Въ опытахъ съ Гейслеровыми трубками, какъ было уже замѣчено, усиливая токъ, натолкнулись на особое явленiе, — накаливанiе концовъ платиновыхъ проволочекъ (электродовъ) внутри трубокъ. Въ 1881 году Кеннеди (въ Англiи), задумавъ воспользоваться этимъ явленiемъ въ цѣляхъ практическаго примѣненiя для освѣщенiя, построилъ нѣсколько образчиковъ лампочекъ, долженствовавшихъ давать свѣтъ отъ накаленныхъ электродовъ, внутри стекляннаго шарика съ разрѣженнымъ газомъ. Такъ какъ платиновые электроды внутри трубокъ накаливаются болѣе всего на концахъ, то чтобы концы ихъ не расплавились, на нихъ были насажены кусочки угля различной величины и формы. Тогда явилась возможность накалить ихъ до болѣе высокой температуры и получить свѣтъ болѣе, чѣмъ отъ накаленной до бѣла платины.
Въ конструкцiи общеупотребительныхъ лампочекъ съ накаливающимся волокномъ есть, какъ извѣстно, одинъ весьма существенный недостатокъ, — именно: если черезъ волокно лампочки пройдетъ токъ нѣсколько большей силы, чѣмъ для какой оно предназначено, то волокно перегораетъ въ какомъ-либо мѣстѣ своей длины, и лампочка дѣлается негодною къ употребленiю.
Очевидно, что лампочки Кеннеди не могутъ имѣть такого недостатка, и это соображенiе послужило для изобрѣтателя основанiемъ надеждъ на практическое примѣненiе его лампочекъ. Но надежды эти не оправдались: для болѣе сильнаго свѣта пришлось употреблять токи такой силы, при которой нагрѣванiе шло дальше концовъ электродовъ и расплавляло ихъ металлическiя части. Однако, это обстоятельство могло-бы быть устранено надлежащей конструкцiей лампы (удлинненiемъ угля), и намъ неизвѣстно, почему изобрѣтатель не совершенствовалъ своихъ лампочекъ; тѣ же, которыя были имъ сдѣланы, всѣ перегорѣли, и изобрѣтенiе было забыто.
Спустя 10 лѣтъ, совершенно на томъ же началѣ построилъ свою систему электрическаго освѣщенiя американскiй инженеръ Тесла, примѣнивъ для него частоперемѣнный электрическiй токъ высокаго напряженiя.
Разсмотримъ теперь, какъ можно получить перемѣнные токи высокаго напряженiя и большой частоты. — Существуютъ приборы, посредствомъ которыхъ можно токи малаго напряженiя преобразовать въ токи высокаго напряженiя, и обратно. — Эти снаряды называются трансформаторами; образчикомъ ихъ можетъ служить всѣмъ извѣстный приборъ Румкорфа. — Отъ тонкой проволоки этого снаряда получается рядъ мгновенныхъ токовъ, идущихъ поперемѣнно въ томъ и другомъ направленiи и раздѣленныхъ нѣкоторыми промежутками времени. Въ дѣйствительности эти токи не мгновенны, а продолжаются нѣсколько десятитысячныхъ долей секунды. Поэтому, если упругая пластинка прерывается, дѣлаетъ, напр., 100 колебанiй въ секунду, то общая продолжительность индуктированныхъ токовъ за это время достигнетъ только нѣсколькихъ сотыхъ долей секунды, и въ такомъ случаѣ очевидно, что катушка большую часть времени совсѣмъ не посылаетъ намъ токовъ.
Если перерывы болѣе часты, то общая продолжительность индуктированныхъ токовъ будетъ больше и дѣйствiе ихъ сильнѣе. Рядъ такихъ токовъ, болѣе или менѣе быстро слѣдующихъ одинъ за другимъ, (каждый разъ съ перемѣной направленiя), короче называется просто «перемѣннымъ токомъ» большей или меньшей частоты. Электромагнитный прерыватель съ упругой пластинкой — (какъ обыкновенно въ катушкѣ Румкорфа) можетъ дать, при надлежащей конструкцiи, болѣе 2000 перемѣнъ тока въ секунду1).
Существуютъ особаго рода динамо-электрическiя машины, которыя даютъ перемѣнный токъ большей или меньшей частоты; онѣ называются альтернаторами. Если токъ такой машины пропустить по толстой проволокѣ катушки Румкорфа, то мы не будемъ имѣть надобности ни въ какомъ прерывателѣ и, устранивъ его, получимъ отъ тонкой проволоки катушки также перемѣнный токъ, той же частоты, но болѣе высокаго напряженiя.
