Занимательная электротехника на дому

В магазинах электротехнических принадлежностей и тем более там, где продают физические приборы, можно найти разнообразнейший выбор этих «волшебных» трубок, разных размеров и форм, зачастую весьма причудливых и сложных (рис. 33), наполненных газами того или иного химического состава и большей или меньшей степени разрежения и увеличивающих красоту разряда через эти газы побочными явлениями люминесценции[11] и флуоресценции[12] стекла, из которого трубки выдуты, и предметов внутри их включения.

Разнообразию трубок Гейслера соответствует и разнообразие их цен от нескольких копеек до десятков рублей.

Дешевые трубки не всегда бывают исправными: случается, что вплавленные в них электроды оказываются отпаявшимися от металлических наконечников с ушками, а сами наконечники отклеившимися от стекла (их приклеивают к стеклу сургучом).

Такие трубки, если только вплавленные в них провода сидят плотно, могут быть исправлены. Для этого надо только припаять провода к наконечникам, а наконечники приклеить сургучом к стеклу.

Рис. 33

Во всяком случае, покупая, надо обязательно тут же, в магазине, испробовать трубки, хранить же их дома надо в коробке, обложенными ватой, и отнюдь не давать никому в руки.

Для подвешивания трубок надо устроить стоечку из толстой медной проволоки так, чтобы при прикреплении ушка трубки к проводу, соединенному с полюсом источника тока, ушко не оттягивалось, а лишь свободно касалось провода.

Картина свечения газа внутри таких трубок меняется в зависимости от того, насколько сильно его разрежение.

Вы знаете, что воздух при обычном давлении является хорошим изолятором и что разряд через воздух происходит лишь при значительной разности напряжений, имея вид миниатюрной молнии. Если же воздух частью выкачан или другим путем удален из трубки, то картина разряда меняется.

При упругости в 10–12 раз меньше нормальной блестящая искра заменяется тихим сиянием, соединяющим разноименные электроды. При уменьшении давления внутри трубки в 100 и более раз сияние, заполнявшее трубку, сосредоточивается вблизи полюсов, а при дальнейшем уменьшении упругости воздуха – расширяется. Когда упругость доведена до 1/₃₈₀ нормальной, сияние у анода (положительного электрода) красноватое и отделено от катода (отрицательного электрода) темным пространством, а катод окружен синеватым светом.

Это – момент возникновения катодного потока, потока свободных электронов, из которых состоят атомы газов, наполняющих трубки, и которые сами являются как бы «атомами электричества». Начиная от этого момента и до уменьшения давления (упругости) внутри трубки до 1/_{25 000} нормального изменение картины свечения идет в таком порядке: сияние у катода ширится, у анода отступает, становится ярче и белее и распадается на слои, разделенные темными промежутками, голубое сияние у катода продолжает расширяться.

По мере его расширения сияние у анода слабеет и, наконец, совершенно исчезает, катодный свет заполняет всю трубку и освещенные им места ее стеклянных стенок флуоресцируют ярким изжелта-зеленым светом.

Катодные лучи (поток электронов) не видны глазу и обнаруживаются упомянутым свечением стекол, особенно так называемого уранового, и многих минералов. В особенности ярко, при падении на них катодных лучей, испускают видимые световые лучи: алмаз (небесно-голубого цвета), гранат (красно-оранжевого), доломит (желтого), известняк (красного), корунд (пурпурного), куприт (ярко-красного), мрамор и мел (оранжевого), сланец (желтого), плавиковый шпат (фиолетового) и др.

Сделанный, например, из тонкой жести букет искусственных цветов, листья, веточки и лепестки которого покрыты флуоресцирующими красками, будучи помещен внутри круксовой[13] трубки и подвергнутый действию катодных лучей, представляет по своей красоте зрелище, ни с чем, кажется, не сравнимое. Сделайте его из алмазов, сапфиров и рубинов – он все же далеко не будет так красив. Описать эту красоту словами нельзя, ее надо видеть!

К сожалению, такие трубки с введенными внутрь их самосветящимися веществами стоят не очень-то дешево, сделать же их самому, не имея специального ртутного насоса для получения почти полной пустоты внутри гейслеровых трубок, необходимой для образования катодного потока, к сожалению, нельзя.

