 |
Рожанский Д.А.: магистерская диссертация
Магистерская диссертация "Влияние искры на колебательный разряд конденсатора", которую Д.А. Рожанский блестяще защитил 23 октября 1911 г. [ Рожанский, 1911 ]. В этой классической по тематике и методам работе он детально исследовал процессы, происходящие в искре при высокочастотном колебательном разряде. Новизной своих идей диссертация привлекла всеобщее внимание физиков. За нее ему была присуждена премия А.С. Попова. В течение всего периода работы в Петербурге после окончания университета Д.А. Рожанский был в центре научной жизни города и деятельности сообщества российских физиков.
В 1911 г. Д.А. Рожанский обобщает свои исследования в диссертации "Влияние искры на колебательный разряд конденсатора", которую публикует в виде большой работы (185 страниц!) в "Известиях Электротехнического института" [ Рожанский, 1911 ]. Диссертация Дмитрия Апполинариевича может рассматриваться как образцовая и заслуживает подробного описания.
Как принято и в настоящее время, во введении автор формулирует проблему. Она фактически распадается на две: одну содержательную и одну методическую. Первая состоит в том, что в связи с развитием беспроволочной телеграфии обострился интерес как физиков, так и электротехников к вопросу о роли искры в электрических колебательных цепях. Упоминая о пионерских исследованиях в этой области Б.В. Феддерсена, Г. Кирхгофа. Г. Герца, В.Ф.К. Бьеркнеса, а также П. Друде и М. Вина, Д.А. Рожанский подчеркивает, что предположение о том, что искру в колебательном контуре можно рассматривать как эквивалент некоего постоянного сопротивления, могло считаться приемлемым лишь на ранних стадиях исследования явления. В начале XX в. усилиями ряда ученых (прежде всего, Г. Зимона и самого автора диссертации) разными способами было продемонстрировано, что вольт-амперная характеристика искрового разряда нелинейна, т.е. существенно отличается от характеристик проводников, подчиняющихся закону Ома. Поэтому следующим этапом в развитии темы Д.А. Рожанский считал сравнение тех изменений, которые вносит в задачу изменчивость сопротивления при различных частных и ограничительных условиях" [ Рожанский, 1911 , с.З].
При этом, однако, возникает методическая проблема. Даже при чете переменного характера сопротивления искры обычно в рассмотрение вводилась некая средняя величина этого сопротивления. И вот здесь-то и возникают вопросы: "Можно ли утверждать, что средний результат действия искры во всех отношениях тождествен действию некоторого постоянного сопротивления? Не будет ли зависеть результат измерений от метода, и не даст ли каждый из них особую среднюю величину сопротивления, отличную от других?" [ Рожанский, 1911 , с.3-4].
Для ответа на эти вопросы Д.А. Рожанский дает исторический обзор, в котором критически, но весьма корректно анализирует практически все известные к тому времени методики исследования электрических характеристик искры. Вывод из этого обзора звучит весьма строго: "Как видно из предыдущего, несмотря на многочисленные исследования, проведенные с различных сторон и различными методами, результаты получились довольно скудные, во многих отношениях возбуждающие сомнения. (...) Причиной этого является сама сущность тех методов исследования, которые применялись до сих пор. Все они дают знание некоторых средних величин, что во многих случаях имеет большое практическое значение; но с физической стороны явление электрической искры остается не разъясненным, точно так же и влияние ее на колебательный разряд" [ Рожанский, 1911 , с. 15-16].