Тесла построилъ для своихъ опытовъ такiя машины перемѣннаго тока, которыя при надлежащей скорости вращенiя могутъ давать отъ 10 до 20 тысячъ перемѣнъ въ секунду. Такой токъ трансформировался въ токъ очень высокаго напряженiя съ помощью катушки, которая принципiально ничѣмъ не отличалась отъ катушки Румкорфа: тогда получался токъ съ напряженiемъ въ 70000 вольтъ и, конечно, той же частоты, каковъ былъ токъ возбуждавшiй. Далѣе, отъ катушки токъ поступалъ въ обкладки Лейденской банки. Какъ извѣстно, Лейденская банка, разряжаясь искрой, даетъ не одинъ мгновенный токъ, а цѣлый рядъ постепенно ослабѣвающихъ токовъ перемѣннаго направленiя и огромной частоты. Лейденская банка въ описываемой системѣ снарядовъ разряжалась (съ искрой въ небольшомъ перерывѣ) черезъ толстую проволоку второй катушки; такимъ образомъ каждый разрядъ банки давалъ уже цѣлый рядъ перемѣнныхъ токовъ, а число разрядовъ банки соотвѣтствовало числу перемѣнъ перваго тока, т. е. доходило до 20 тысячъ въ секунду. Поэтому по толстой проволоки второй катушки пробѣгалъ токъ, число перемѣнъ котораго достигало 300 тысячъ въ секунду, а отъ тонкой проволоки этой катушки получался токъ той-же огромной частоты и съ огромнымъ напряженiемъ до полумиллiона вольтъ.
Вторая катушка отличается нѣсколько отъ первой, именно: она имѣетъ небольшое число оборотовъ и совсѣмъ не имѣетъ желѣзнаго стержня, такъ какъ перемагничиванiе желѣза требуетъ больше времени, чѣмъ сколько проходить между перемѣнами въ направленiи тока, поступающаго во вторую катушку. Кромѣ того, вся вторая катушка погружалась въ ящикъ съ масломъ, которое представляетъ изъ себя отличный изоляторъ, обладающiй еще тѣмъ драгоцѣннымъ качествомъ, что не портится отъ искръ, какъ твердые изоляторы. Эта предосторожность необходима, такъ какъ твердые изоляторы будутъ постоянно пробиваться искрами, если мы имѣемъ дѣло съ токомъ въ полъ-миллiона вольтъ напряженiя.
Съ помощью именно такого тока Тесла дѣлалъ опытъ со своей системой электрическаго освѣщенiя. — Что касается его лампъ, то, какъ было уже сказано, въ принципѣ онѣ не отличаются отъ лампъ Кеннеди. Въ частностяхъ есть, конечно, и различiе, напр., въ нихъ большей частью всего одинъ уголекъ. Такая лампочка имѣетъ только одинъ электродъ и такъ какъ она представляетъ изъ себя не что иное, какъ Гейслерову трубку, соединяемую съ однимъ полюсомъ катушки, то, какъ мы уже видѣли, она также должна дать небольшой свѣтъ отъ разрѣженнаго газа, въ ней заключеннаго, и уголекъ ея долженъ нагрѣваться. Лампы Тесла устроены такъ прочно, что не имѣютъ уже того недостатка (плавленiя проволоки), которыми обладаетъ ихъ прообразъ — лампы Кеннеди. Въ нихъ воздухъ разрѣжается до послѣдней возможной степени, а потому онъ даетъ еще меньше свѣта, чѣмъ въ Гейслеровыхъ трубкахъ; но при этихъ условiяхъ оказывается, что уголекъ сильнѣе накаливается и, слѣдовательно, даетъ больше свѣта. Общеупотребительныя лампочки накаливанiя съ волокномъ также легко загараются яркимъ свѣтомъ, если одинъ или оба ихъ электрода (концы волокна) соединить съ однимъ только полюсомъ катушки Тесла.
Въ лампочкахъ Тесла можно по произволу ослабить или усилить свѣченiе, если часть внѣшней поверхности ея стекла покрыть металлическимъ листкомъ (онъ можетъ служить кстати и рефлекторомъ) и затѣмъ соединять эту обложку съ изолированнымъ проводникомъ большей или меньшей величины — (рис. 1). Причина понятна: проводникъ способствуетъ разсѣянiю электричества въ воздухѣ, а обложка легко получаетъ его сквозь стекло. Можно также соединить обложку прямо съ землей, и свѣтъ лампочки усилится.
Тесла устроилъ еще лампочку и нѣсколько иного вида. Въ ней проволочка отъ уголька не выходитъ наружу, и лампочка сплошь стеклянная, при чемъ одна часть ея, вытянутая въ трубку, имѣетъ внутреннюю и внѣшнюю обложку, какъ лейденская банка; къ внутренней обложкѣ прикрѣпленъ уголекь, выдающiйся въ шарообразную часть лампочки. Эта лампочка свѣтитъ такъ же, какъ и предъидущая, отъ одного электрода катушки, соединяемаго съ внѣшнею обложкою; тогда черезъ влiянiе, какъ въ лейденской банкѣ, заряжается и внутренняя, а разрядъ проходитъ черезъ уголекъ, разрѣженный воздухъ, стекло и окружающiй воздухъ.
