О явлениях, производимых электростатической силой

Первая группа явлений, которые я хочу вам продемонстрировать, — это явления, производимые электростатической силой. Это та самая сила, которая управляет движением атомов, заставляет их сталкиваться и отдавать энергию, которая дает нам тепло и свет, необходимые для жизни, и заставляет их соединяться бесчисленным множеством способов, согласно изобретательным замыслам Природы, и образовывать те удивительные формы, которые мы наблюдаем вокруг; фактически, если наши взгляды на мир верны, это для нас самая важная в природе сила, которую надо изучать. Поскольку термин «электростатическая» подразумевает некое электрическое постоянство, следует заметить, что в этих опытах сила не постоянна, она меняется со скоростью, которую можно назвать умеренной, примерно миллион раз в секунду или около того. Это позволяет мне получать эффекты, невозможные при условии постоянной силы.

Когда два тела изолированы и наэлектризованы, мы говорим, что между ними действует электростатическая сила. Эта сила проявляется в притяжении, отталкивании и напряжении внутри тел и пространстве или окружающей их среде. Напряжение в воздухе или окружающей среде может быть настолько велико, что эта среда может не выдержать, и мы наблюдаем искры или пучки света или так называемые стримеры. Эти потоки образуются в изобилии, когда сила, действующая в воздухе, быстро изменяется. Я продемонстрирую действие электростатической силы в новом опыте, где я задействую индукционную катушку, о которой уже рассказывал. Катушка помещается в ванночке с маслом, находящейся под столом. Два конца провода вторичной обмотки пропущены через две толстые резиновые изолирующие трубки, концы которых выступают над столом. Необходимо хорошо изолировать концы обмотки толстым слоем твердой резины, так как даже сухое дерево не может служить достаточным изолятором, когда работают токи такого высокого напряжения. К одному из выводов катушки я присоединил большой шар из листовой меди, который, в свою очередь, соединен с еще большей медной пластиной, что, как вы увидите, позволит мне произвести опыт при надлежащих условиях. Теперь я включаю катушку и подношу к свободному выводу зажатый в руке металлический предмет, чтобы избежать ожога. Когда я подношу руку на расстояние 8-10 дюймов, с конца провода вторичной обмотки срывается неистовый поток искр, который проходит сквозь резиновую изоляцию. Искрение прекращается, когда металлический предмет в моей руке касается провода. Мою руку при этом пронизывает мощный ток, колеблющийся с частотой в несколько миллионов раз в секунду. Вокруг меня чувствуется действие электростатической силы, а молекулы воздуха и частицы пыли, на которые она воздействует, отчаянно бьют по моему телу. Частицы настолько возбуждены, что если выключить свет, то вы сможете заметить потоки слабого света на некоторых частях моего тела. Когда образуется такой стример, или поток, он дает ощущение покалывания. Если бы потенциал был достаточно высок, а частота довольно низка, кожа, скорее всего, не выдержала бы и лопнула под воздействием огромного напряжения, а кровь устремилась бы наружу тонкими струями, настолько тонкими, что их не различить глазом, подобно маслу, если его поместить на положительный полюс машины Хольца. Прорыв кожи, хотя это и кажется невозможным, на первый взгляд, скорее всего, имел бы место, поскольку ткани под кожей гораздо лучшие проводники. По крайней мере, это кажется правдоподобным, исходя из некоторых наблюдений.

Я могу сделать так, чтобы эти потоки стали видны всем, прикоснувшись металлическим предметом одного из выводов, а другую руку поднеся к металлическому шару, который соединен с другим выводом катушки. По мере приближения руки воздух между ней и шаром, а также вокруг, возбуждается более интенсивно, и вы видите, как потоки света устремляются с моих пальцев и со всей ладони (рисунок 5). Если бы я поднес руку ближе, возникло бы мощное искрение, что могло бы привести к травме. Стримеры не причиняют боли, за исключением того, что на кончиках пальцев чувствуется жжение. Не стоит путать эти потоки с теми, что образуются от электрофорного генератора, так как во многом те и другие ведут себя по-разному. Я присоединил шар и пластину к одному из выводов для того, чтобы избежать образования видимых потоков на этом выводе, а также чтобы предотвратить искрение на большом расстоянии. Кроме того, с такой конструкцией катушка работает лучше.

