, более всего на концах провода, вследствие действия газа, окружающего проводник. Благодаря этому сила тока на участке, что находится посередине провода, может быть значительно меньше, чем сила тока на участке, который ближе к концу. Более того, ток течет в основном через внешние участки провода, но этот эффект не следует путать с поверхностным эффектом, как его обычно трактуют, ибо последний имеет место, или должен иметь место в непрерывной несжимаемой среде. Если много ламп накаливания последовательно соединить с источником такого тока, то лампы по краям цепи могут гореть ярко, а те, что посередине, останутся темными. Это в основном происходит вследствие бомбардировки, как уже говорилось ранее. Но даже при постоянном токе, если потенциал очень велик, лампы по краям цепи будут гореть ярче тех, что посередине. В таком случае нет ритмичной бомбардировки, и эффект достигается благодаря утечке. Эта утечка, или рассеивание, когда напряжение очень высокое, значительно во время использования ламп накаливания, а особенно, во время работы дуги, ибо дуга — это то же пламя. А в целом, конечно, рассеивание не так значительно при постоянном токе по сравнению с переменным.

Я разработал и поставил эксперимент, который достаточно интересно демонстрирует боковую диффузию. Если очень длинную трубку присоединить к выводу высокочастотной катушки, то яркость наиболее высока возле вывода и постепенно падает по направлению к дальнему концу. Это особенно заметно, если трубка узкая.

Небольшая трубка диаметром примерно полдюйма и длиной двенадцать дюймов (рисунок 25) имеет тонкий вытянутый полностью стеклянный конец длиной около трех дюймов. Трубка помещается в медном гнезде Т, которое можно прикрепить к выводу Т₁. индукционной катушки. Разряд, проходящий через трубку, сначала освещает нижнюю часть, сечение которой довольно велико; но он не может пройти сквозь стекло наверху. Но постепенно разреженный газ в трубке нагревается и становится проводником и разряд пронизывает стекло. Он распространяется настолько медленно, что может пройти полминуты, пока он дойдет до верхнего кончика, и становится похожим на тонкое светящееся волокно. Путем настройки потенциала можно заставить свет двигаться вверх с любой скоростью. Однако когда волокна стекла нагреты, разряд распространяется по всей длине мгновенно. Интересно то, что чем выше частота тока, или, иными словами, чем относительно выше боковая диффузия, тем с меньшей скоростью свет может распространяться сквозь волокно. Этот опыт лучше всего ставить с хорошо откачанной и новой трубкой. Если трубку уже несколько раз использовали, опыт часто не удается. Возможно, тому виной постепенное медленное ухудшение вакуума. Это медленное распространение заряда сквозь узкую стеклянную трубку в точности повторяет распространение тепла в бруске, нагретом с одного конца. Чем скорее тепло уносится в сторону, тем больше времени понадобится, чтобы нагреть противоположный конец бруска. Когда ток от низкочастотной катушки проходит сквозь волокно, боковая диффузия мала и разряд мгновенно распространяется по всей длине без исключения.

После всех этих опытов и наблюдений, которые показывают важность прерывистости или атомарной структуры среды, и которые должны объяснить, частично, по крайней мере, природу четырех типов световых эффектов, получаемых при помощи тока такого типа, я могу продемонстрировать вам эти эффекты. Для интереса я могу сделать это таким способом, который для многих из вас будет новым. Вы уже видели, что мы можем передать телу колебания при помощи одного провода или любого проводника. Так как тело человека — проводник, я могу передать колебания своему телу.