Понятно, что такiя явленiя возможны только при томъ громадномъ напряженiи тока, которымъ пользовался Тесла. Что же касается быстрыхъ перемѣнъ тока, то и онѣ играютъ свою роль въ характерѣ явленiй, именно, благодаря этимъ безконечно быстро слѣдующимъ перемѣнамъ направленiя, устраняется электризацiя воздуха (что имѣетъ значенiе, по мнѣнiю Тесла, въ экономичности освѣщенiя) и обусловливается накаливанiе угольковъ: по мнѣнiю Тесла, перемѣны тока приводятъ въ такое дрожанiе частицы разрѣженнаго газа въ лампочкѣ, что онѣ начинаютъ «бомбардировать» (по его же выраженiю) уголекъ съ большой силой, благодаря чему, онъ и накаливается до большей яркости. Если это объясненiе накаливанiя уголька въ лампочкахъ Кеннеди и Тесла справедливо, то при постоянномъ (одного направленiя) токѣ такого же высокаго напряженiя свѣченiя уголька въ той же степени быть не должно, но такъ какъ такихъ опытовъ произведено еще не было, то, и нельзя сказать, дѣйствительно-ли (или въ какой мѣрѣ) свѣченiе этихъ лампочекъ обусловливается молекулярной бомбардировкой.
Удовлетворительнаго рѣшенiя вопроса объ экономичномъ освѣщенiи можно ожидать, по мнѣнiю Тесла, отъ электричества съ громаднымъ напряженiемъ. Въ этихъ видахъ онъ пользуется одно-полюсными лампами, такъ какъ двухполюсная лампочка (т. е. съ двумя угольками и соединяемая съ двумя полюсами катушки) устанавливаетъ непрерывный электрическiй токъ, вслѣдствiе чего напряженiе электричества быстро падаетъ, и мы становимся тогда ближе къ тѣмъ условiямъ (меньшее напряженiе), неэкономичность которыхъ въ приложенiи къ освѣщенiю уже испытана.
Что касается лампочекъ, предлагаемыхъ Тесла, то, и по мнѣнiю самого изобрѣтателя, онѣ не представляютъ еще рѣшенiя задачи объ экономичномъ освѣщенiи, но обладаютъ слѣдующимъ важнымъ преимуществомъ предъ нынѣ употребляющимися съ накаливаемымъ волокномъ. Такъ какъ онѣ не могутъ перегорѣть, то уголекъ въ нихъ можетъ быть накаленъ до гораздо болѣе высокой температуры, чѣмъ волокно обыкновенныхъ лампочекъ, а вслѣдствiе этого онѣ могутъ посылать гораздо болѣе свѣтовыхъ лучей, т. е. быть болѣе экономичными и долговѣчными. Кромѣ того, Тесла полагаетъ, что при высокихъ напряженiяхъ возможно также получить хорошiе результаты отъ третьяго типа его лампочки, въ которой вмѣсто угля помѣщается прессованный кусочекъ изъ небольшаго количества угля въ смѣси съ какимъ-либо огнеупорнымъ веществомъ.
Большее сопротивленiе такой массы не будетъ имѣть значенiя при токахъ громаднаго напряженiя, а бо́льшая устойчивость при накаливанiи гарантируетъ возможность функцiонированiя такихъ лампочекъ при наивысшихъ температурахъ2).
Неизвѣстно, однако, достигнуты ли были Тесла болѣе высокiя температуры, но если даже и предположить, что это возможно, то все таки сомнительно, чтобы расходъ электрической энергiи оказался сравнительно съ обыкновенными лампочками меньшимъ, потому что при очень высокой температурѣ увеличится прямая передача теплоты уголька тѣмъ частямъ лампы, къ которымъ онъ прикрѣпленъ, а вслѣдствiе этого будетъ сильно нагрѣваться сама лампа, и если она не испортится отъ этого, то во всякомъ случаѣ накопитъ такое количество энергiи, что лампочка окажется опять невыгодной. Что же касается повышенiя температуры на какую-нибудь тысячу градусовъ, напр., до температуры вольтовой дуги, то мы уже знаемъ, что такое повышенiе температуры увеличитъ количество свѣтовыхъ лучей съ 5% до 10% изо всего количества лучистой энергiи, т. е. не пойдетъ дальше вольтовой дуги. При болѣе высокихъ температурахъ, если только ихъ можно будетъ достигнуть, врядъ ли можно будетъ устранить опасность расплавленiя металлическаго проводника и порчи самой лампы отъ интенсивной передачи тепла при громадной температурѣ.
