Лекции
Шрифт:
Если человека поместить внутрь такого кольца, любой металлический предмет, даже крайне малый, ощутимо нагревается. Без сомнения, металл также будет нагреваться — в особенности, если это железо, — при его внедрении в живую ткань, что открывает возможность для хирургического лечения таким способом. Могут стать возможными стерилизация ран, обнаружение или даже удаление металлических предметов из тела, а также хирургические операции разного рода при помощи совершенно новой методики.
Большинство из перечисленных результатов и других, еще более замечательных, можно добиться только при использовании конденсаторов. Вполне возможно, что немногие — даже из тех, кто работает в том же направлении, — понимают, какой чудесный это прибор. Позвольте мне развить свою идею. Можно взять конденсатор, небольшой, такой, что умещается в жилетном кармане, и, правильно его применяя, создать такое электрическое напряжение, что оно превзойдет — в сотни раз, если потребуется, — любое напряжение, которое можно получить от самой большой электростатической машины, которую когда-либо строили. Либо, применяя тот же самый конденсатор иным способом, можно получить ток такой силы, что сварочный агрегат покажется ничтожным. Те, кто придерживается распространенного мнения о напряжении электростатической машины или тока, полученного от коммерческого трансформатора, будут поражены этим высказыванием — и всё же истинность его легко проверить. Таких результатов легко добиться, поскольку конденсатор может отдать накопленную энергию за непостижимо короткий промежуток времени. Физическая наука не знает ничего, что обладало бы таким свойством. Сжатая пружина, или аккумулятор, или иное устройство, способное накапливать энергию, не могут сделать этого; если бы они могли, то с их помощью можно было совершить нечто, доселе невиданное. Приблизиться по действию к конденсатору может только взрывчатка, такая, как динамит. Но даже самый мощный взрыв такого вещества не идет в сравнение со взрывом или разрядом конденсатора. Ибо в то время, как давление, которое может создать детонация химического вещества, достигает
То, что прибор, обладающий такими идеальными свойствами, найдет широкое практическое применение, я знаю давно, но я также давно убежден в том, что нам придется преодолеть много трудностей, чтобы заменить менее совершенные устройства, используемые в настоящее время повсеместно для разнообразных задач преобразования электрической энергии. Таких трудностей множество. Сами конденсаторы, в том виде, в каком они выпускаются, неэффективны, проводники неэкономичны, самая лучшая изоляция не удовлетворяет требованиям, а параметры наиболее эффективного преобразования трудно определить и соблюдать. Одна из трудностей, однако, наиболее серьезная из всех, и к которой я привлекал внимание, когда впервые описывал эту систему преобразования тока, обнаружилась в устройствах, которые обязательно используются для контроля заряда и разряда конденсатора. Они страдали неэффективностью и ненадежностью и угрожали доказать полную непригодность системы, серьезно ограничивая область ее применения и лишая многих ценных качеств. Несколько лет я пытался решить эту проблему, проводя опыты с огромным количеством таких устройств. Многие из них обещали успех, но в конце обязательно проваливались. С неохотой я вернулся к идее, над которой работал очень давно. Она заключалась в том, чтобы заменить обычные щетки и сегменты коллектора t жидкими контактами. Тогда я столкнулся с трудностями, но годы, проведенные в лаборатории, не прошли даром, и я добился прорыва. Вначале надо было добиться циркуляции жидкости, но прокачивание ее насосом оказалось непрактичным. Тогда мне явилась счастливая мысль сделать насос составной частью прерывателя цепи и поместить оба устройства в резервуар для предотвращения окисления. Затем были разработаны некоторые способы поддержания циркуляции, как, например, вращение ртутного тела. Потом я научился избегать износа, который всё же имел место. Боюсь, эти высказывания, которые показывают, сколько усилий было потрачено на эти, казалось бы, незначительные детали, не откроют вам высокого значения опыта, который я приобрел. Но должен признаться, что мое терпение подверглось огромному испытанию. В конце концов, к моему удовольствию, я создал приборы, простые и надежные в работе, не требующие особого внимания и способные преобразовывать значительные количества энергии с приличной степенью экономичности. Они не самые лучшие из тех, что можно было сделать, это верно, но они вполне удовлетворительны, и я чувствую, что самое трудное позади.
