Источники свѣта нынѣ и въ будущемъ

V. Система освѣщенія Тесла

Въ опытахъ съ Гейслеровыми трубками, какъ было уже замѣчено, усиливая токъ, натолкнулись на особое явленіе, — накаливаніе концовъ платиновыхъ проволочекъ (электродовъ) внутри трубокъ. Въ 1881 году Кеннеди (въ Англіи), задумавъ воспользоваться этимъ явленіемъ въ цѣляхъ практическаго примѣненія для освѣщенія, 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 конструкціи 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 употребленію.

Очевидно, что лампочки Кеннеди не могутъ имѣть такого недостатка, и это соображеніе послужило для изобрѣтателя основаніемъ надеждъ на практическое примѣненіе его лампочекъ. Но надежды эти не оправдались: для болѣе сильнаго свѣта пришлось употреблять токи такой силы, при которой нагрѣваніе шло дальше концовъ электродовъ и расплавляло ихъ металлическія части. Однако, это обстоятельство могло-бы быть устранено надлежащей конструкціей лампы (удлинненіемъ угля), и намъ неизвѣстно, почему изобрѣтатель не совершенствовалъ своихъ лампочекъ; тѣ же, которыя были имъ сдѣланы, всѣ перегорѣли, и изобрѣтеніе было забыто.

Спустя 10 лѣтъ, совершенно на томъ же началѣ построилъ свою систему электрическаго освѣщенія американскій инженеръ Тесла, примѣнивъ для него часто-перемѣнный электрическій токъ высокаго напряженія.

Разсмотримъ теперь, какъ можно получить перемѣнные токи высокаго напряженія и большой частоты. — Существуютъ приборы, посредствомъ которыхъ можно токи малаго напряженія преобразовать въ токи высокаго напряженія, 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 направленіи 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 колебаній 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 дѣйствіе ихъ сильнѣе. Рядъ такихъ токовъ, болѣе или менѣе быстро слѣдующихъ одинъ за другимъ (каждый разъ съ перемѣной направленія), короче называется просто «перемѣннымъ токомъ» большей или меньшей частоты. Электромагнитный прерыватель съ упругой пластинкой — (какъ обыкновенно въ катушкѣ Румкорфа) можетъ дать, при надлежащей конструкціи, болѣе 2000 перемѣнъ тока въ секунду ¹.

Существуютъ особаго рода динамо-электрическія 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 напряженія.

Тесла построилъ для своихъ опытовъ такія машины перемѣннаго тока, которыя при надлежащей скорости вращенія могутъ давать отъ 10 до 20 тысячъ перемѣнъ въ секунду. Такой токъ трансформировался въ токъ очень высокаго напряженія съ помощью катушки, которая принципіально ничѣмъ не отличалась отъ катушки Румкорфа; тогда получался токъ съ напряженіемъ въ 70 000 вольтъ и, конечно, той же частоты, каковъ былъ токъ возбуждавшій. 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 направленія 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 проволокѣ 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 напряженіемъ до полумилліона вольтъ.

Вторая катушка отличается нѣсколько отъ первой, именно: она имѣетъ небольшое число оборотовъ и совсѣмъ не имѣетъ желѣзнаго стержня, такъ какъ перемагничиваніе желѣза требуетъ больше времени, чѣмъ сколько проходитъ между перемѣнами въ направленіи тока, поступающаго во вторую катушку. Кромѣ того, вся вторая катушка погружалась въ ящикъ съ масломъ, которое представляетъ изъ себя отличный изоляторъ, обладающій 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-милліона вольтъ напряженія.

Съ помощью именно такого тока Тесла дѣлалъ опытъ со своей системой электрическаго освѣщенія. — Что касается его лампъ, то, какъ было уже сказано, въ принципѣ онѣ не отличаются отъ лампъ Кеннеди. Въ частностяхъ есть, конечно, и различіе, напр., въ нихъ большей частью всего одинъ уголекъ. Такая лампочка имѣетъ только одинъ электродъ и такъ какъ она представляетъ изъ себя нечто 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 (плавленія проволоки), которыми обладаетъ ихъ прообразъ — лампы Кеннеди. Въ нихъ воздухъ разряжается до послѣдней возможной степени, а потому онъ даетъ еще меньше свѣта, чѣмъ въ Гейслеровыхъ трубкахъ; но при этихъ условіяхъ оказывается, что уголекъ сильнѣе накаливается и, слѣдовательно, даетъ больше свѣта. Общеупотребительныя лампочки накаливанія 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 свѣченіе, 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 разсѣянію 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 уголекъ, выдающійся въ шарообразную часть лампочки. Эта лампочка свѣтитъ такъ же, какъ и предъидущая, отъ одного электрода катушки, соединяемаго съ внѣшнею обложкою; тогда черезъ вліяніе, какъ въ Лейденской банкѣ, заряжается и внутренняя, а разрядъ проходитъ черезъ уголекъ, разрѣженный воздухъ, стекло и окружающій воздухъ.

Понятно, что такія явленія возможны только при томъ громадномъ напряженіи тока, которымъ пользовался Тесла. Что же касается быстрыхъ перемѣнъ тока, то и онѣ играютъ свою роль въ характерѣ явленій‚ именно, благодаря этимъ безконечно быстро слѣдующимъ перемѣнамъ направленія, устраняется электризація воздуха (что имѣетъ значеніе, по мнѣнію Тесла, въ экономичности освѣщенія) и обусловливается накаливаніе угольковъ: по мнѣнію Тесла, перемѣны тока приводятъ въ такое дрожаніе частицы разрѣженнаго газа въ лампочкѣ, что онѣ начинаютъ «бомбардировать» (по его же выраженію) уголекъ съ большой силой, благодаря чему, онъ и накаливается до большей яркости. Если это объясненіе накаливанія уголька въ лампочкахъ Кеннеди и Тесла справедливо, то при постоянномъ (одного направленія) токѣ такого же высокаго напряженія свѣченія 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) свѣченіе этихъ лампочекъ обусловливается молекулярной бомбардировкой.

Удовлетворительнаго рѣшенія вопроса объ экономичномъ освѣщеніи можно ожидать, по мнѣнію Тесла, отъ электричества съ громаднымъ напряженіемъ. 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 электрическій токъ, вслѣдствіе чего напряженіе электричества быстро падаетъ, и мы становимся тогда ближе къ тѣмъ условіямъ (меньшее напряженіе), неэкономичность которыхъ въ приложеніи къ освѣщенію уже испытана.

Что касается лампочекъ, предлагаемыхъ Тесла, то, и по мнѣнію самого изобрѣтателя, онѣ не представляютъ еще рѣшенія задачи объ экономичномъ есвѣщеніи, 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 вслѣдствіе этого онѣ могутъ посылать гораздо болѣе свѣтовыхъ лучей, т. е. быть болѣе экономичными и долговѣчными. Кромѣ того, Тесла полагаетъ, что при высокихъ напряженіяхъ возможно токже получить хорошіе результаты отъ третьяго типа его лампочки, въ которой вмѣсто угля помещается прессованный кусочекъ изъ небольшаго количества угля въ смѣси съ какимъ-либо огнеупорнымъ веществомъ.

Большее сопротивленіе такой массы не будетъ имѣть значенія при токахъ громаднаго напряженія, а большая устойчивость при накаливаніи гарантируетъ возможность функціонированія такихъ лампочекъ при наивысшихъ температурахъ ².

Неизвѣстно, однако, достигнуты ли были Тесла болѣе высокія температуры, но если даже и предположить, что это возможно, то все таки сомнительно, чтобы расходъ электрической энергіи 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 вслѣдствіе этого будетъ сильно нагрѣваться сама лампа, и если она не испортится отъ этого, то во всякомъ случаѣ накопитъ такое количество энергіи, что лампочка окажется опять невыгодной. Что же касается повышенія температуры на какую-нибудь тысячу градусовъ, напр., до температуры вольтовой дуги, то мы уже знаемъ, что такое повышеніе температуры увеличитъ количество свѣтовыхъ лучей съ 5 % до 10 % изо всего количества лучистой энергіи, т. е. не пойдетъ дальше вольтовой дуги. При болѣе высокихъ температурахъ, если только ихъ можно будетъ достигнуть, врядъ ли можно будетъ устранить опасность расплавленія металлическаго проводника и порчи самой лампы отъ интенсивной передачи тепла при громадной температурѣ.

Что касается обращенія съ токомъ громаднаго напряженія, 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 напряженіе, безвредны для организма. Это открытіе было особенно блестяще, ибо можно себѣ представить, какой громадный рискъ представляло для человѣка его рѣшеніе испробовать на себѣ дѣйствіе такого тока, отъ котораго нельзя было ожидать ничего, кромѣ мгновенной смерти. Тесла разсказываетъ, что, прикасаясь въ первый разъ къ полюсамъ своей катушки, онъ испыталъ ощущеніе, подобное тому, какое долженъ испытывать человѣкъ, бросающійся въ Темзу съ Бруклинскаго моста. Но стоитъ только сдѣлать тѣ же токи менѣе частыми, чтобы дѣйствіе ихъ было, при нѣкоторой частотѣ, безусловно смертельнымъ. Объясненіе этого — дѣло будущаго, а теперь можно, пожалуй, думать, что быстро слѣдующіе 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 теоріи электричества, и это имѣетъ первостепенную важность изъ всего того, что сдѣлалъ Тесла для науки.

Интересны, но не имѣютъ практическихъ результатовъ опыты Тесла съ Гейслеровыми трубками безъ электродовъ. Онѣ свѣтятся на нѣкоторомъ разстояніи отъ полюсовъ катушки, конечно, тѣмъ ярче, чѣмъ ближе къ нимъ. По удобствамъ и внѣшнему совершенству, Тесла называетъ идеальной такую систему освѣщенія: вверху комнаты подвѣшиваютъ двѣ параллельныя изолированныя пластины на разстояніи двухъ — трехъ метровъ одна отъ другой и соединяютъ съ полюсами катушки. Гейслеровы трубки безъ электродовъ будутъ свѣтиться, если ихъ держать въ любомъ мѣстѣ между листами. Подвѣшивая трубку, мы зажигаемъ ее, снимая — тушимъ.

Въ то же время мы можемъ это делать 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 освѣщенія идеальной, Тесла, конечно, не имѣетъ въ виду ея экономичности.

Во всякомъ физическомъ кабинетѣ, гдѣ есть катушка Румкорфа, можно съ небольшими дополнительными приспособленіями и затратами повторить не только однополюсное свѣченіе лампочекъ, но также и много другихъ интересныхъ опытовъ съ токами высокаго напряженія, продѣланныхъ Тесла. При этомъ, вмѣсто лампочки Тесла можно взять обыкновенную, причемъ и перегорѣвшая будетъ годна къ употребленію. — 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 освѣщеніи магніемъ — съ идеей Тесла объ электрическомъ однополюсномъ накаливаніи огнеупорныхъ веществъ, то невольно приходитъ въ голову мысль, почему Тесла не примѣнилъ окиси магнія 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 магнія. Тогда мы имѣли бы свѣтъ, хотя и далекій до вполнѣ экономичнаго, но все же въ полтора раза превосходящій въ этомъ отношеніи нашъ лучшій источникъ свѣта, которымъ мы нынѣ обладаемъ — вольтову дугу.

1. С. Томпсонъ, Электромагнитъ и электромагнитные механизмы, стр. 310.

2. La Lum. El., t. XLI, p. 433.