Световые потоки, которые вы наблюдали, когда они срывались с моей руки, образуются вследствие огромного потенциала, примерно в 200 000 В, колеблющегося с неравномерными интервалами около миллиона раз в секунду. Вибраций такой амплитуды, но в четыре раза быстрее, для поддержания которых требуется потенциал в 3 000 000 В, было бы достаточно, чтобы мое тело было охвачено пламенем. Но это пламя не сожгло бы меня; как раз наоборот, по всей вероятности, я даже не был бы ранен. И всё же сотой части этой энергии, направленной иначе, вполне достаточно, чтобы убить человека.

Количество энергии, которое таким способом можно передать в тело человека, зависит от частоты и потенциала тока, и установив их на очень высокой отметке, телу можно передать громадное количество энергии, не причинив никакого неудобства, за исключением, возможно, руки, которую пронизывает настоящий ток проводника. Причиной, по которой тело не чувствует боли и ему не причиняется вреда, является то, что везде, если представить себе, что по телу течет ток, он направлен под прямым углом к поверхности; следовательно, тело экспериментатора имеет большое сечение, и плотность крайне мала, за исключением руки, в которой плотность может быть значительной. Но если только небольшую долю этой энергии передать таким образом, что ток, пронизывающий тело, уподобится низкочастотному току, можно получить смертельный удар. Постоянный или низкочастотный переменный ток смертелен, я полагаю, потому, что его распределение в организме неоднородно, он должен делиться на небольшие потоки огромной плотности, при этом некоторые органы смертельно поражаются. В том, что такой процесс имеет место, я нисколько не сомневаюсь, хотя этому нет никаких свидетельств, или экспериментальных подтверждений. Вероятнее всего ранит и убьет постоянный ток, но наиболее болезнен переменный ток низкой частоты.

Мое выражение этих взглядов, которые есть результат долгих экспериментов и наблюдений как постоянного, так и переменного тока, вызвано интересом, проявленным к этому предмету, а также очевидно ошибочными идеями, которые предлагаются на обсуждение в профильных журналах.

Я могу проиллюстрировать действие электростатической силы еще одним поразительным опытом, но прежде я бы хотел обратить ваше внимание на несколько фактов. Я уже говорил о том, что когда среда между двумя противоположно заряженными телами испытывает чрезмерное напряжение, она пробивается и, выражаясь популярным языком, два противоположных электрических заряда соединяются и нейтрализуют друг друга. Этот пробой среды в целом происходит, когда сила, действующая между телами, постоянна пли меняется с умеренной скоростью. Если бы скорость этого изменения была достаточно высокой, то такого разрушительного пробоя не произошло бы, неважно, как велика эта сила, ибо в таком случае вся энергия тратилась бы на излучение, конвекцию и механическую и химическую работу. Таким образом, длина искры или наибольшее расстояние, при котором между двумя наэлектризованными телами возникнет искра, тем меньше, чем больше амплитуда изменений или временные промежутки таковых. Но это правило верно только в общем, при сравнении очевидно разных скоростей.