Врачи теперь смогут получить прибор, отвечающий всем требованиям, и применять его в электротерапии любым из указанных способов. У них теперь появится возможность получить такую катушку, которая нужна им для выполнения конкретной задачи. Она даст любую силу тока и любое напряжение, которое им требуется. Такие катушки состоят из небольшого числа витков, и затраты на их изготовление будут крайне незначительными. Этот прибор даст врачу возможность генерировать рентгеновские лучи значительно большей мощности, чем та, на которую способны обычные устройства. Производители, правда, должны изготовить трубку, стойкую к износу и позволяющую концентрировать большее количество энергии на электродах. Когда это будет сделано, ничто не будет стоять на пути использования этого прекрасного открытия, которое в конце концов докажет свою ценность не только в руках хирурга, но также и физиотерапевта и, что еще более важно, бактериолога.
Для того чтобы дать понятие об этом приборе, в котором воплощены все усовершенствования, я обращусь к рисунку 9, на котором показан вид сбоку и вертикальный разрез. Расположение частей здесь такое же, как и в том приборе, который демонстрировался ранее, с той лишь разницей, что возбуждающая катушка с вибрирующим прерывателем заменена усовершенствованными прерывателями, о которых уже упоминалось.
Этот прибор состоит из литой формы А, имеющей выступающий рукав В, во втулке которого свободно вращается вал а. Последний несет на себе якорь, вращающийся в поле стационарного магнита М, а сверху размещается полый железный блок D, в котором расположен сам прерыватель. Внутри вала а, соосно ему, расположен меньший вал Ь, вращающийся на шариковых подшипниках и несущий эксцентрик Е. Так как этот эксцентрик находится на одной стороне, а валы а и Ъ расположены вертикально, он остается неподвижным во время вращения блока. К эксцентрику Е крепится устройство R в форме лотка с тонкими стенками, узкого на конце, ближайшем к блоку, и расширяющегося на другом конце. Небольшое количество ртути помещено в блок, и когда он вращается со стороны узкой части лотка, часть жидкости забирается и тонким широким слоем отбрасывается к центру блока. Верхняя часть блока герметично закрыта железной шайбой, как показано, причем эта шайба крепится на стальном стержне L, а диск F из того же металла имеет несколько контактных лопаток К. Стержень L изолирован от блока шайбами N, а для удобства налива ртути предусмотрен небольшой винт о. Стержень L, образующий один вывод прерывателя, медной лентой соединен с первичной обмоткой р. Другой конец первичной обмотки р ведет к конденсатору С, помещенному в отсек короба А, другой отсек которого предназначен для переключателя S и контактных выводов прибора. Другой вывод конденсатора соединен с литой формой А и через нее с блоком D. При вращении блока контактные лопатки К с большой скоростью замыкают и размыкают контакт со ртутью, таким образом очень быстро замыкая и размыкая цепь. Применяя такой прибор, очень просто получить десять тысяч прерываний в секунду и более. Вторичная обмотка а состоит из двух отдельных катушек, расположенных так, что их можно вынуть, а металлическая полоса посередине соединяет обмотку с первичной. Это сделано для того, чтобы предотвратить пробой вторичной обмотки при перегрузке на одном из контактов, как это часто случается при работе с рентгеновскими трубками. Катушка такой конфигурации выдержит разность потенциалов значительно большую, чем выдерживают катушки обычной конструкции.
Мотор имеет пластинчатые ротор и статор для того, чтобы позволить ему работать от источника переменного и постоянного тока, а валы расположены как можно более вертикально для удобства смазки. Так, единственное, что требует какого-то внимания, — это коллектор мотора, но там, где всегда доступен источник переменного тока, эта проблема не стоит.