Сначала, как и в предыдущих опытах, я соединяю свое тело с одним из выводов высоковольтного трансформатора и беру в руку вакуумную лампу, в которой помещается небольшая углеродная головка, размещенная на конце платинового провода, идущего наружу, и головка накаляется, как только трансформатор включают (рисунок 26). Сверху на лампу я могу положить абажур из проводника для усиления действия, но это необязательно, необязательно также, чтобы головка накаливания была соединена с рукой посредством провода, идущего наружу сквозь стекло, так как достаточное количество энергии для накаливания головки можно передать сквозь стекло при помощи индукции. Затем я беру лампу с сильным вакуумом, в которой находится фосфоресцирующееся тело, поверх которого размещается небольшая алюминиевая пластина на платиновом проводе, ведущем наружу, и ток, проходящий сквозь мое тело возбуждает сильное свечение в лампе (рисунок 27). Теперь я вновь беру в руку простую вакуумную трубку, и вновь точно так же газ внутри трубки начинает светиться (рисунок 28). И наконец, я беру в руку провод, неважно, оголенный или изолированный: электрические вибрации настолько сильны, что покрывают провод светящейся пленкой (рисунок 29).

Несколько слов надо сказать о каждом из этих явлений. Во-первых, о накаливании головки и вообще твердого вещества приведу несколько фактов, равно относящихся ко всем этим явлениям. Ранее указывалось, что когда тонкий проводник, такой, как нить накаливания например, одним концом соединяют с выводом трансформатора высокого напряжения, нить накаляется частично вследствие тока проводимости, а частично вследствие бомбардировки. Чем толще и короче нить, тем большую важность приобретает последний фактор, и в конце концов, если нить превращается в головку, то весь нагрев происходит вследствие бомбардировки. Так и в последнем опыте головка накаляется от ритмических ударов свободно движущихся частиц в колбе. Этими частицами могут быть молекулы остатков газа, частицы пыли или куски электрода; чем бы они ни были, совершенно точно, что нагрев головки в первую очередь связан с давлением таких свободно движущихся частиц, или атомной структурой в трубке. Нагрев тем больше, чем больше количество ударов в секунду, и чем выше энергия каждого удара. И всё же головка также накалится, если ее соединить с источником постоянного потенциала. В таком случае электричество будет уноситься от головки свободно движущимися вокруг частицами, и количества электричества, таким образом унесенного, будет достаточно для накала головки, так как оно сначала проходит через последнюю. Но в данном случае бомбардировка не имеет особого значения. По этой причине требуется подавать на головку значительное количество энергии, для того чтобы поддерживать ее накал при постоянном потенциале. Чем выше частота электрических импульсов, тем экономичнее можно поддерживать накал головки. Одной из основных причин этого является то, что если импульсы имеют очень высокую частоту, то вокруг электрода происходит меньший обмен свободно движущихся зарядов и это означает, что внутри лампы нагретое вещество лучше сконцентрировано вокруг головки. Если сделать двойную лампу, как показано на рисунке 30, состоящую из большой колбы В и маленькой b, каждая из которых имеет нить f на платиновом проводе w и w₁, то обнаружится, что если бы нити ff были идентичны, то меньше энергии понадобилось бы для поддержания нити в колбе B в определенной степени накала, чем такой же нити в колбе В. Причиной тому лучшая концентрация частиц. В этом случае можно также добиться меньшего износа нити в колбе Ь, если определенное время поддерживать ту же степень накала. Это обязательное следствие того, что газ в маленькой колбе сильно нагревается и становится хорошим проводником, и на головку оказывается меньшее воздействие, так как бомбардировка становится менее интенсивной по мере возрастания проводимости газа. В такой конструкции, конечно, маленькая колба становится очень горячей, и когда она достигает определенной степени нагрева, усиливаются конвекция и излучение снаружи. По другому поводу я показывал лампы, в которых этот недостаток был в значительной степени преодолен. Примером тому может служить конструкция, когда очень маленькая лампа, содержащая тугоплавкий электрод в виде головки, помещалась в большую колбу, и воздух из промежутка откачивался. Внешняя большая колба в таких конструкциях оставалась практически прохладной. Если большая колба оставалась соединенной с насосом и вакуум между стенками благодаря этому постоянно поддерживался, колба оставалась совсем холодной, а головка в маленькой лампе была раскалена. Но после герметизации, когда головка какое-то время была раскалена, большая колба тоже нагревалась. Из этого я могу сделать вывод о том (как отмечает профессор Дьюар), что данное явление происходит вследствие нашего быстрого движения сквозь космос, или, говоря в общем, вследствие движения среды относительно нас, ибо постоянное состояние нельзя поддерживать, если среда не обновляется постоянно. Вакуум нельзя, судя по всему, поддерживать вокруг горячего тела.