Зато трубки с не столь сильным разрежением могут быть изготовлены и любителем, не слишком искушенным в приемах ручного труда. Для этого не надо быть даже особо искусным стеклодувом.

К описанию самодельных гейслеровых трубок я и перехожу.

Самодельные трубки гейслера

Центр тяжести изготовления этих заманчивых для каждого любителя приборов заключается в получении внутри их вакуума (разреженного пространства).

Есть несколько способов образования потребного разрежения. Думаю, что хотя бы одним из описываемых ниже вы сумеете воспользоваться.

Начните вашу работу с изготовления не трубки, а целой «бутылки Гейслера», так как эта работа не требует знакомства с искусством стеклодува.

Для этого в любой бутылке острием трехгранного напильника, смоченного скипидаром, просверлите немного выше дна отверстие и, обравняв шкуркой его края, вставьте в это отверстие очень плотно резиновую пробку а (рис. 34), проколотую тонким стальным или железным гвоздем b. Такую же, очень плотно входящую в отверстие, резиновую пробку с подберите к самой бутылке. Эту пробку также проколите насквозь гвоздем d.

В колбу е (или другую бутылку) бросьте горсть измельченного мела и облейте его слабой соляной кислотой. Она вытеснит (химически) из мела тяжелый угольный ангидрид – тот газ, который выделяется нашим дыханием и который образуется при полном сгорании угля. Через несколько минут, когда этот газ вытеснит из колбы воздух, закройте колбу пробкой к с пропущенной сквозь нее стеклянной трубкой g, изогнутой, как показано на рисунке. Внешний конец этой трубки опустите на дно будущей «гейслеровой бутылки». Угольный газ наполнит ее, вытесняя из нее воздух. Газ бесцветен; чтобы убедиться в том, что бутылка полна им, опустите в горло бутылки тлеющую спичку. Если последняя тотчас загаснет, значит, воздух из бутылки вытеснен. Выньте трубку из бутылки, бросьте в бутылку кусочек едкого калия (обращаться с осторожностью, брать щипцами, а не руками!), плотно закупорьте ее пробкой с.

Рис. 34

Через сутки прибор будет готов, углекислый газ соединится с едким калием в твердое вещество (поташ).

Читатель, знакомый с химией, скажет, что при этом выделится вода. Да, конечно, а потому хотя часть этой воды свяжется гигроскопически поташем, но ее пары и воздух, бывший растворенным в угольном газе, останутся в бутылке, так что совершенно пустой она не будет, но все же давление внутри ее будет достаточно малым.

Тем же химическим путем, вытесняя воздух углекислым газом, а затем поглощая последний едким калием, можно получить разреженное пространство внутри тонкостенных и легкоплавких трубок.

Для этого, нагрев длинную стеклянную трубку в пламени газовой или спиртовой горелки до размягчения, растягивают нагретое место так, чтобы образовалось сужение. Дав трубке остыть, переламывают ее, получая оттянутый кончик а (рис. 35, II). Надев на кончик резиновую трубку, берут другой ее конец в рот и дуют в него, разогревая конец стеклянной трубки b посредине так, чтобы в этом месте образовался шарик с (рис. 35, III). Дав трубке остыть, оттянутый конец ее b соединяют резиновой трубкой с прибором для получения углекислого газа и током последнего вытесняют из трубки воздух; после этого конец а заплавляют в пламени лампы, вставив в него предварительно отрезок платиновой или серебряной (в крайнем случае нейзильберовой и т. п.) проволоки – один из электродов будущей трубки Гейслера (рис. 35, IV).

Разъединив конец трубки b от аппарата, выделяющего угольный газ, быстро вводят в шарик кусочек едкого калия и тотчас заплавляют наглухо кончик трубки b (рис. 35, V). Через сутки, когда едкий калий поглотит углекислый газ, вплавляют второй электрод d и, заплавив узенькую трубочку между шариком с и главной трубкой, отделяют шарик отламыванием (рис. 35, VI).

Можно также, размягчая в одном месте стенку трубки и осторожно вдувая в нее воздух, получить в изготовляемой трубке, как и в предыдущем случае, шарик и, дав трубке остыть, наполнить его гашеной известью.

Накаливая затем шарик с известью, выделяют из последней пары воды, вытесняющие из трубки воздух, после чего в трубку вплавляют электроды и заплавляют ее с обоих концов, не отделяя шарика с.

Охлаждаясь, известь вновь соединяется с водой, и в трубке давление понижается. После этого заплавляют узенькую трубочку между главной трубкой и шариком, оттягивают ее и обламывают шарик.

Рис. 35

Пользуясь тем, что упругость водяного пара тем меньше, чем ниже его температура, можно достичь разрежения в трубке таким «физическим» путем. Для этого на конце трубки, предварительно заплавленной в пламени горелки и согнутой под прямым углом, выдувают шарик а (рис. 35, VII), а другой конец оттягивают в узенькую трубочку. Затем вплавляют в трубку электроды (как и в предыдущем случае, если можно, платиновые, а то хотя бы железные) с и d и дают трубке остыть. Потом снова, слегка нагрев всю трубку, оттянутый ее конец b погружают в воду. При нагревании воздух в трубке расширяется и часть его выходит наружу, а при остывании трубки на его место давлением наружного воздуха в нее вгоняется вода. Дав ей перелиться в шарик а, нагревают ее до кипения. Выделяющийся пар вытесняет воздух из трубки.

Когда почти вся вода, бывшая в шарике, испарена, другой лампой нагревают оттянутый кончик трубки b до плавления и, прекратив нагревание шарика а, окончательно заплавляют кончик b.

Дав прибору постепенно остыть, шарик а помещают в чашечку со льдом. Пар, наполнивший трубку, при этом частью конденсируется в шарике, упругость его падает до 1/₁₆₅ нормальной. Наполняя же чашечку искусственной охладительной смесью (азотно-аммониевая соль и снег в равных по весу количествах), удастся понизить температуру до 30°, а упругость пара внутри трубки до 1_/2500 нормальной. При таких упругостях разряд, при соединении электродов трубки с и d с клеммами вторичной обмотки работающей спирали Румкорфа, дает весьма интересные световые явления внутри трубки.

Охлаждая шарик трубки до более или менее низкой температуры, получают и упругость внутри гейслеровой трубки тем меньшую, чем ниже температура охлаждения шарика, что дает возможность наблюдать картину светового разряда при разных степенях разрежения. Если же отогнутое вниз колено трубки сделать достаточно длинным, то, сильно охладив шарик и, следовательно, значительно разредив воздух в трубке, можно заплавить ее за электродом с и затем отделить от нее нижнюю часть с шариком.

Для того чтобы разредить воздух в трубке механическим путем, трубку снизу закрывают герметически пробкой а, проваренной в парафине с пропущенной сквозь нее медной проволокой b, расплющенной сверху в пуговку, а снизу, вне трубки, согнутой в крючок (рис. 35, VIII).

Ранее чем вставить в трубку эту пробку, через тот же конец вводят другую пробку с. Через нее пропускается более длинная медная проволока, припаянная к медному кружку, прилегающему к нижнему основанию пробки, а на другом конце согнутая в кольцо. Введя эту пробку неглубоко внутрь трубки, закрывают последнюю плотно второй пробкой и после этого вытягивают пробку с до верхнего края трубки, разрежая тем самым воздух в пространстве между пробками.

Пробка с также должна быть совершенно плотной, и сверх нее наливается тонкий слой вазелинового масла. На проволоке, проходящей через пробку с, делается в небольшом расстоянии от ее верхнего края колечко е. Когда оно вытянется выше верхнего края трубки, в нее вставляют стальной штифтик, чтобы внешним давлением пробка не вгонялась внутрь трубки.

При помощи проволок, проходящих сквозь пробки, трубка соединяется с электродами действующего источника тока. Трудно, конечно, в течение более или менее долгого времени сохранять внутри трубки пониженное давление.

С течением времени воздух проникает в зазоры между стеклом и пробкой, пробкой и проволоками – электродами, и свечение прекращается. Зато не трудно снова повторить описанную операцию и вновь разредить воздух в трубке.

При изготовлении гейслеровых трубок во всех случаях можно предварительно ввести внутрь их фосфоресцирующие вещества, некоторые из которых светятся не только во время разряда в трубке, но продолжают светиться и после того, как прекращен ток. Таковы, например, сернистые кальций и барий. Очень красиво ярко-зеленое свечение двойной фтористой ураново-аммониевой соли; менее эффектно, но все же весьма занимательно оранжевое сияние сернистого цинка, зеленое азотнокислого урана и других солей.

Загадочные лучи

Новые научные открытия, становясь достоянием широких масс, обычно возбуждают к себе тем больший интерес, чем они непонятнее, чем резче отступают от истин, ставших уже привычными.

Они заинтересовывают не только ученых и образованных людей, но и такие круги публики, которые обычно совершенно равнодушны к успехам естествознания.

Такой повышенный интерес вызвали в свое время говорящая машина – фонограф, передача речи по проводам – телефония, а в последние годы радио – передача музыки и речи. Но, пожалуй, ни одно из этих открытий и изобретений не взволновало так сильно общество, как открытие германским профессором Рентгеном загадочных Х-лучей, проникающих сквозь непрозрачные преграды.

Поначалу публика решила, что отныне нет закрытых помещений, что каждая комната может быть осмотрена, хотя бы все входы в нее были заперты, каждое заклеенное письмо прочтено, содержимое любого чемодана обнаружено, не раскрывая самого чемодана, и т. п.

Смешивая природу новых лучей, названных в честь ученого, их открывшего, лучами Рентгена, с лучами света, воспринимаемого нашим органом зрения, полагали, что достаточно направить поток таких лучей на стену дома, чтобы видеть все, что делается внутри его.

Вскоре убедились, что большинство этих предположений надо отнести к области фантазии, и интерес к новому открытию в широких кругах публики столь же быстро исчез, как и появился, но не исчез он, по счастью, среди ученых. Они продолжали изучать эти таинственные лучи и после почти 20 лет упорной работы над ними вполне выяснили их природу, условия возникновения и свойства. Их же практическое применение было разработано значительно раньше. Это такие же лучи, как и лучи видимого света, но с очень короткой длиной волны, еще более короткой, чем у так называемых химических ультрафиолетовых лучей, лежащих за фиолетовой частью спектра и также не ощущаемых глазом.

Рентген натолкнулся на свое открытие совершенно случайно.

Известно, что часть круксовой трубки, на которую падет катодный поток при разряде токов высокого напряжения в газах малой упругости, начинает флуоресцировать, то есть становится самосветящей-ся. Экран, покрытый люминесцирующим веществом, например платиново-синеродистым барием, помещенный вблизи самосветящейся части трубки, тоже начинает светить. Рентген, желая исследовать, какие лучи вызывают это вторичное свечение, видимые световые или не ощущаемые глазом, проходящие сквозь стекло, закутал трубку черным сукном. Оказалось, что и при этом условии экран люминес-цировал.

Чтобы определить степень проницания невидимыми лучами тел, для обыкновенного света непрозрачных, Рентген поставил между экраном и трубкой деревянный щит. При этом он заметил не только то, что экран продолжает светить, но и различил на экране тень от руки, которой придерживал щит. Дальнейшие исследования показали, что эти, как он их назвал, Х-лучи проникают через большинство непрозрачных тел и притом в различной степени. Так, внутри слабой тени от руки можно различить более темный силуэт ее скелета (рис. 36).

Рис. 36

Оказалось, что Х-лучи действуют химически, подобно давно известным, тоже невидимым глазом, ультрафиолетовым лучам, на фотографическую пластинку. Кладя руку на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, и направляя сверху поток лучей, можно, после того как пластинка будет проявлена обычным путем, получить на ней негативное изображение руки и ее скелета.

Таким образом, невидимые световые лучи Рентгена можно было сделать видимыми косвенными путями:

1) освещая ими экран и получая при этом силуэт тела, помещенного между источником лучей и экраном;

2) фотографируя такой силуэт на фотографической пластинке.