На примере покажу вам различие эффектов, получаемых от быстро меняющейся и постоянной или умеренно меняющейся силы. Здесь у меня две круглые медные пластины рр  (рисунки 6а и 66), установленных на изолирующих подставках на столе, и соединенных с вторичной обмоткой катушки, подобной той, что мы применяли в последний раз. Я ставлю пластины на расстоянии 10–12 дюймов друг от друга и включаю катушку. Вы видите, что всё пространство между пластинами, около двух кубических футов, заполнено однородным светом (рисунок 6а). Этот свет образуют потоки, которые вы наблюдали в предыдущем опыте, но которые сейчас гораздо интенсивнее. Я уже говорил о важности этих потоков для использования в коммерческих устройствах, но еще более они важны для постановки чисто научных экспериментов. Часто они слишком слабы, чтобы их заметить, но они всегда есть, и они потребляют энергию и изменяют действие устройств. При такой интенсивности, как сейчас, они в большом количестве производят озон и, как отметил профессор Крукс, азотистую кислоту. Химическая реакция настолько стремительна, что если катушку, такую, как наша, оставить работать достаточно долго, то атмосфера в комнате станет невыносимой, настолько сильно будет воздействие на глаза и горло. Но если потоки производить в умеренном количестве, они прекрасно освежают воздух и производят, несомненно, благоприятный эффект.

Во время этого эксперимента сила, работающая между пластинами, меняет интенсивность и направление с большой скоростью. Теперь я замедлю скорость изменений за единицу времени. Этого я добиваюсь, понижая частоту разрядов через первичную обмотку катушки, а также уменьшая скорость вибраций во вторичной обмотке. Первое удобно сделать, уменьшив эдс в промежутке в первичном контуре, а второе — приблизив пластины друг к другу на расстояние 3–4 дюйма. При включении катушки вы не наблюдаете ни стримеров, ни света между пластинами, и всё же пространство между ними находится под огромным напряжением. Я еще увеличу напряжение, подняв эдс в первичном контуре, и вскоре вы увидите, что воздух пробит и всё помещение озарено дождем ярких и шумных искр (рисунок 66). Эти искры можно получить и от постоянной силы; много лет это явление хорошо известно, хотя и получалось от другого устройства. Описывая эти два феномена, такие разные на вид, я намеренно употреблял понятие «силы», действующей между пластинами. Если я скажу, что между пластинами действовала «переменная эдс», то это вполне будет соответствовать современным взглядам на предмет. Этот термин вполне верен и применим во всех случаях, когда есть свидетельства того, что хотя бы возможна взаимозависимость электрических состояний пластин или электрического действия окружающей среды. Но если пластины раздвинуть бесконечно далеко, или на определенное большое расстояние, то вероятность и необходимость взаимозависимости исчезнут. Я предпочитаю термин «электростатическая сила» и считаю, что такая сила действует вокруг каждой пластины или наэлектризованного изолированного тела в целом. При использовании этого термина возникает неудобство, так как он подразумевает статическое электрическое состояние; но правильная терминология со временем расставит всё по местам.

Теперь я вернусь к эксперименту, на который уже ссылался и при помощи которого я намереваюсь продемонстрировать один поразительный эффект, производимый меняющейся электростатической силой. К концу провода / (рисунок 7), соединенного с выводом вторичной обмотки катушки индуктивности, я присоединяю вакуумную лампу Ъ.  Внутри лампы находится тонкая углеродная нить f,  соединенная с платиновым проводом т,  запаянным в стекло и выходящим наружу, где он соединен с проводом /. Воздух можно откачать до любой степени при помощи обычных устройств. Совсем недавно вы наб люд ал и пробой воздуха между двумя заряженными медными пластинами. Вы знаете, что стеклянная пластина, или пластина из другого изолирующего материала, пробивается подобным же образом. Следовательно, если бы я обернул лампу листом металла или поместил металлическую пластину, соединенную с другим выводом катушки, рядом с лампой, вы были бы готовы к тому, что сейчас стекло будет пробито при условии достаточного напряжения. Даже если бы покрытие не было соединено с другим выводом катушки, но присоединялось к изолированной пластине, если вы следили за происходившим ранее, вы бы ожидали, что стекло треснет.

Но вы будете удивлены, когда заметите, что под действием переменной электростатической силы стекло пробивается, когда все остальные предметы удаляются от лампы. На самом деле, все окружающие предметы можно удалить от лампы на бесконечно огромное расстояние, при этом ни капли не повлияв на результат опыта. Когда включается катушка, стекло неизменно трескается у основания или в другом узком месте, и вакуум быстро исчезает. Такой разрушительный пробой не происходит при постоянной силе, даже если она во много раз сильнее. Разрушение происходит вследствие возбуждения молекул газа внутри лампы и снаружи. Это возбуждение, которое гораздо сильнее в узком месте, приводит к нагреву и трещине. Этого разлома, однако, не случится, если среда, наполняющая лампу, и среда снаружи будут совершенно однородны. Пробой происходит гораздо быстрее, если верхняя часть лампы вытягивается до толщины волокна. В лампах, работающих от таких катушек, следует избегать таких узких, заострен н ых ка н алов.

Когда проводник помещен в воздух или подобную изолирующую среду, состоящую или содержащую мелкие, свободно движущиеся частицы, способные электризоваться, и когда электризация тела подвергается быстрому изменению, — что соответствует тому, что электростатическая сила, действующая вокруг тела меняет интенсив н ость, — мелкие частицы притягиваются и отталкиваются и их сильные удары могут вызвать механическое движение тела. На явления такого рода стоит обратить внимание, так как они не наблюдались ранее, когда применялась обычная аппаратура. Если очень легкий шарик из проводника подвесить на крайне тонком проводе и зарядить до любого постоянного потенциала, пусть и очень высокого, шарик останется в покое. Даже если потенциал будет быстро меняться, при условии, что небольшие частицы материи, молекулы и атомы, равномер н о распределе н ы, это н е приведет к движе н ию шарика. Но если од н у сторо н у шарика покрыть толстым слоем изоляции, удары частиц заставят его двигаться по неровной траектории (рисунок 8а). Таким же образом крыльчатка, изготовленная из тонкого металла и частично покрытая слоем изоляции, как описывалось ранее, соединенная с выводом катушки, начинает вращаться.

Все эти явления, которые вы наблюдали, а также те, которые будут продемонстрированы позже, имеют место благодаря присутствию такой среды, как воздух, и были бы невозможны в непрерывной среде. Действие воздуха еще лучше можно проиллюстрировать следующим опытом. Я беру стеклянную трубку t  (рисунок 9) диаметром, примерно, 1 дюйм, в нижнем конце которой находится запаянный в стекло платиновый провод, к которому присоединена тонкая нить накаливания f.  Я соединяю провод с выводом катушки и включаю ее. Платиновый провод теперь электризуется попеременно положительно и отрицатель н о, и сам провод и воз д ух в трубке быстро н агреваются от ударов частиц, которые могут быть н астолько силь н ыми, что нить быстро накаляется.

Но если налить в трубку масло и как только оно покроет нить, всё действие моментально прекращается, и признаков нагрева нет. Причина тому — масло, практически непрерывная среда. Смещение в такой среде при таких частотах, судя по всему, несравнимо меньше, чем в воздухе, поэтому работа, происходящая в ней, незначительна. Но масло поведет себя совсем не так при частоте во много раз выше, поскольку даже если смещение и меньше, а частота намного выше, работа, производимая в масле, будет соответственно больше.