Электрическая схема прибора уже демонстрировалась, а режимы его работы описаны в периодических изданиях. Обычный способ подключения показан на рисунке 8, где А./±2 — это контактные выводы цепи питания /., а также имеется катушка индуктивности для повышения напряжения, которая соединена последовательно с конденсатором С и первичной обмоткой PP. Остальные буквы обозначают части прибора и, соответственно, отмечены на рисунке 9, из которого ясно их назначение.
6. Лекция, прочитанная в Нью-Йоркской Академии наук 6 апреля 1897 Года
Уважаемые дамы и господа!
Вы все, несомненно, помните, какое воодушевление год тому назад вызвало заявление об открытиях, сделанных профессором Рентгеном. Внезапно, безо всякой подготовки, Рентген удивил мир двумя замечательными достижениями. Он показал нам, как можно получить фотографическое изображение предмета, невидимого глазу, и, что еще более необычно, он предоставил нам возможность при помощи светящегося экрана — ныне известного как флюороскоп — увидеть своими глазами очертания предмета. Мы живем в век необычайной интеллектуальной активности, когда часто происходят крайне важные открытия, но эти открытия стоят в одном ряду с изобретением телескопа и микроскопа, а такие открытия случаются не чаще одного или двух раз в столетие. Вряд ли кто-либо из нас может надеяться еще раз за свою жизнь стать свидетелем события, представляющего такой огромный научный и общественный интерес. Желание видеть вещи, которые навсегда скрыты от взора, живо в каждом разумном существе, оно охватывает весь спектр чувств: от праздного любопытства непросвещенных до всепоглощающей тяги к знаниям ученых мужей, и это само по себе не могло не возбудить всеобщего внимания; но и помимо этого, эти открытия принесли надежду на облегчение бесконечному числу страждущих, и по всему миру зазвучали струны гуманности. Вряд ли мне нужно говорить вам о том, что нервное возбуждение овладело и мной, но мой случай особый, очень серьезный, и я не избавился от последствий и по сей день. Надеюсь, вы позволите мне сделать небольшое отступление,
В конце 1894 года, понимая необходимость отдыха от напряженного труда над задачей, которую я решал несколько лет и которая до сих пор направляет мои усилия, мне вздумалось изучить актиническое действие фосфоресцирующих тел. Казалось, что предмет не изучен, и я начал работать немедленно, заручившись позже, по совету некоторых друзей, связанных с журналом «Century Magazine», поддержкой господ из компании Тоннель и К, мастеров художественного фото из этого города [Нью-Йорк], а затем продолжил работать на этот журнал. Во время этих опытов я применял усовершенствованные устройства для создания мощных электрических колебаний, а также один из моих высокочастотных генераторов старого образца. Я ставил опыты с огромным количеством трубок Крукса, одноэлектродных ламп и вакуумных трубок без внешнего электрода. Вскоре обнаружился удивительный факт, а именно: сила актинического действия трубок Крукса значительно варьировалась, а некоторые, дававшие сравнительно сильное свечение, почти не производили эффекта, в то время как остальные, гораздо меньшей световой мощности, давали хорошие отпечатки. Здесь я бы хотел заметить, чтобы быть правильно понятым, что мои усилия были направлены на исследование такого действия настоящего фосфоресцирующего свечения, которое исходит от ламп, не выделяющих сколь-нибудь значительного тепла, а не от вакуумных ламп накаливания, хотя некоторые фотоснимки были сделаны с их помощью. Поскольку фотографы и я были заняты еще и другими делами, пластины, в их обычных футлярах, часто складировались в углу лаборатории до тех нор, пока не представится возможность продолжить опыты. Во время этих исследований некоторые пластины показали хороший результат, иные — никакого, а на некоторых м-р Элли, помогавший мне в то время, и я заметили непонятные отметины и дефекты. М-р Элли, заметил, что, несмотря на его старания, некоторые пластины оказались с дефектами и плохого качества. Снимая на пластины при помощи трубок Крукса, я вспомнил об опытах Ленарда, эксперименты которого, особенно с чувствительными пластинами, поразили меня с самого начала, и я решил пойти по этому пути еще раз, прибегнув к помощи ассистента и усовершенствованной аппаратуры. Именно тогда, когда мое внимание было поглощено этими необычными свойствами трубок и пластин, вся моя лаборатория и почти всё, что там находилось, были разрушены; и несколько следующих месяцев восстановительных работ заставили меня забыть о моих планах. Едва этот труд был закончен и я вновь приступил к работе над своими идеями, как моего слуха достигли вести о достижениях Рентгена. Внезапно мне открылась истина. Я поспешил воспроизвести эти опыты, информация о которых была неполной, и тут я сам увидел это чудо. Тогда — слишком поздно — я осознал, что дух, ведущий меня, вновь направлял мои действия, но я не смог понять его загадочных знаков.