Далее Д.А. Рожанский критически анализирует точки зрения на природу искры при разряде конденсатора, принадлежащие И. Штарку и Гейдвелеру, и доказывает, что позиция Штарка, состоящая в том, что электрическая искра при разряде конденсатора представляет собой вольтову дугу переменного тока между металлическими электродами - правильна. Затем автор напоминает, что нелинейная зависимость разности потенциалов между электродами искры и силой тока доказана, и на этом основании формулирует основную идею своей диссертации:
"Изменения напряжения в искре подчиняются таким своеобразным закономерностям, что гораздо удобнее рассматривать ее, как некоторую электродвижущую силу, периодическую, как и колебания тока, обладающую тем же периодом, но связанную с силой тока весьма сложной зависимостью. (...) Следующим шагом к освещению этого вопроса является выработка особого метода, описанного впервые в 1908 г., который позволяет получить кривые, изображающие электродвижущую силу искры и силу тока в цепи, как функцию времени, или точнее как функцию некоторой функции времени. Этот метод и положен в основание настоящей работы" [ Рожанский, 1911 , с 18-19].
Основным экспериментальным методом, использованным Д.А. Рожанским в его диссертации стало осциллографирование быстропротекающих процессов. В наши дни этот метод широко используется не только в исследовательских, но и в учебных лабораториях. Первое десятилетие XX в. было периодом его становления. Основная идея визуализации физического процесса была первоначально реализована в устройстве, получившем название по имени его создателя, "трубки Брауна", Воспользуемся описанием этого устройства, которое Д.А. Рожанский привел в своей книге "Электрические лучи" [ Рожанский, 1908 ]
"Трубкой Braun'a ( рис. 3 ) называется трубка с сильно разреженным газом, в которой катод К является источником катодных лучей. который, попадая на фосфоресцирующий экран, заставляет его ярко светиться. Если катодные лучи подвергнуть действию электрического поля колебаний при помощи конденсатора С, или магнитнго при помощи катушек S, то они будут отклоняться в сторону действующей силы, т.е. в первом случае вертикально, а во втором горизонтально" (Цит. по [ Хвольсон, 1923, т. 5, с. 379]). К.Ф. Браун сконструировал эту трубку в 1897 г.; впоследствии многие исследователи пытались ее модернизировать для получения развертки колебательного процесса во времени. В частности, для этого предлагалось использовать вращающееся зеркало. Однако любые устройства, использовавшие механические элементы для развертки, страдали неисправимыми недостатками. Так, Ценнек в 1899 г. предложил отклонять пучок лучей с помощью постоянного тока, проходившего через катушку; его величина менялась с помощью специального подвижного реостата. В 1908 г. Л.И. Мандельштам предложил способ развертки с помощью апериодического разряда конденсатора. Единственный "след" механического устройства в его приборе сохранялся в виде контакта, который одновременно замыкал две цепи: колебательную и апериодическую. Д.А. Рожанский в своем методе пошел дальше и полностью избавился от механических элементов в установке для наблюдения колебательных процессов. Поскольку, как уже говорилось, это нововведение позволяет назвать Д.А. Рожанского одним из создателей современных осциллографов , приведем описание его установки в авторской редакции.
Отметим, что О.Д. Хвольсон с разрешения Д.А. Рожанского воспользовался его книгой для компиляции главы шестой 5-го тома "Курса физики". Глава имеет то же название, что и книга Дмитрия Апполинариевича. Подчеркнем, что в цитируемом ниже отрывке дано описание модифицированной трубки Брауна. В изначальном ее варианте движение электронов (катодных лучей) управлялось лишь магнитным полем.
"Метод, применявшийся в настоящем исследовании, по идее сходен с методом Мандельштама. Для развертывания колебаний применялся также апериодический разряд конденсатора. Но одновременное замыкание цепей происходило не при помощи металлического контакта, а через электрическую искру. Схематически этот способ изображен на рис. 4 . Цепь I состоит из емкости С, (лейденской банки), проволочного контура, в который можно включать еще катушки L для изменения его самоиндукции, и искрового промежутка f. Эту цепь, в которой разряд имеет колебательный характер, мы будем называть колебательной. К тому же искровому промежутку присоединяется и цепь II, которую мы будем называть апериодической. Ее самоиндукция мала, кроме того в нее вводится большое безындукционное сопротивление R, + R2 (электролит), которое и создает условия для апериодического разряда. Разряд происходит в обеих цепях через искру f. Источник электрической энергии, индукционная спираль, электрофорная машина, заряжает обе емкости С, и С, одновременно, и когда разность потенциалов доходит до определенного предела, происходит искровой разряд, который одновременно замыкает обе цепи. Вследствие этого обе емкости и разряжаются одновременно. Этот процесс может повторяться сколь угодно часто, причем синхронизм явлений в обеих цепях при повторных разрядах обеспечен их связью через искру и никакой регулировки не требует.