В конструкциях маленькая лампа внутри, по крайней мере на первых порах, препятствовала бомбардировке внешней колбы. Мне пришла мысль проверить, как поведет себя в таких условиях металлическое сито, и я приготовил для этого несколько ламп, которые показаны на рисунке 31. В колбе Ь была расположена тонкая нить f (или головка) на платиновом проводе, проходящем сквозь стеклянную ножку и ведущем наружу. Нить / была окружена ситом s. Экспериментально было обнаружено, что в таких колбах сито с крупными ячейками ни в коей мере не препятствовало бомбардировке колбы Ь.

Когда был достигнут высокий вакуум, тень от сита была ясно видна на колбе и она скоро нагрелась. В некоторых лампах сито s было соединено с платиновым проводом, запаянным в стекло. Когда этот провод соединяли с другим выводом катушки индуктивности (эдс в таких случаях была небольшой), или с изолированной пластиной, бомбардировка колбы Ь уменьшалась. Но если взять сито с мелкими ячейками, то бомбардировка колбы тоже уменьшается, но даже если вакуум очень высокий, и потенциал трансформатора большой, колба Ь бомбардируется и нагревается очень быстро; хотя не видно решетки от сита из-за того, что ячейки очень мелкие.

Если же вокруг нити размещается стеклянная трубка или иное непрерывное тело, то бомбардировка полностью прекращается на некоторое время и колба b остается абсолютно холодной. Конечно, когда стеклянная трубка достаточно нагревается, бомбардировка внешней колбы моментально становится заметной. Эксперименты с этими колбами показали, что скорости бомбардирующих молекул и частиц должны быть значительными (хотя и не сравнимы со скоростью света), в ином случае было бы трудно понять, как они могут пронизывать тонкую металлическую решетку без всяких последствий, если только не обнаружится, что на такие маленькие частицы влияние может оказываться напрямую с определенного расстояния. Что касается скорости бомбардирующих атомов, то лорд Кельвин недавно высказал предположение, что она может составлять примерно один километр в секунду в обычной лампе Крукса. Поскольку потенциал, получаемый от катушки с разрядником, значительно выше, чем тот, что получается от обычной катушки, скорости должны быть, конечно, гораздо выше, когда лампа питается от такой катушки. Предположим, что скорость движения частицы в вакууме пять километров в секунду и она постоянна по всей траектории, как и должно быть в вакуумном сосуде, тогда, если скорость изменения заряда электрода равна пяти миллионам в секунду, то частица может удалиться от электрода не более чем на миллиметр, если на этом расстоянии на нее оказывается прямое воздействие, тогда молекулярный или атомный обмен будет очень медленным, и колба почти не будет подвергаться бомбардировке. По крайней мере, это должно быть так, если только воздействие электрода на атомы остаточного газа подобно воздействию заряженного тела на предметы, которые мы можем воспринимать. Горячее тело, помещенное в вакуумный сосуд, также приводит к бомбардировке, но просто горячее тело не колеблется в определенном ритме, так как молекулы его производят разные вибрации.

Если из колбы, содержащей головку или нить накаливания, откачать воздух, насколько это возможно при помощи самых лучших приспособлений, то часто можно наблюдать, что разряд не может поначалу пройти, но по прошествии некоторого времени, видимо, вследствие каких-либо изменений внутри колбы, разряд проходит и головка или нить накаляется. На самом деле, чем выше степень откачки воздуха, тем легче добиться накала. По-видимому, нет иных причин для накаливания в таких случаях, за исключением бомбардировки или подобного воздействия остатков газа или частиц вещества. Но если мы создали очень высокий вакуум, могут ли они иметь большое значение? Предположим, что мы получили совершенный вакуум, тогда очень интересно ответить на вопрос: Та среда, которая пронизывает всё пространство, она непрерывна или состоит из частиц? Если состоит из частиц, тогда нагрев проводника или нити в вакуумном сосуде может происходить вследствие бомбардировки эфиром, и тогда вообще нагрев проводника, через который пропущен ток высокой частоты и потенциала, должен подвергаться изменениям этой среды; тогда поверхностный эффект, очевидный рост омического сопротивления и т. д., по крайней мере частично, поддаются иному объяснению.

Разумеется, учитывая многие явления, связанные с высокочастотными токами, конечно, говорят о том, что весь космос скорее наполнен свободными атомами, а не лишен их. Будь так, он был бы темным и холодным, заполнен однородной субстанцией, в которой не может быть ни тепла, ни света. Как в этом случае передается энергия: независимыми носителями или вибрацией однородной субстанции? Этот важный вопрос до сих пор остается без ответа. Но многие из тех эффектов, что демонстрировались здесь сегодня, в особенности световые, накаливание и свечение, подразумевают наличие свободных атомов, без которых эти эффекты были бы невозможны.

Что касается накаливания тугоплавкой головки (или нити) в вакуумном сосуде, что и было темой нашего исследования, то основные выводы, которые могут служить инструкцией для создания таких ламп, можно сформулировать следующим образом: 1. Головка должна быть как можно меньше, сферической формы, полированная или гладкая, изготовлена из тугоплавкого материала, который выдерживает испарение. 2. Опора должна быть очень тонкой и защищена слоем алюминия и слюды, как я уже указывал ранее. 3. Воздух следует откачивать, насколько это возможно. 4. Частота должна быть практически самая высокая. 5. Ток должен колебаться гармонически, без внезапных прерываний. 6. Тепло следует концентрировать вокруг головки, помещая внутрь лампы небольшую колбу, или иным способом. 7. Из пространства между внешней и внутренней колбами воздух должен быть откачан.

Большинство соображений, высказанных по поводу накаливания твердого тела, применимы и к фосфоресценции. И в самом деле, в вакуумном сосуде фосфоресцентность, как правило, в первую очередь вызывается потоком атомов, испускаемых электродом и ударяющихся о фосфоресцентное тело. Даже в тех случаях, когда нет свидетельств такой бомбардировки, я полагаю, что фосфоресценция вызывается сильными ударами атомов, которые не обязательно испускаются электродом, но находятся под его индуктивным воздействием через среду или через другие атомы. То, что эти механические удары играют важную роль в возбуждении свечения в лампе, можно продемонстрировать в следующем эксперименте. Если взять лампу, как показано на рисунке 10, и максимально откачать из нее воздух настолько, что разряд не сможет пройти, то нить f будет индуктивно воздействовать на трубку t и заставит ее вибрировать. Если трубка о будет достаточно толстой, примерно дюйм шириной, то нить может колебаться настолько сильно, что каждый раз, когда она будет прикасаться к стеклу, она будет вызывать фосфоресценцию. Но свечение прекращается, когда нить успокаивается. Вибрацию можно прекратить и опять начать путем изменения частоты тока. Итак, нить имеет свой период колебаний, и если частота тока такова, что происходит резонанс, то она снова начинает колебаться, даже если потенциал невелик. Я часто становился свидетелем того, как нить в лампе разрушалась от такого механического резонанса. Нить колеблется обычно так быстро, что это невозможно увидеть, и экспериментатор поначалу может быть озадачен. Когда опыт, подобный приведенному, тщательно организован, потенциал тока должен быть крайне мал, и на основании этого я делаю вывод о том, что свечение происходит вследствие механического удара нити о стекло, так же, как это происходит, когда ножом бьют по большому куску сахара. Механический удар от отраженных атомов легко заметить, когда лампу с помещенной в ней головкой накаливания берут в руку, а потом внезапно включают ток. Я полагаю, что лампа разобьется на куски, если возникнет необходимость соблюсти условия, при которых возникает резонанс.