Рассказ об этих событиях мог быть неверно истолкован в то время, когда Рентген объявил о своём открытии, поэтому я молчал, хотя мне не удалось полностью подавить свои чувства в первых строках ряда статей, которые я посвятил данному предмету и опубликовал в журнале «Electrical Review». Теперь же я не испытываю страха от того, что кто-то не так поймет меня, и излагаю мой нелегкий, но побуждающий к действию опыт для того, чтобы те, кто с легкостью и поверхностно писал об истории этого нового направления в науке, смогли более тщательно подойти к его оценке. Я довольно хорошо был знаком с результатами труда Ленарда и, естественно, часто размышлял о его прекрасных и многообещающих экспериментах, и всё же мне никогда не приходило на ум, что пластины могут быть испорчены или иметь отметины благодаря действию трубок. В то время, как многие могут счесть это за проявление моей близорукости, иные, более расположенные ко мне люди, так же, как и я, найдут в этом яркий пример словам Гёте, которые я дословно не буду цитировать, но смысл таков: то, что Природа не намерена раскрывать человеческому разуму, он не сможет взять у нее при помощи болтов и рычагов.
Но если мне и не удалось разглядеть то, что увидели другие, я всегда придерживался мнения, и теперь оно еще более укрепилось, что дух-водитель не оставил меня, а, напротив, вел меня дальше, и в верном направлении — к пониманию природы этих необычных явлений. Возможно, представив вашему вниманию некоторые обнаруженные мной факты, в дополнение к тем, о которых уже было объявлено, я смогу склонить хотя бы некоторых из вас толковать эти явления так же, как это делаю я. Однако, дабы не потерять нить разговора сегодня вечером, должен просить вашего разрешения в нескольких словах рассказать о тех новейших приборах, которые вы видите перед собой. Когда я задумываюсь об их происхождении, вижу, что идея этих приборов совершенно точно взята мною из первоначального убеждения в том, что получение электрических колебаний высокой частоты — это ключ к решению многих серьезных проблем в науке и производстве. Какими бы нелепыми ни казались вам эти машины, они — результат усилий многих лет, и я с полной ответственностью могу заявить, что много раз трудности, которые я встречал на пути совершенствования этих аппаратов, казались мне настолько великими, что почти отнимали у меня мужество продолжать работу. Когда исследователь вынужден потратить несколько лет кропотливого труда только на то, чтобы узнать, что микроскопическая лакуна или пузырек воздуха в жизненно важной части механизма губительна для достижения результата, к которому он стремится; когда он обнаруживает, что его машина не работает, как нужно, только потому, что провод, который он использует, на четверть дюйма короче или длиннее; когда он выясняет, что теперь часть его устройства становится прохладнее каким-то непостижимым образом, а затем та же часть перегревается, причем условия эксперимента неизменны; когда на каждом шагу он сталкивается с наблюдениями, которые ставят его в тупик, а обычные методы измерения и инструменты непригодны, тогда он движется медленно, а его энергия расходуется неимоверно быстро. Наконец-то я рад сообщить, что одержал верх, по крайней мере, над основными трудностями, и теперь ничто серьезное не стоит на пути получения электрических колебаний в несколько миллионов раз в секунду от обычных источников, используя простые и довольно дешевые приспособления. О том, что это означает, распространяться и не нужно. Это будет по достоинству оценено теми, кто следил за развитием событий в этой и смежных областях знаний. Машины, которые вы видите перед собой, лишь несколько образцов из тех, что я разработал, и их предназначение — заменить обычную катушку индуктивности во многих сферах ее применения.
Что касается общего принципа, лежащего в основе этих преобразователей, или, выражаясь более точно, электрических осцилляторов, то он довольно прост, и был выдвинут мною пять или шесть лет назад. Конденсатор заряжается от любого доступного источника, а затем любым удобным способом разряжается через цепь, содержащую, как в данном случае, первичную обмотку трансформатора. На рисунке 1 показаны генератор G, конденсатор С, а для зарядки и разрядки последнего предусмотрен прибор Ь, работающий так, чтобы создавать постоянное прерывание в диэлектрике. Если контур L, который содержит высоко- или низковольтный прибор, через который разряжается конденсатор, правильно настроен, то возникают крайне быстрые электрические вибрации, какие, насколько мы знаем, невозможно получить иным способом; эти колебания, в свою очередь, индуцируют в соседней цепи подобные же колебания, дающие любопытные эффекты. Познакомившись с ними уже тогда, когда законы, управляющие этими явлениями, еще не были до конца изучены, я сохранил в памяти некоторые понятия, сформированные в то время, которые, несмотря на примитивизм, сохраняют актуальность в свете наших расширившихся познаний. Я связал конденсатор с резервуаром R, в который при помощи насоса Р подается несжимаемая жидкость W, подобная воде, через трубу р, как показано на рисунке 2, где жидкость представляет собой электричество, насос — это генератор, а труба — это соединительный провод. Резервуар имеет подвижное дно В, которое удерживается в верхнем положении пружиной S' и открывает шлюзы оо, когда уровень жидкости достиг определенной отметки и ее давления достаточно для того, чтобы преодолеть сопротивление пружины. Дополняют модель переменный груз ш, винт 5, меняющий сопротивление пружины, и клапан v, служащий для регулирования потока жидкости. Когда дно поддается, жидкость в резервуаре начинает двигаться с некоей скоростью, приобретая механический момент, что приводит к возрастанию давления на дно и оно движется выше, вследствие чего в сосуд поступает жидкости больше, чем может пропустить подающая труба, и пружина занимает свое прежнее положение, вновь закрывая шлюзы, после чего процесс повторяется вновь с более или менее быстрой последовательностью. Это движение дна вверх и вниз можно сравнить с прерыванием и восстановлением прово-Рис. 1 дящего контура, фрикционное сопротивление механической системы — с омическим сопротивлением, и, очевидно, инерцию движущихся предметов — с самоиндукцией электрической цепи. Теперь становится очевидным: для того, чтобы поддерживать движение системы без использования дополнительных устройств, средняя скорость подачи через трубу должна быть меньше средней скорости отдачи из сосуда, ибо, если будет наоборот, то шлюзы так и останутся открытыми и колебания прекратятся. Чем более скорость подачи приближается к скорости опорожнения, тем быстрее колебания дна; и если мы поразмышляем над простыми механическими принципами, то нам тем более станет ясно, что если подача воды идет настолько же быстро, насколько дно колеблется само по себе, то и амплитуда колебаний будет наивысшей, давление на дно будет наивысшим, и наибольшее количество воды будет вытекать через шлюзы. Все эти соображения верны и для электрической цепи, и во время опытов с высокочастотными устройствами, в которых эти эффекты были намеренно усилены для удобства наблюдения, и я понял, что указанное условие выполнимо, когда емкость, индуктивность и частота колебаний находятся в определенном соотношении, и данное наблюдение я применил во время настройки индуктивных контуров. Вы заметите, что это условие, определяющее соотношение скорости заряда и разряда, очень важное в практическом отношении, в особенности тогда, когда не применяется никаких приборов, воздействующих на пробой диэлектрика, является вполне самостоятельным правилом и его не следует путать с правилом, определяющим колебательный характер разряда, над которым давным-давно работал лорд Кельвин.