Никола Тесла - НИКОЛА ТЕСЛА. ЛЕКЦИИ. СТАТЬИ.
В одном из сегодняшних экспериментов образовался кистевой электрический разряд на конце провода. Этот кистевой разряд представлял собой пламя, и являлся источником тепла и света. Он не излучал ни сколь-нибудь ощутимого тепла, ни интенсивного свечения. Но разве оттого, что оно не обжигает мою руку, оно в меньшей степени является пламенем? Разве оно меньше является пламенем, если не причиняет боль моим глазам своим ярким светом?
Проблемой является получение в лампе такого пламени, которое было бы значительно меньшего по размеру, но несравнимо более мощным. Если бы в нашем распоряжении имелись средства для выработки электрических импульсов существенно более высокой частоты, и средства для их передачи, то от лампы можно было бы избавиться совсем, если конечно она не использовалась для защиты электрода, или для экономии энергии, ограничивая собой распространение тепла. Но поскольку в нашем распоряжении нет таких средств, то мы вынуждены помещать электрод в лампу и разрежать в ней воздух. Это сделано только для того, чтобы обеспечить работу прибора, которая невозможна при обычном давлении воздуха. В лампе мы можем усилить действие до любой степени — вплоть до того, чтобы кистевой разряд излучал яркий свет.
Интенсивность излучаемого света зависит от частоты и разности потенциалов импульсов, а также от электрической плотности на поверхности электрода. Очень важно использовать как можно меньший по размеру электрод, это необходимо для увеличения плотности. Когда вокруг маленького электрода происходят интенсивные столкновения молекул, то он раскаляется до очень высокой температуры, но вокруг него находится масса сильно раскаленного газа, или фотосфера пламени, которая в сотни раз превышает объем электрода.
Если в лампе использован электрод с алмазом, карборундом или цирконием, то фотосфера может превосходить объем электрода более чем в тысячу раз. Если особо не вдумываться, то может показаться, что при таком сильном накаливании электрод сразу испарится, но при детальном рассмотрении оказывается, что теоретически этого быть не должно, и результаты экспериментов это подтверждают. Именно этот факт определяет главную ценность такого типа ламп в дальнейшем.
Вначале, когда бомбардировка только начинается, основная работа происходит на поверхности электрода, но когда образуется сильно электропроводная фотосфера, нагрузка на электрод уменьшается. Чем больше раскалена фотосфера, тем сильнее ее электропроводность приближается к электропроводности электрода. Таким образом твердое тело и газ формируют единое электропроводное тело. Следствием этого является то, что при дальнейшем усилении накаливания, больше нагрузки приходится на газ и меньше на электрод. Образование мощной фотосферы оказывается главным фактором, обеспечивающим защиту электрода. Конечно, эта защита относительна, и не следует полагать, что при усиление накаливания уменьшается разрушение электрода. Тем не менее, теоретически, этот результат должен получаться при чрезвычайно высоких частотах, при температуре, намного превышающую точку плавления большинства из известных тугоплавких материалов. Поэтому электрод, способный противостоять очень мощной бомбардировке и другим внешним воздействиям, останется неповрежденным вне зависимости от того, как долго он подвергался такому, но более слабому воздействию. Применительно к лампе накаливания имеются совершенно иные соображения. Там газ ни с чем не связан: вся работа совершается на нити накаливания и время существования лампы ограничено только скоростью, с которой увеличивается степень накаливания. Именно экономические причины заставляют нас эксплуатировать ее при слабом накаливании. Но если лампа накаливания работает от тока очень высокой частоты, то действием газа пренебречь уже нельзя и правила экономной работы должны быть в значительной степени изменены. Для того, чтобы работа лампы с одним, или двумя электродами была близка к идеальной, необходимо задействовать импульсы очень высокой частоты. Помимо всего прочего, высокая частота предоставляет два важных преимущества, которые играют самую важную роль в экономических расчетах производства света. Во-первых, разрушение электрода уменьшается из-за того, что мы используем множество слабых воздействий, вместо нескольких сильных, которые быстро разрушают структуру электрода. Во-вторых, она способствует образованию большой фотосферы.
Для того, чтобы свести к минимуму разрушение электрода, желательно, чтобы колебания были гармоничными, так как любые рывки ускоряют процесс разрушения. Электрод проработает дольше, если накаливание создается током или импульсами, получаемыми от высокочастотного генератора переменного. Колебания такого тока происходят более плавно, нежели импульсы, получаемые от катушки пробойного разряда. В последнем случае нет сомнений, что большинство повреждений происходят из-за сильных внезапных разрядов. Одной из причин потерь энергии в такой лампе является бомбардировка сферы. Когда разность потенциалов очень высока, молекулы испускаются с большой скоростью, они ударяются о стекло и обычно вызывают сильное свечение. Получается очень красивый эффект, но по экономическим соображениям его следует избегать или сводить к минимуму. В данном случае, бомбардировка сферы, как правило, не вызывает фосфоресценцию, и потери энергии от бомбардировки снижаются. Эти потери энергии в лампе очень сильно зависят от разности потенциалов импульсов и от электрической плотности на поверхности электрода. При использовании тока очень высокой частоты, потери энергии в результате бомбардировки существенно уменьшаются. Во-первых, потому, что для получения такого же количества работы требуется меньшая разность потенциалов. Во-вторых, потому, что вокруг электрода создается высоко электропроводная фотосфера. То же самое получилось бы, если электрод был бы намного больше, что равнозначно меньшей электрической плотности.