В предыдущем эксперименте, конечно, вопрос остается открытым, действительно ли стеклянная трубка сохраняет тот или иной заряд после контакта с нитью. Теперь если нить снова касается стекла в том же самом месте, когда она заряжена противоположно, заряды компенсируют друг друга под воздействием света. Но такое объяснение не имеет значения. Без сомнения, первоначальные заряды атомов или стекла играют какую-то роль в возбуждении фосфоресценции. Так, например, если фосфоресцентную лампу сначала соединить с одним выводом высокочастотной катушки и отметить степень свечения ее, а затем лампе передать мощный заряд от машины Хольца, причем желательно соединить ее с положительным выводом машины, обнаружится, если лампу вновь соединить с выводом высокочастотной катушки, свечение будет гораздо более интенсивным. Во время другого опыта я изучал возможность проявления фосфоресцентности в лампах, когда она вызвана накаливанием бесконечно тонкого поверхностного слоя светящегося тела. Удары атомов достаточно сильны, чтобы своим воздействием вызвать накал, поскольку они своими ударами накаляют тело значительных размеров. Если такие эффекты имеют место, то наилучшее приспособление для получения фосфоресценции в лампе, которое нам пока известно, — это катушка с разрядником, выдающая огромный потенциал при небольшом количестве базовых разрядов, скажем 25–30 в секунду, достаточных, чтобы глаз их не воспринимал. Это факт, что такая катушка вызывает свечение почти при любых условиях и при любой степени вакуумирования, и я был свидетелем случаев, когда эффекты фосфоресценции проявлялись даже при атмосферном давлении, когда потенциал был крайне высок. Но если фосфоресценция достигается за счет компенсации зарядов атомов (что бы это в конечном итоге ни значило), тогда, чем выше частота импульсов переменных зарядов, тем экономичнее производство света. Уже давно и хорошо известно, что все фосфоресцентные тела — плохие проводники электричества и тепла, и что все тела перестают светиться, когда достигаю определенной температуры. Проводники, напротив, этим качеством не обладают. И из этого правила есть лишь несколько исключений. Углерод — одно из них. Беккерель заметил, что углерод светится при определенной повышенной температуре, предшествующей его переходу в тускло-красное состояние. Это можно наблюдать в лампах, имеющих достаточно большой углеродный электрод (скажем, шарик диаметром 6 мм). После включения тока, через несколько секунд, электрод покрывает снежно-белая пленка, как раз перед тем, как он станет темно-красным. Замечено, что подобные явления происходят и с другими проводниками, но многие ученые скорее всего не отнесут их к истинным проявлениям фосфоресценции. Правда ли, что настоящее накаливание имеет отношение к фосфоресценции, возбуждаемой ударами атомов или механическими ударами, предстоит еще решить, но фактом является то, что при любых условиях, когда есть тенденция к локализации и усилению нагрева в точке столкновения, эти условия наиболее благоприятны для возникновения фосфоресценции. Итак, если электрод очень мал, можно сказать, что плотность очень высока; если потенциал очень высок, а газ сильно разрежен, все эти условия подразумевают высокую скорость бомбардирующих атомов, или частиц вещества, а следовательно, интенсивные удары, — и фосфоресценция очень интенсивна. Если в колбу поместить большой и маленький электроды и соединить их с индукционной катушкой, то маленький электрод начнет светиться, в то время как большой может и не светиться, так как чем меньше электрическая плотность, тем меньше скорость атомов. Лампу с большим электродом внутри, соединенным с катушкой, можно взять рукой и электрод может не засветиться; но если вместо этого лампы коснуться заостренным проводом, свечение моментально заполнит всю лампу, вследствие высокой плотности в месте контакта. Видимо, при низких частотах газы с большим атомным весом вызывают большую фосфоресценцию, чем газы с меньшим атомным весом, как, например, водород. При высоких частотах, наблюдений недостаточно, чтобы сделать надежный вывод. Кислород, как известно, дает очень сильные эффекты, но это частью можно объяснить химической реакцией. Кажется, что лампа, заполненная остатками водорода, возбуждается наиболее легко. Электроды, разрушающиеся наиболее легко, дают наибольшее свечение в лампах, но это состояние недолговечно вследствие нарушения вакуума и осаждения частиц электрода на светящихся поверхностях. Некоторые жидкости, как, например, масло, дают блестящий эффект фосфоресценции (или флюоресцентное™?), но он длится всего несколько секунд. Так, если на стенках колбы есть следы масла и включается ток, то свечение продолжается всего несколько мгновений, до тех пор, пока масло не улетучится. Из всех опробованных веществ, кажется, только сульфид цинка наиболее поддается фосфоресценции. Некоторые образцы этого материала, полученные благодаря любезности профессора Анри из Парижа, испытывались в данных лампах. Одним из недостатков этого сульфида является то, что он теряет свойство излучать свет после того, как его нагреют до температуры, которую никак нельзя назвать высокой. Следовательно, его можно использовать только при очень низкой интенсивности. Следует отметить то немаловажное его свойство, что при интенсивной бомбардировке из алюминиевого электрода, он приобретает черный цвет, но что характерно, возвращается в исходное состояние при остывании.

Самый важный вывод, к которому я пришел, проводя данные исследования, это то, что в любом случае для возбуждения фосфоресценции с минимальными затратами энергии, требуется соблюдать определенные условия. А именно: всегда, независимо от частоты тока и степени вакуума в лампе, есть определенный потенциал (если лампа соединена с одним выводом) или разность потенциалов (если лампа соединена с двумя потенциалами), которые дают наиболее экономичный результат. Если потенциал повышен, много энергии тратится, а света больше не становится, и напротив, если потенциал понизить, производство света всё равно не так экономично. Точные характеристики, при которых получается наилучший результат, видимо, зависят от разнородных причин, и их должны еще исследовать экспериментаторы, но совершенно точно их следует придерживаться для получения наилучших результатов.

Переходя теперь к наиболее интересным из этих явлений, накаливанию, или свечению, газов при пониженном или атмосферном давлении, должен сказать, что нам надо искать ключ к разгадке этих явлений в тех же первоначальных причинах, то есть, в ударах, или столкновениях, атомов. Когда молекулы или атомы, ударяясь о твердое тело, возбуждают его свечение, или накаливание, при столкновениях друг с другом они порождают те же явления. Но это недостаточное объяснение и оно содержит только механизм действия. Свет порождается колебаниями, которые происходят с почти непостижимой скоростью. Если при помощи энергии, содержащейся в форме известных излучений в замкнутом пространстве, мы станем вычислять силу, необходимую для возбуждения таких быстрых колебаний, мы обнаружим, что хотя плотность эфира несравнимо мала, и меньше плотности всех известных нам веществ, например водорода, всё же сила превосходит наше понимание. Что же это за сила, что в механическом эквиваленте превосходит значение нескольких тысяч тонн на квадратный дюйм? Это электростатическая сила в свете современных воззрений. Невозможно понять, как тело измеримых размеров можно зарядить до такого потенциала, что этой силы будет достаточно для производства таких вибраций. Задолго до того, как телу будет передан такой заряд, его просто разорвет на атомы. Солнце излучает свет и тепло, то же самое делает обычное пламя или нить накаливания, но ни в том, ни в другом нельзя объяснить действие этой силы, если связать ее с телом, как с целым. Мы можем объяснить ее только в одном случае, если свяжем ее с атомом. Атом настолько мал, что если бы он заряжался после контакта с заряженным телом, и можно было предположить, что заряд следует тем же законам, что и в случае с заряженным телом, измеримых размеров, то он должен бы был сохранять количество электричества, которое бы полностью объясняло наличие этих сил и скорость вибраций. Но атом в таком состоянии ведет себя иначе — он всегда берет тот же самый «заряд».

Скорее всего резонансные колебания играют особо важную роль в проявлениях энергии в природе. Везде в пространстве вся материя колеблется, и в ней представлены все скорости колебания — от самых низких музыкальных нот, до самого высокого тона химических излучений, следовательно, и атом, или скопление атомов, независимо от периода, должны найти колебания, с которыми они в резонансе. Когда мы думаем об огромной скорости световых колебаний, мы понимаем, что невозможно воспроизвести такие колебания напрямую, используя аппаратуру измеримых размеров, и мы вынуждены использовать единственное оставшееся у нас средство получить световые волны экономно и при помощи электричества, то есть воздействовать на молекулы или атомы газа, заставить их соударяться и вибрировать. Тогда мы должны задать себе вопрос: Как можем мы воздействовать на молекулы и атомы?

Ясно, что на них можно воздействовать при помощи электростатической силы, как следует из всех этих опытов. Меняя электростатическую силу, мы можем возбудить атомы, заставить их соударяться, что сопровождается выделением тепла и света. Вне всякого сомнения, никто еще не продемонстрировал, как можно на них воздействовать иначе. Если через закрытую вакуумную трубку пропустить световой разряд, то последуют ли атомы в своей организации какой-либо другой силе, кроме электростатической, которая действует напрямую, от атома к атому? Совсем недавно я исследовал взаимодействие двух контуров с крайней степенью вибрации. Когда батарея из нескольких банок (ccc₁c₁, рисунок 32) разряжается через первичную обмотку Р низкого сопротивления (соединения такие, как показаны на рисунках 19а, 196, 19в, а частота колебаний составляет несколько миллионов, в точках на первичной обмотке, отстоящих друг от друга всего на несколько дюймов, возникает огромная разность потенциалов. Эта разность может составлять 10 000 вольт на дюйм, если не более, принимая максимальное значение эдс. На вторичную обмотку S₁ следовательно, действует электростатическая индукция, которая в крайних случаях гораздо важнее, чем электродинамическая. Для таких резких импульсов первичная обмотка, как и вторичная, плохие проводники, следовательно, огромная разность потенциалов может порождаться электростатической индукцией между соседними точками вторичной обмотки. Затем между проводами могут проскакивать искры и в темноте станут видимы потоки, если не допустить через промежуток dd разряда. Теперь, если мы заменим вторичную обмотку S герметичной вакуумной трубкой, то разности потенциалов в трубке, созданной электростатической индукцией, сполна хватит, чтобы возбудить некоторые ее участки; но так как точки определенной разности потенциалов в первичной обмотке не фиксированы, а постоянно меняют положение, в трубке появляется светящаяся полоса, которая очевидно не касается стекла, хотя и должна была бы, если бы точки минимума и максимума потенциала имели фиксированное положение на первичной обмотке. Я не исключаю возможности того, что эта трубка возбуждается исключительно благодаря электродинамической индукции, поскольку этого взгляда придерживаются очень опытные физики; но, по моему мнению, еще нет положительных доказательств того, что атомы газа в закрытой трубке могли расположиться в такие цепочки под действием электродвижущего импульса, порожденного электродинамической индукцией в трубке. Мне еще не удавалось пока получить полосы в трубке, какой бы длинной она ни была, и какой бы вакуум в ней ни был создан, то есть полосы под прямым углом к предполагаемому направлению разряда или оси трубки; но отчетливо наблюдал в большой колбе, где широкая светящаяся полоса появлялась после разряда батареи через провод, опутывающий лампу, слабый световой круг между двумя полосами, одна из которых была интенсивнее другой. Более того, мой опыт говорит мне, что такой газовый разряд в закрытой трубке не может вибрировать, то есть вибрировать как единое целое. Я убежден, что ни один разряд, проходящий в газе, не может вибрировать. Атомы газа ведут себя очень любопытно по отношению к внезапным электрическим импульсам. Видимо, газ не обладает ощутимой инерцией по отношению к таким импульсам, ибо на самом деле, чем выше частота импульсов, тем свободнее заряд проходит сквозь газ. Если газ не обладает инерцией, то он не может вибрировать, так как некоторая инерция необходима для свободных колебаний. Из этого я делаю вывод о том, что если между двумя тучами случится разряд молнии, то не возникнет никакой осцилляции, учитывая емкость облаков. Но если разряд молнии ударит в землю, вибрация возникает всегда — в земле, а не в облаке. При разряде сквозь газ каждый атом газа колеблется с собственной скоростью, но нет колебания проводящей газообразной среды как целого. Это очень важное соображение при решении великой проблемы экономичного производства света, ибо оно учит нас тому, что этого результата можно добиться, если использовать импульсы высокой частоты и обязательно высокого потенциала. Факт, что кислород дает более интенсивное свечение в трубке. Не потому ли, что атомы кислорода обладают некоторой инерцией, и колебания не затухают мгновенно? Но тогда азот должен вести себя так же, а хлор и испарения некоторых веществ должны быть еще лучше, чем кислород, если только в игру не вступают магнитные свойства последнего. А может, процесс в трубке имеет электролитическую природу? В пользу этого свидетельствуют многие наблюдения, а самое важное то, что электрод всегда испускает частицы вещества, и вакуум в трубке нельзя поддерживать постоянно. Если такой процесс имеет место на самом деле, тогда опять мы должны прибегнуть к высоким частотам, ибо с их помощью электролитическое воздействие можно свести к минимуму, а то и вовсе от него избавиться. Нельзя отрицать тот факт, что при использовании высоких частот, если только импульсы гармоничны, как те, что получаются от генератора переменного тока, износ меньше и вакуум более долговечен. При работе пробойной катушки потенциал резко меняется и вакуум быстрее нарушается, так как электроды быстрее изнашиваются. Было замечено, что в некоторых больших трубках, которые содержали тяжелые углеродные бруски ВВ_Г соединенные с проводами ww (как показано на рисунке 33), применявшиеся во время опытов с пробойными катушками вместо обычного искрового промежутка, частицы углерода под действием мощного магнитного поля, в которое была помещена трубка, располагались в виде прямых тонких линий в центре трубки, как показано на рисунке. Появление этих линий относили к отклонению или искривлению разряда под воздействием магнитного поля, но почему их скопление возникло именно там, где поле было наиболее сильным, было непонятно. Интересно заметить, что наличие сильного магнитного поля увеличивает износ электродов, возможно, потому, что оно производит быстрые прерывания, когда между электродами возникает более высокая эдс.

Многое еще можно сказать о световых эффектах, которые дают газы при низком или обычном давлении. После просмотра всех опытов мы не можем сказать, что природа этих прекрасных явлений достаточно изучена. Но исследования в этом направлении ведутся с особенным рвением. Каждая отрасль науки по-своему захватывает, но исследования в области электричества, видимо, обладают особой притягательной силой, ибо каждый опыт, каждое наблюдение в этой области находят в нас неповторимый отклик. И всё же мне кажется, что из всех чудес, которые мы наблюдаем, вакуумная трубка, возбужденная электрическим импульсом от удаленного источника, вспыхивающая в темноте и освещающая помещение, самое прекрасное явление, которое доступно нашему взору. Еще более интересное для меня — понизить частоту базовых разрядов в искровом промежутке, и, размахивая трубкой, получать разные формы линий. Так, для развлечения, я беру прямую длинную трубку, или квадратную, или квадрат, соединенный с длинной прямой, и поворачивая их быстро, имитирую вращение колеса и спиц, обмотку Грамма, барабан, обмотку мотора переменного тока и т. д. (рисунок 34). Если смотреть издали, эффект слабый, и красота его теряется, но вблизи, и если трубка в руке, — вряд ли кто-то устоит перед этим завораживающим зрелищем.

Представляя сегодня эти незначительные достижения, я не пытался расположить их так, как это следует делать в процессе чисто научного поиска, когда каждый итог есть логическое следствие предыдущего, и когда его может предугадать внимательный читатель или слушатель. Я предпочел направить свои усилия на выдвижение новинок и идей, которые могли бы предложить нечто остальным, и это может служить извинением отсутствию гармонии в моем выступлении. Объяснения явлений давались добросовестно, в духе студента, готового понять, что допустимы требования и более полных объяснений. Не будет большого вреда, если студент воспримет неверные взгляды, но когда ошибаются великие умы, мир дорого платит за их ошибки.

5. Высокочастотные генераторы для электротерапевтических и иных целей [10]