Что касается обращенiя съ токомъ громаднаго напряженiя, который нуженъ для лампочекъ Тесла, то здѣсь судьбу ихъ, если бы она только отъ этого зависѣла, выручаетъ замѣчательное свойство часто-перемѣннаго тока, открытое Тесла: токи эти, несмотря на ихъ громадное напряженiе, безвредны для организма. Это открытiе было особенно блестяще, ибо можно себѣ представить, какой громадный рискъ представляло для человѣка его рѣшенiе испробовать на себѣ дѣйствiе такого тока, отъ котораго нельзя было ожидать ничего, кромѣ мгновенной смерти. Тесла разсказываетъ, что, прикасаясь въ первый разъ къ полюсамъ своей катушки, онъ испыталъ ощущенiе, подобное тому, какое долженъ испытывать человѣкъ, бросающийся въ Темзу съ Бруклинскаго моста. Но стоитъ только сдѣлать тѣ же токи менѣе частыми, чтобы дѣйствiе ихъ было, при нѣкоторой частотѣ, безусловно смертельнымъ. Объясненiе этого — дѣло будущаго, а теперь можно, пожалуй, думать, что быстро слѣдующiе одинъ за другимъ перемѣнные токи не успѣваютъ проникать въ глубину нашихъ тканей, конденсируясь по поверхности.
Тесла съ своими токами продѣлалъ много интересныхъ опытовъ, ставящихъ много новыхъ вопросительныхъ знаковъ въ теорiи электричества, и это имѣетъ первостепенную важность изъ всего того, что́ сдѣлалъ Тесла для науки.
Интересны, но не имѣютъ практическихъ результатовъ опыты Тесла съ Гейслеровыми трубками безъ электродовъ. Онѣ свѣтятся на нѣкоторомъ разстоянiи отъ полюсовъ катушки, конечно, тѣмъ ярче, чѣмъ ближе къ нимъ. По удобствамъ и внѣшнему совершенству, Тесла называетъ идеальной такую систему освѣщенiя: вверху комнаты подвѣшиваютъ двѣ параллельныя изолированныя пластины на разстоянiи двухъ—трехъ метровъ одна отъ другой и соединяютъ съ полюсами катушки. Гейслеровы трубки безъ электродовъ будутъ свѣтиться, если ихъ держать въ любомь мѣстѣ между листами. Подвѣшивая трубку, мы зажигаемъ ее, снимая — тушимъ.
Въ то же время мы можемъ это дѣлать свободно руками, нисколько не боясь получить вреда отъ электричества. Трубка достаточной длины даетъ намъ свѣта столько, что можно читать. Помѣщая большую или меньшую трубку, мы получаемъ больше или меньше свѣта. Называя такую систему освѣщенiя идеальной, Тесла, конечно, не имѣетъ въ виду ея экономичности.
Во всякомъ физическомъ кабинетѣ, гдѣ есть катушка Румкорфа, можно съ небольшими дополнительными приспособленiями и затратами повторить не только однополюсное свѣченiе лампочекъ, но также и много другихъ интересныхъ опытовъ съ токами высокаго напряженiя, продѣланныхъ Тесла. При этомъ, вмѣсто лампочки Тесла можно взять обыкновенную, причемъ и перегорѣвшая будетъ годна къ употребленiю. — Само собою разумѣется, что вмѣсто динамо-электрической машины нужно будетъ взять баттарею (5—6 элементовъ Бунзена) и катушку съ возможно быстрымъ прерывателемъ. Катушка, однако, должна быть достаточно сильной; что же касается второй катушки, черезъ которую разрѣжается лейденская банка, то она можетъ состоять всего изъ одного ряда толстой и одного — тонкой проволоки и легко можетъ быть приготовлена домашними средствами.
Если сопоставить идею профессора Эдуарда Никольса — объ освѣщенiи магнiемъ — съ идеей Тесла объ электрическомъ однополюсномъ накаливанiи огнеупорныхъ веществъ, то невольно приходитъ въ голову мысль, почему Тесла не примѣнилъ окиси магнiя для прессованной массы электродовъ его лампочекъ третьяго типа, такъ какъ нужно думать, что ученому изобрѣтателю были не безызвѣстны идеи его земляка, профессора Никольса. Быть можетъ, и при невысокой температурѣ возможно будетъ получить тѣ 15% свѣтовыхъ лучей, которые способна испускать накаленная окись магнiя. Тогда мы имѣли бы свѣтъ, хотя и далекiй до вполнѣ экономичнаго, но все же въ полтора раза превосходящiй въ этомъ отношенiи нашъ лучшiй источникъ свѣта которымъ мы нынѣ обладаемъ — вольтову дугу.
К. А. Чернышевъ.
1) С.Томпсонъ, электромагнитъ и электромагнитные механизмы, стр. 310.
2) La Lum. El., t. XLI p. 433.