Апериодическое движение сообщается катодному пучку посредством небольшого конденсатора К2, который укреплен или снаружи или внутри Брауновской трубки В (на схеме он изображен снаружи). Пластинки конденсатора присоединены к некоторому участку R, апериодической цепи; электрическое поле внутри конденсатора пропорционально в этом случае разности потенциалов на концах сопротивления R,. Отклонения пятна на экране Брауновской трубки от его нормального положения в свою очередь пропорциональны силе электрического поля в конденсаторе, а следовательно и разности потенциалов Ri2, или силе тока i2 в апериодической цепи II. Если пренебречь влиянием искры на разряд, то ясно, что сила тока и должна изменяться по известному закону, выражаемому разностью двух показательных функций времени. В начальный момент она равна нулю, затем быстро возрастает до максимума, после чего происходит медленное падение ее, которое на некотором расстоянии от максимума может быть представлена с известным приближением уже одной показательной функцией. Совершенно таким же образом происходит и движение пятна. Вначале оно отклоняется очень быстро до крайнего положения, после чего возвращается назад с убывающей скоростью. Вследствие этого непостоянства скорости движения пятна, кривая колебаний растянута неравномерно; она более сжата в конце и сильнее растянута в начале" [ Рожанский, 1911a , с. 24-25].
Из данного отрывка видно, насколько хорошо, до мельчайших деталей молодой физик разобрался в проблеме индикации и визуализации быстропротекающих процессов. Но здесь описывается принцип наблюдения; последующие страницы работы посвящены описанию экспериментальной установки. Их, пожалуй, по-настоящему сможет оценить лишь тот, кому доводилось часами просиживать за пайкой электрических схем и монтажем экспериментальной установки. Автор знает технику эксперимента до мельчайших подробностей. К примеру, описывая систему крепления электродов, через которые подается напряжение на пластины конденсатора, находящегося внутри стеклянной трубки, Д.А. Рожанский делает такое примечание: "Обыкновенный припой, как известно, не пристает к алюминию, и для пайки алюминия даются часто сложные и не всегда надежные рецепты. Между тем существует способ, открытый Марго в 1891 г. и описанный в книжке "Threlfall, On Laboratory arts", не уступающий по своей простоте обычной пайке оловом. Припой готовится из сплава олова (100 г) и цинка (8 г). Для облуживания им поверхности алюминия ее нужно очистить от жира (щелочью) и нагреть до температуры плавления припоя (около 200 градусовC0) [ Рожанский, 1911a , с. 33].
Следующий раздел работы Д.А. Рожанского - теоретический. В параграфе, озаглавленном "Теория апериодического разряда", автор, помимо рассмотрения этой теории, тщательно обсуждает возможные причины искажений кривых, наблюдаемых в его установке, и только после этого переходит к описанию результатов опытов. Результаты представлены в двух разделах; один посвящен наблюдениям над "величиной электродвижущей силы искры" для длинных, средних и коротких волн (с периодами 7,5 - 7,5*10-6, 1,4 * 10~6 и 3,3 * 10~7 с , соответственно), а во втором описываются кривые тока.
Описания опытов, постоянно перемежающиеся с теоретическим рассмотрением процессов в электрических цепях с искровым промежутком, позволяют Д.А. Рожанскому решить поставленную во введении к работе задачу: проанализировать своеобразное влияние искры на колебательный разряд конденсатора. Вот какие важнейшие результаты работы выделяет сам автор:-
1) Выработан метод, пригодный для разностороннего исследования колебаний высокой частоты, и указаны условия и пределы его применимости.
