61734 (Генератор электрических искр – генератор новых идей), страница 2

И Джозефу Генри пришлось объяснять самоиндукцию ученому, который был известен на весь мир как человек, открывший индукцию» [8].

Действительно, все оказалось не таким уж и сложным. Обмотка, навитая на железный сердечник, нржня резко падала, что и наводило в этой же катушке значительный электрический потенциал, в сотни раз превышавший напряжение питания. Этот электрический импульс и пробивал воздушный промежуток между выводами. Возникала искра.

Как ни странно, но именно открытие Генри сразу же нашло практическое применение. Еще в 1815 г. Г. Дэви изобрел безопасную рудничную осветительную лампу. Широко известно, что открытый огонь под землей часто вызывает взрывы присутствующего там метана. Чтобы этого не случалось, Дэви оградил огонь светильника металлической сеткой. Этого оказалось достаточно для решения вопроса. Но зажигать такой светильник все равно надо было на поверхности.

С изобретением индукционной катушки устройство для зажигания такой лампы можно было легко поместить также под защитной сеткой и в нужный момент зажечь (рис. 1). Кнопку для зажигания можно вывести из-под сетки. Интересно отметить, что в настоящее время, когда существуют взрывобезопасные шахтерские электрические светильники, лампа Дэви продолжает нести свою охранную службу. Правда, в несколько иной роли. Электрический фонарь в канализационном колодце будет гореть, даже если колодец напрочь наполнен углекислым газом, что тоже смертельно опасно. А вот керосиновая лампа Дэви потухнет и этим даст сигнал о прекращении работ.

Сегодня мы завершаем публикацию очерка об истории создания и усовершенствования индукционной катушки, о ее практическом применении, а также о судьбах ученых, внесших свой вклад в становление и развитие электротехники.

Первые усовершенствования

Сотни ученых и энтузиастов электричества по обе стороны Атлантики повторяют опыты Фарадея. Каждому из них приходится самостоятельно изготавливать магнитопроводы и катушки. Ведь никаких специалистов по электротехнике нет, как не существует и самой электротехники. Катушки делаются из подручных материалов.

Трудно найти металлическое кольцо, да и на такое, как у Фарадея, не совсем удобно навивать провод. Поэтому сейчас сложно точно сказать, кто первым начал навивать витки катушек на прямой железный сердечник. Говорят, что это был английский пастор Галлан, одновременно предложивший наматывать первичную обмотку толстым проводом, а вторичную – тонким (как в воду глядел!), хотя трудно сказать, чем он при этом руководствовался.

Но, оказывается, и такую конструкцию можно улучшить. Немецкий профессор Буххофнер делает свою катушку, наматывая обмотки на пакет простых обрезков железной проволоки. Эта катушка работает даже лучше, чем с массивным сердечником. Выясняется, что так и надо делать, ибо в цельном магнитопроводе при изменении магнитного потока тоже наводятся токи, которые, ухудшая работу катушки, только нагревают стержень. Этим явлениям вскоре посвятит свои исследования Ж. Фуко и научно обоснует причину этого (токи Фуко). В дальнейшем магнитопроводы будут делать составными (шихтоваными) [9]. Короче говоря, улучшение параметров индукционной катушки идет методом проб и ошибок.

Американский физик Чарльз Пейдж предложил конструкцию катушки, в которой используется одна обмотка, но с питанием, подводимым только к части витков, где, по современной технологии, используется принцип автотрансформации (рис. 1).

Катушки индуктивности начинают использовать в лечебной практике врачи-физиотерапевты. Ведь переменный ток действует на организм человека при прочих равных условиях гораздо эффективней. Самым первым в этом списке следует назвать Антуана Массона (1806–1868), профессора из Парижа. Он пытается механизировать процесс замыкания и размыкания цепи питания первичной обмотки. Ведь никаких выключателей еще не существует. В лучшем случае, это чашечки со ртутью и опущенными в них проводниками.

Его прерыватель цепи представляет собой металлическую шестеренку, зубья которой при вращении шестерни периодически контактируют со специальным токопроводящим лепестком. Вращать шестеренку приходится вручную. Несмотря на примитивизм такой конструкции, Массон подмечает очень важную закономерность. Чем с большей скоростью вращать прерыватель, тем длиннее искру можно получить. Следовательно, пациент получает большее электрическое воздействие.