Электростатические притяжения и отталкивания тел измеримых габаритов из всех проявлений этой силы — первые отмеченные так называемые электрические явления. Но хотя мы знакомы с ними уже несколько столетий, точная природа механизма этих явлений нам до сих пор неизвестна, и не была удовлетворительным образом объяснена. Что же это за механизм? Мы не можем не удивляться, когда видим два магнита, притягивающие и отталкивающие друг друга с силой в несколько сотен фунтов, а между тем между ними ничего нет. В наших промышленных динамо-машинах установлены магниты, способные удерживать в воздухе предметы весом в несколько тонн. Но что такое даже эти силы, действующие между магнитами, по сравнению с гигантскими силами притяжения и отталкивания, производимыми электростатической силой, интенсивность которой не имеет предела. Во время разрядов молнии предметы часто заряжаются до неимоверного потенциала, такого, что их отбрасывает в сторону с непостижимой силой, разрывает на части или разносит на куски. И всё же даже эти эффекты не сравнятся с притяжениями и отталкиваниями, которые существуют между молекулами и атомами и которых достаточно, чтобы направлять их движение со скоростью несколько километров в секунду, так что под их яростными ударами предметы сильно раскаляются и испаряются. Особенно интересно для мыслителя, занятого исследованием природы этих сил, отметить, что в то время как действие между молекулами и атомами происходит, кажется, при любых условиях, притяжение и отталкивание крупных тел подразумевает наличие среды, обладающей изолирующими свойствами. Так, если воздух, разреженный или нагретый, стал более или менее проводником, то это взаимодействие между двумя заряженными телами практически прекращается, в то время как взаимодействие между атомами продолжает проявляться.

Тому примером может служить эксперимент, который вскроет и другие интересные особенности. Некоторое время назад я показывал, что нить накаливания или провод, помещенные в лампу и соединенные с выводом вторичной обмотки катушки высокого напряжения, начинают вращаться, причем верхний конец нити описывает круг. Эта вибрация была очень энергичной, когда воздух в колбе был под обычным давлением и становилась менее энергичной, когда его сильно сжимали. Она прекращалась, когда воздух откачивали до такой степени, что он становился хорошим проводником. В это время я обнаружил, что колебаний не происходило, когда в колбе был высокий вакуум. Но я предположил, что вибрация, которую я приписывал электростатическому действию между стенками колбы и нитью, должно иметь место и в высоком вакууме. Для проверки этого предположения в более благоприятных условиях была сконструирована лампа (рисунок 10). Она состояла из колбы Ь,  в основание которой был запаян платиновый провод, несущий нить накаливания f.  В нижнюю часть колбы была впаяна трубка /., окружающая нить. Воздух максимально откачан.

Эта лампа подтвердила мое предположение, так как нить начала вращаться при подаче тока и раскалилась. Была отмечена еще одна интересная особенность, имеющая отношение к предыдущим высказываниям, а именно: когда нить была раскаленной некоторое время, узкая трубка и пространство внутри нее нагрелись и газ внутри стал проводником, электростатическое притяжение между стеклом и нитью прекратилось или сильно ослабло, и нить остановилась. После остановки она светилась более интенсивно. Это, видимо, произошло потому, что нить заняла положение в центре трубки, где молекулярная бомбардировка наиболее сильна, а частично вследствие того, что отдельные удары были более сильными, и что энергия совсем не преобразовывалась в механическое движение. Поэтому, согласно общепринятым взглядам, в данном эксперименте накаливание следует отнести к ударам частиц, молекул и атомов в нагретом пространстве, а эти частицы, следовательно, должны быть независимыми носителями зарядов, помещенных в изолирующую среду; и всё же притяжение между стеклом и нитью отсутствует, так как пространство в трубке, в целом, — проводник.

В этой связи интересно отметить, хотя притяжение между двумя заряженными телами может прекратиться вследствие уменьшения изолирующих свойств среды, в которую их поместили, отталкивание между этими телами всё же может наблюдаться. Это можно логично объяснить. Когда два тела помещают на некоем расстоянии друг от друга в слабо проводящую среду, такую, как теплый или разреженный воздух, и резко электризуют, передавая им противоположные заряды, эти заряды более или менее компенсируют друг друга, протекая сквозь воздух. Но если телам переданы одинаковые заряды, то для такой утечки нет возможности, поэтому отталкивание, наблюдаемое в таких случаях, сильнее, чем притяжение. Отталкивание в газообразной среде, однако, как показал профессор Крукс, усиливается молекулярной бомбардировкой.