Но уменьшая разность потенциалов, или плотность разряда, мы получаем определенную выгоду, а именно: избегаем сильных возмущений, которые настолько сильно воздействуют на стекло, что это порой превосходит пределы его эластичности. Если частота будет достаточно высока, то потери энергии вследствие недостаточной эластичности стекла будут совершенно незначительны. Потери энергии, вызванные бомбардировкой сферы, можно уменьшить, если использовать два электрода вместо одного. В этом случае каждый из электродов может быть подсоединен к одной из клемм, либо, если предпочтение отдается использованию только одного провода, то один электрод может быть подсоединен к клемме, а другой заземлен, или подсоединен к изолированному телу с определенной площадью поверхности, например, к затенителю лампы. В последнем случае, если не применить некоторые дополнительные настройки, то один из электродов может светиться более интенсивно, чем другой.
Но в целом, мне представляется предпочтительным, при задействовании тока столь высокой частоты, использовать только один электрод и один токопроводящий провод. Я убежден, что для работы осветительных приборов ближайшего будущего не потребуется больше одного подводящего провода, и в любом случае, они не будут иметь внутренних проводов, поскольку необходимую энергию можно будет с успехом подавать через стекло. В экспериментальных лампах внутренний провод в большинстве случаев используется из соображений удобства, так как при применении конденсаторного покрытия (как, например, способом, показанным на рис. 22) возникают некоторые трудности при соединении частей, но этих трудностей не должно возникать, при промышленном производстве большого количества ламп. В противном случае энергия может передаваться через стекло, а также через провод, а при таких высоких частотах потери энергии очень малы. Такие осветительные приборы будут неизбежно требовать для своей работы очень высокой разности потенциалов, что в глазах практиков может иметь спорное будущее. На самом же деле, высокая разность потенциалов не вызывает возражений — по крайней мере если обеспечена надежная безопасность таких устройств.
Есть два пути достижения безопасности электрических приборов. Один — это использовать низкую разность потенциалов, другой — создать аппаратуру с такими параметрами, чтобы ее безопасность не зависела от используемого напряжения. Из двух путей, последний мне кажется лучшим потому, что в этом случае обеспечивается абсолютная безопасность, не зависящая от каких-либо стечений обстоятельств, когда использование даже низкого напряжения могло бы представлять опасность для жизни, или для имущества. Но практические условия требуют не только определения разумных размеров аппаратуры, они также требуют применения определенного типа энергии. Например, легко создать трансформатор, который бы работал от обычного генератора переменного тока низкого напряжения, и который мог бы вырабатывать напряжение, необходимое для работы фосфоресцирующей трубки с сильным вакуумом. При этом, несмотря на столь высокое напряжение, эта трубка абсолютно безопасна, поскольку электрический удар от нее не причинит никакого вреда. Однако такой трансформатор будет довольно дорогим, и по своей сути неэффективным. Более того, электрическая энергия, полученная от него, не может быть экономично использована для освещения. Экономика требует использования энергии в виде очень быстрых колебаний. Проблема получения света подобна проблеме воспроизведения колоколом звука высоких тонов, можно сказать даже звука, находящегося на грани восприятия человеком. Даже эти слова недостаточно экспрессивны, чтобы выразить, насколько удивительна чувствительность человеческого глаза. Мы можем выдавать мощные удары через длительные интервалы времени, затрачивая на это много энергии, и не получая при этом того, что хотим. Либо, мы можем воспроизвести и держать ноту путем частых мягких ударов, что уже будет ближе к искомому уровню затратам энергии. В получении света может быть только одно правило, в рамках рассмотренных здесь осветительных приборов — использовать ток самой высокой частоты, которую только можно получить, однако, возможности для получения и передачи импульсов такого типа, по крайней мере сейчас, сильно ограниченны. Как только мы решим использовать ток очень высокой частоты, обратный провод станет ненужным, и конструкции всех устройств упростятся. Используя очевидные возможности, мы получим такой же результат, как и при применении возвратного провода. Для этого достаточно подсоединить к лампе, или расположить в непосредственной близости от нее изолированное тело с определенной площадью поверхности. Конечно, поверхность должна быть тем меньше, чем больше используемая частота и разность потенциалов. Кроме того, это необходимо для увеличения экономичности лампы или другого устройства.