Но очень уж утомительно крутить прерыватель. Неужели нельзя как-то исключидурах? Оказывается можно, и сделать это сравнительно легко. 25 февраля 1837 г. на докладе Франкфуртскому физическому обществу некий Иоганн Филипп Вагнер (1799–1879), бухгалтер по торговле железом, представил конструкцию электромагнитного молоточка. Поскольку это устройство, известное как самопрерыватель Вагнера, сыграло громаднейшую роль в развитии электротехники, уделим ему особое внимание (рис. 2).

Подковообразный электромагнит при прохождении по нему электрического тока притягивает якорь. Якорь токопроводен, имеет специально устроенное контактное устройство, которое размыкается, когда якорь притягивается. Пружина возвращает якорь в исходное состояние, потому что обесточивается электромагнит, питаемый через контактное устройство, и цикл повторяется. Частота повторений циклов зависит от жесткости пружины и, в первую очередь, от контактного промежутка, который регулируется. Схема такого самопрерывателя до сих пор применяется в электрических звонках.

У конструкторов катушки возникла идея использовать этот принцип, применяя первичную обмотку, которая, конечно, образовывала магнитное поле и вполне могла притянуть небольшой якорек с контактом. Эта гениальная идея быстро была воплощена в жизнь. Такая катушка индуктивности завоевала признание и у врачей, и у исследователей не только электричества, но и иных областей физики. Но…

Катушка прекрасно работала только считанные минуты. Сложилась парадоксальная ситуация, когда устройство, предназначенное для генерирования искр, само выходило из строя из-за искр в прерывателе. Явление самоиндукции в первичной обмотке (вспомним опыт Генри) губило контакты прерывателя. Зачастую они полностью сгорали, хотя только из каких металлов их не пытались делать. Тупиковая ситуация. Это был именно тот случай, когда электрикам могла помочь только наука.

На помощь пришли физики. Известно, что самоиндукция объясняется инерционностью движущихся электрических зарядов в проводнике. Как и любое движущее тело, их мгновенно остановить нельзя. Поэтому при разрыве цепи происходит пробой воздушного промежутка.

Представим себе такой случай. Стальной шарик, падая с метровой высоты в фарфоровую чашку, разбивает ее. Если же эту чашку заполнить сахарным песком, то шарик завязнет в сахаре и чашка останется целой. Вот если бы так можно было сделать на пути инерционного электрического тока!

Эту задачу решает французский физик Арман Физо (1918–1896). Решение настолько просто и изящно, что лишний раз демонстрирует – сложные вещи можно решать простыми способами. Физо помещает параллельно контактам прерывания обыкновенный конденсатор. В момент замыкания контактов прерывателя он этими же контактами замкнут накоротко и, следовательно, разряжен. В момент размыкания контакта цепь не размыкается, просто в нее включается новый элемент – конденсатор. Весь инерционный поток электрических зарядов продолжает двигаться, но теперь эти заряды настроены на зарядку конденсатора.

Когда напряжение конденсатора достигает напряжения источника – ток прекращается. Искра не возникает. Все это происходило за какие-то доли секунды. Стоит только удивляться таланту физика, придумавшего это, когда не было осциллографов (рис. 1, поз. 2).

Казалось бы, все вопросы решены. Увеличивай число витков вторичной обмотки и получай любое высокое напряжение. Но не тут-то было. Наступает момент, когда это напряжение пробивает не только воздух (искры), но и изоляцию между витками вторичной обмотки. Нужно было придумать способ борьбы с этим явлением. И он был найден! Вторичную обмотку начали изготавливать секционно. Каждую секцию отделяли от других специальными изоляционными щечками (щетками?) (рис. 3).

Нами приводится окончательный вид катушки индуктивности со ртутным прерывателем, конденсатором, секционными обмотками и переключателем питания конструкции Румкорфа. Вот это действительно его изобретение.

А для чего нужен переключатель? Дело в том, что в зависимости от индуктивности первичной обмотки токи, намагничивающие сердечник, и токи самоиндукции ее, могут быть разными по величине (амплитуде). Иногда это свойство необходимо в лабораторной практике.

Каким бы мелким ни казалось на первый взгляд изобретение Румкорфа, значение его даже в настоящее время огромно. Именно таким способом осуществляется коммутация машин постоянного тока через коллекторно-щеточный аппарат. Мы приводим рисунок с изображением переключателя Румкорфа (рис. 4). Заметим, что переключатель на индукторе другой конструкции.

А кому эти искры нужны?

С начала ХIХ века развивающаяся фабричная система хозяйствования требовала создания совершенно нового типа двигателей. Паровая машина была слишком сложна и неповоротлива. Котлы и топки с ручным отоплением делали их неприемлемыми для малых мощностей. Идея создания двигателя внутреннего сгорания наталкивалась на проблемы зажигания газовых смесей в цилиндрах. Первый такой двигатель изобретателя Барнета имел специальное запальное устройство с горевшими все время двумя факелами и золотниковое распределение этих огней. Такая машина не могла быть экономичной.

Способность электричества давать искры внутри закрытых объемов известна со времен Пристли (эвдиометр). Создание индукционного генератора искр как нельзя лучше подходило к решению проблемы. И первый практически пригодный двигатель внутреннего сгорания был оборудован электрическим зажиганием. Это был газовый двигатель Ленуара. Идея применения индукционной катушки оказалась настолько плодотворной, что как минимум на 150 лет вперед решила вопросы зажигания карбюраторных двигателей [10].

В искрах нуждалась и наука. Получаемые из лейденских банок искры хоть и были кратковременными, но дали возможность синтезировать некоторые вещества, например окислы азота. При возможности длительной генерации искр можно было бы ставить вопрос об искпороха. При изучении искр некоторые ученые обратили внимание на тот факт, что цвет искры при разряде банки зависит от разрядов электродов, между которыми эта искра проскакивала. Вот если бы продолжительность искр увеличить…

Что ж, голландец Ван дер Виллиген впервые для изучения цвета искр применяет индукционную катушку. Теперь с помощью трехгранной призмы, какой пользовался Ньютон, можно свет искры разложить на составляющие, как и свет от Солнца. Оказывается, что спектр свечения различных веществ присущ только одному из известных элементов. По спектру искр между электродами, если их смазать растворами неизвестных химических соединений, можно узнать, какие химические элементы туда входят [11]. Так возникла спектроскопия.

Исследователи газов тоже не обойдены. Еще со времен Гауксби известно, что в безвоздушном стеклянном шаре при его натирании возникает загадочное свечение, имеющее электрические корни. В относительный вакуум такого шара ввели электроды и подсоединили к катушке. Оказалось, что шар тоже светится. Светятся и стеклянные трубки с торричелиевой пустотой.

Отчего не опробовать это в оптической мастерской? Ведь там варят оптическое стекло и занимаются опытами с электричеством. Тем более что торричелиеву пустоту в трубках можно создать просто с помощью ртути. Такими опытами начинает заниматься Румкорф. Это известно по его единственному научному достижению. Он обнаруживает, что газ, светящийся в трубке, не сплошной, а разделен на слои, перпендикулярные трубке. Впрочем, Румкорф не знает, что до него это уже описал У. Грове [12].

Вполне возможно, что к исследованиям по светящимся газам Румкорфа подтолкнул Дагерр, занимающийся вопросами светящихся картин и диорамами. Тем более что различные газы в условиях высокого разрежения дают разный цвет свечения. И цвет этот весьма красив, что нам сейчас хорошо известно по газосветной рекламе.

Вскоре в Бонне стеклодув Генрих Гейсслер (1814–1879), имеющий свои мастерские и хороший вакуумный насос, начинает массовое изготовление светящихся трубок разных форм и размеров, большей частью для демонстрационных целей. Они так и назывались гейсслеровыми трубками. (Некоторые экземпляры демонстрируются в Политехническом музее Москвы.) Для научных целей изготавливались специальные трубки с узким каналом, имитировавшим световую щель спектографа.