2) Выработана конструкция Брауновской трубки, позволяющая фотографически регистрировать электрические колебания весьма малого периода, причем достигнутый предел, равный, приблизительно 3?10~7 сек., не является границей для ее применения.
3) На колебаниях с периодом в 8 ? 10~б сек изучена форма кривых э.д.с. и указаны характерные для различных металлов особенности их.
4) Для тех же колебаний установлен линейный характер возрастания э.д.с. искры в зависимости от длины ее.
5) Для колебаний с периодом 1,5 ? 10-6 сек изучено изменение амплитуды э.д.с. искры при затухании колебаний, при изменении длины искры и амплитуды силы тока, проходящего через искру. Выяснено, что у различных металлов влияние этих факторов очень различно, но что в общем амплитуда э.д.с. мало изменяется при затухании колебаний, находится приблизительно в линейной зависимости от длины искры и зависит от начальной амплитуды тока, т.е. от емкости цепи.
6) Указано, как можно объяснить, на основании наблюдений кривых э.д.с. искры, то явление, которое М. Вин назвал "Stosserregung".
7) Для колебаний с периодом в 3,3 ? 10-7 сек найдены отступления от характера кривых, полученных при более медленных колебаниях. В частности, обнаружено увеличенное затухание амплитуды э.д.с. искры с течением времени почти у всех металлов.
8) Получены кривые тока для колебаний с периодом в 2,7 ? 10"6 сек. Они обнаружили существование высших гармонических колебаний высокого порядка в замкнутой цепи, причем источником их является искра, а амплитуда их определяется формой кривой э.д.с.
9) На тех же кривых оказалось возможным определить непосредственно величину затухания колебаний, приходящуюся на счет искры. Получено количественное согласие между измерениями ЭД.С искры и величиной затухания колебаний при введении в цепь искры.
10)Теоретически выяснен характер затухания колебаний при существовании в цепи периодической э.д.с. любого типа, но не очень большой амплитуды. Этот результат, являющийся обобщением частного случая, рассмотренного Гейдвеллером, может быть формулирован так: при существовании искры в цепи и отсутствии других потерь энергии амплитуды колебаний убывают по закону арифметической прогрессии.
11) Установлена теоретически зависимость периода колебаний от типа э.д.с. Показано, что наблюдения М. Вина качественно и количественно объясняются на основании наблюдений над формой и амплитудой кривых э.д.с. искры.
12) Выяснено расхождение теории Симона, распространенной на случай быстрых электрических колебаний, с некоторыми результатами опыта. Однако окончательный отказ от нее должен считаться преждевременным ввиду недостаточности опытного материала.
13) Разобран вопрос о влиянии искры на форму резонансных кривых при упрощенном предположении о форме периодической функции, выражающей зависимость э.д.с. от времени. При некоторых ограничительных условиях получены формулы, выражающие величину J = интеграл(0-беск) ( i12dt), где i1) сила тока в резонирующей цепи в общем случае, т.е. в предположении, что, кроме искры в задающей цепи, имеется также постоянное сопротивление.
14) Получены простые приближенные формулы для определения величины коэффициента затухания из резонансных кривых в том частном случае, когда постоянное сопротивление задающей цепи равно нулю. Установлена связь между "средним декрементом" колебаний, определяемым обычным способом из резонансных кривых, и действительным затуханием колебаний в этом случае [ Рожанский, 1911a , с. 182-184].
Какие же выводы можно сделать из обзора диссертации А.Д. Рожанского? Прежде всего, эта диссертация, очевидно, является плодом совершенно самостоятельного исследования и свидетельствует о зрелости автора как теоретика и экспериментатора. Далее, следует отметить, независимость А.Д. Рожанского: в выводах он отмечает несоответствие теории своего учителя Зимона результатам эксперимента (правда, делает это в свойственной ему интеллигентной манере). Следующий, харьковский этап творчества Дмитрия Аполлинариевича подтверждает эти выводы.
Ссылки: