Один из вариантов — сделать короткую первичную обмотку (рисунок 16а) так, чтобы разность потенциалов не была достаточной для прохождения потоков через изолирующую трубку. Длина первичной обмотки должна определяться опытным путем. Концы обмотки должны быть выведены на одну сторону катушки через изолированные выходы, как показано на рисунке. При такой конструкции один вывод вторичной обмотки присоединен к предмету, поверхность которого тщательно рассчитана, чтобы дать наибольший рост потенциала. На другом выводе появляется мощный пучок, с которым можно проводить опыты.
В описанном выше случае требуется использование сравнительно короткой первичной обмотки, которая может нагреваться, когда будут наблюдаться мощные явления в течение длительного времени. Тогда лучше использовать более длинную обмотку (рисунок 166) и постепенно вставлять ее с одной стороны трубки до тех пор, пока не начнут появляться разряды. В таком случае ближайший вывод вторичной обмотки может быть соединен с первичной обмоткой или заземлен, что, в принципе, одно и то же, если первичная обмотка соединена напрямую с машиной. В случае заземления лучше всего опытным путем определить частоту, наиболее подходящую для данных испытаний. Другой способ избежать разрядов — изготовить первичную обмотку из секций и питать их от отдельных, хорошо изолированных источников.
Во многих подобных опытах, когда требуется создать мощные явления на короткий срок, полезно использовать железный сердечник в первичной обмотке. В таком случае можно сделать очень большую первичную обмотку и поставить ее рядом со вторичной и, соединив ближайший вывод последней с первичной обмоткой, вставлять пластинчатый железный сердечник через первичную обмотку до вторичной настолько, насколько позволят разряды. При таких условиях может появиться очень мощный пучок на выводе вторичной обмотки, который можно назвать «пламенем Святого Эльма». Это очень мощный озонатор и ему достаточно всего нескольких минут, чтобы во всей комнате начал ощущаться сильный запах озона. И он, без сомнения, обладает свойствами возбуждать химические соединения.
Для производства озона, несомненно, подходят переменные токи высокой частоты, не только по причине преимуществ, которые они имеют при их преобразовании, но и потому, что озонирующее действие разряда зависит от частоты и потенциала, причем это подтверждено наблюдениями.
Во время подобных опытов, если используется железный сердечник, за ним надо внимательно наблюдать, так как он может очень быстро сильно нагреться. Чтобы дать вам представление о скорости нагрева, скажу, что достаточно одной секунды, чтобы нагреть тонкую железную проволоку примерно до 100 °C, вставленную внутрь катушки с большим числом витков, по которой пропускают ток большой силы.
Но этот быстрый нагрев не должен обескураживать нас, и нам следует использовать железные сердечники. Я уже давно убежден, что при промышленном распределении электричества при помощи трансформаторов можно придерживаться следующего плана: взять сравнительно маленький составной сердечник или несоставной, обернуть сердечник достаточно толстым слоем негорючего материала с низкой теплопроводностью и поверх всего этого намотать первичную и вторичную обмотки. При помощи высоких частот или сильного намагничивания мы можем за счет вихревых токов и гистерезиса нагреть железный сердечник почти до предела его проницаемости, которая, как продемонстрировал Хопкинсон, может быть в шестнадцать раз больше такого значения при нормальной температуре. Если сердечник надежно упакован, то нагрев ему не повредит, если упаковка достаточно толста, выделяться будет незначительное количество тепла, несмотря на высокую температуру. Я уже изготавливал трансформаторы по такому проекту, но из-за нехватки времени не проводил тщательных исследований.
Еще один способ приспособить железный сердечник к быстрым колебаниям, или, говоря в общем, фрикционным потерям, — путем постоянного намагничивания создать поток около семи или восьми тысяч линий на квадратный сантиметр через сердечник, а затем работать с малыми магнитными силами и предпочтительно высокими частотами возле точки наивысшей проницаемости. Таким образом можно получить более высокий КПД. Я также применял этот принцип в машинах, где нет перемены полярности. В этих типах машин, если есть только несколько зубцов, не происходит большого улучшения, так как максимальный и минимальный уровни намагничивания далеки от точки наивысшей проницаемости; но когда количество зубцов велико, можно по- лучить нужную скорость перемены изменения, не изменяя сильно скорость намагничивания и не отклоняясь от точки наивысшей проницаемости, и тогда имеем значительное улучшение.
Описанные выше конструкции применимы при разработке промышленных изделий. Если же надо построить катушку для определенного эксперимента или такую, которая выдерживала бы наибольшее напряжение, тогда стоит попробовать конструкцию, показанную на рисунке 17. Катушка в данном случае состоит из двух отдельных частей, намотанных оппозитно, соединенных между собой рядом с первичной обмоткой. Потенциал в середине равен нулю, не присутствует тенденция пробоя на первичную обмотку, поэтому не требуется серьезная изоляция. В некоторых случаях, однако, середина может соединяться с первичной обмоткой или заземляться. В такой катушке места, где есть наибольшее напряжение, разведены далеко и она может выдерживать огромное напряжение. Две ее составные части можно двигать так, чтобы немного регулировать эффект емкости.
Что касается того, как изолировать катушку, представляется удобным поступать следующим образом: во-первых, проволоку следует кипятить в парафине до тех пор, пока не удалится весь воздух; затем наматывают катушку, пропуская провод через расплавленный парафин, с тем чтобы зафиксировать провод. Катушка после этого снимается с бобины и помещается в цилиндрический сосуд, наполненный чистым расплавленным сургучом, и кипятится длительное время, пока не перестанут образовываться пузырьки. Всё это вместе затем остужается, и весь кусок вынимается из сосуда и обрабатывается на токарном станке. Катушка, выполненная по такому плану, может выдержать огромное напряжение.
Возможно, наиболее удобный и эффективный способ изоляции — поместить катушку в парафиновое или любое другое масло, в основном потому, что в этом случае исключается воздух. Но, возможно, кому-то покажется, что сосуд с маслом не очень удобен в лаборатории.
Если нужно демонтировать обычную катушку, можно вынуть первичную обмотку из изолирующей трубки, запаять ее конец, наполнить маслом и вставить обратно первичную обмотку. Это даст отличную изоляцию и предотвратит формирование разряда.
Из всех опытов, — которые можно проводить с высокочастотными переменными токами, самые интересные, возможно, те, что касаются производства практичного источника света. Нельзя не признать, что существующие в настоящее время методы, хотя они и были в свое время удивительными прорывами, очень расточительны. Надо изобрести лучшие методики, придумать более совершенные приборы. Современные исследования открыли новые возможности для производства эффективного источника света, и внимание всех было направлено в сторону, указанную первооткрывателями. Многие сейчас охвачены энтузиазмом и страстью к открытиям, но в своем стремлении к результату некоторые пошли по неверному пути. Начав с идеи производства электромагнитных волн, они обратили свое внимание, может быть, слишком пристальное, на исследование эффектов электромагнетизма и пренебрегли изучением электростатических явлений. Естественно, каждый исследователь обзавелся аппаратурой, подобной той, что применялась ранее. Но в таких устройствах очень сильны эффекты электромагнитной индукции, а электростатические эффекты представлены слабо.
В опытах Герца, например, катушка высокого напряжения коротко замкнута дугой, сопротивление которой очень мало, а чем оно меньше, тем большая емкость присутствует на выводах; разность же потенциалов на них сильно падает. С другой стороны, когда между контактами возникает разряд, статические эффекты могут быть значительными, но только количественно, не качественно, так как наблюдаются неожиданные скачки, поскольку частота невелика. Ни в том, ни в другом случае, следовательно, мощные электростатические явления нельзя заметить. Подобные условия создаются, как в некоторых интересных опытах д-ра Лоджа, когда лейденские банки разряжаются пробоями. Было мнение — полагаю, небезосновательное, — что в таких случаях большая часть энергии излучается в пространство. В свете описанных мною опытов, это мнение перестанет существовать. Я думаю, что не ошибусь, если скажу, что в таких случаях большая часть энергии частично поглощается и преобразуется в тепло дуги разряда и нагревает изолятор и проводник банки, а некоторое количество, конечно, уходит на электризацию воздуха; но количество прямо излучаемой энергии невелико.