Первый метод получил название рентгенизации, второй – рентгенографии.

Вскоре для рентгенизации было придумано особое приспособление – криптоскоп (по-русски – тайновидец), состоящий из ящика без крышки, дном которого служит экран, покрытый платиновосинеродистым барием. Прикладывая криптоскоп открытой стороной к глазам, на экран направляют поток лучей, а к экрану прижимают руку, закрытое портмоне и т. п. В первом случае на экране обрисовываются кости руки, во втором – монеты, скрытые в кошельке, и т. д. Понятно, что в этом случае получается только более или менее густая тень и что нельзя видеть, стоя перед источником, Х-лучей, то есть ими нельзя снаружи осветить комнату или закрытый ящик, чтобы видеть скрытые в них предметы.

Рентгенографировать оказалось возможным только в натуральную величину, без камеры, так как в отличие от световых лучей лучи Рентгена не преломляются, проходя через линзы (сферические стекла фотографического аппарата); стекла же, в состав которых входит свинец, кроме того, почти непрозрачны для этих лучей.

С годами оба метода были значительно усовершенствованы в пределах, допускаемых физическими свойствами лучей. В настоящее время рентгенизация достигла такой степени совершенства, что можно в темном помещении сделать видимым для большой аудитории полный скелет живого человека, можно отличить внутренние органы и видеть их дефекты.

Рентгенография, требовавшая первоначально значительного времени для получения ясных изображений, благодаря увеличению чувствительности фотографических пластинок и усилению источника лучей, допускает моментальные снимки и даже получение кинематографических изображений. Имеются фильмы (кинематографические ленты), изображающие процесс работы внутренних органов человека, последовательное развитие зародыша в курином яйце и т. и., поистине волшебные картины, дающие возможность человеку заглянуть в такие тайники природы, которые, казалось, были от него скрыты навеки.

Лучи рентгена без рентгеновской трубки

Опыты с лучами Рентгена принадлежат к числу малодоступных. Конечно, любитель, не стесненный в материальных средствах и имеющий хорошую катушку Румкорфа, не пожалеет рублей десять на покупку рентгеновской трубки; но ведь таких любителей у нас значительно меньше, чем тех, для которых такой расход является непосильным, заставляя их отказываться от знакомства с одним из интереснейших физических явлений.

Опытный любитель постарается приготовить рентгеновскую трубку сам, но для любителя начинающего или не имеющего нужных инструментов и такой выход недоступен. Между тем ознакомиться со свойствами лучей Рентгена и даже получить при их помощи фотографические (правильнее – рентгенографические) снимки доступно положительно каждому, только не многие знают, как без рентгеновской трубки получить и обнаружить лучи Рентгена.

Ничего не стоящая или стоящая несколько копеек перегоревшая лампочка накаливания с угольной нитью – вот дешевый источник лучей Рентгена. Правда, обработка такой лампы, превращение ее в трубку Рентгена требует терпения, но у истинного любителя его не занимать.

Осторожно, чтобы не раздавить колпачка лампочки и не поранить руки, а главное, глаза, снимают поддон и выскабливают гипсовую заливку, пока не обнажатся платиновые электроды. Выскабливать гипс надо крошку за крошкой, оберегаясь нарушить целость вакуума. Если внутрь лампочки проникнет воздух, она не будет пригодна для нашей цели. Не всякая система ламп допускает эту работу, но в городе, где имеется электрическое освещение, у местных электротехников пока еще удается найти подходящую лампу. Говорим «пока», так как современные лампы с металлическими нитями для этой цели не подходят.

Освободив концы платиновых проволочек, припаивают их тинолем к освобожденному от изолировки концу проводника тока (звонковой медной проволоки) и вновь заливают жидким гипсом. После того как гипс вполне отвердеет, лампочку устанавливают горизонтально, укрепляя ее в прорезе вертикального деревянного штатива. Штатив можно устроить из толстой деревянной доски а, размером 10x10 см, в середине которой врезана равная ей по толщине дощечка b высотой 15–20 см. В этой вертикальной дощечке делается вырез с (лобзиком) по размеру нижней части лампы. Сверху лампы наклеивают кружок d, вырезанный из листового олова, около 1 см в диаметре, и над ним, почти касаясь его, укрепляют второй провод при помощи клеммы, привинченной к вертикальной доске штатива (рис. 37).

Рис. 37

Источником тока для такой самодельной рентгеновской трубки, как и для настоящей трубки, может служить или спираль Румкорфа, или электростатическая машина, если у любителя нет спирали с искрой не менее 1 см. Конечно, работа с машиной значительно менее удобна, чем со спиралью, которую и желательно иметь для этой цели, в особенности если желают не только рентгенографировать непрозрачные предметы, но и наблюдать их при помощи криптоскопа.

Провода соединяют с клеммами разрядника индукционной катушки или с кондукторами электростатической машины, удаленными друг от друга на такое расстояние, чтобы искра не могла непосредственно проскакивать между ними. Замыкая ток спирали или равномерно и продолжительно вращая машину, получают непрерывный поток искр между оловянным кружком и концом провода, соединенного с анодом. Возникающие при ударе о стекло вторичные рентгеновские лучи отражаются оловянным листком, как вогнутым зеркалом, и направляются отвесно. Чтобы их обнаружить, готовят чувствительный экран размерами в почтовую карточку. Проще всего получить такой экран, смазывая кусок картона гуммиарабиком и обсыпая цинковыми белилами, но он будет малочувствителен. Для увеличения чувствительности вместо сернистого цинка берут двойную соль синильной кислоты бария и платины (платиново-синеродистый барий) или менее дорогую ураниево-аммониевую соль плавиковой кислоты.

Для приготовления этой соли растворяют 10 г азотнокислого урана в 40 кв. см воды, при кипячении прибавляя к раствору 5 г фтористого аммония и продолжая кипятить после того еще минут пять. Охладив, отфильтровывают мелкий кристаллический желтый осадок и просушивают его до полного удаления влаги.

Когда экран готов, на него кладут непрозрачный, по возможности плоский, предмет, например ключ от американского замка или серебряную мелкую монету, поместив их в конверт из черной бумаги.

(Такую бумагу можно достать у каждого фотографа-любителя, в нее бывают завернуты фотографические пластинки.) Экран, с положенным на него конвертом (не с той стороны, с которой экран покрыт чувствительным слоем, а с обратной), снизу приближают к лампе так, чтобы конверт находился на пути падающих вниз лучей. Для удобства рассматривания можно приспособить род столика, сколотив его из деревянных планок, или прямо класть экран горизонтально (чувствительным слоем вниз) на две вертикально поставленные книги.

Приведя в действие спираль или машину, снизу заглядывают на экран и замечают на светлом фоне люминесцирующего экрана тень ключа, монеты и тому подобных предметов, задерживающих или ослабляющих лучи Рентгена, свободно проходящие через черную бумагу в толщу экрана. Смотреть на экран, понятно, надо в темноте.

С такой примитивной установкой можно получать и фотографические (рентгенографические) изображения, даваемые невидимыми глазу лучами.

Если даже и не удастся обнаружить лучей вышеописанным образом по люминесценции экрана, то это еще не значит, что их нет. В таком случае надо попробовать, не может ли обнаружить их присутствие фотографическая пластинка.

Пластинку в темной комнате тщательно заклеивают в конверт из черной бумаги так, чтобы на нее не мог упасть ни один луч света, если получение рентгенографии предполагается днем.

Во избежание порчи пластинок лучше работать вечером при слабом и далеко поставленном от аппарата источнике света. Конверт с пластинкой помещают так же, как это делали с экраном (последний в данном случае не нужен), и на него под лампу кладут монету или тому подобный металлический плоский предмет. Экспонировать надо долго, не менее 20–30 минут, после чего пластинку проявляют каким-нибудь контрастным проявителем, всего лучше железным. Так как в настоящее время этот проявитель давно вышел из употребления, а для нашей цели он весьма пригоден, то сообщим его рецепт.

Готовят два раствора:

1) воды 1000 куб. см и средней (не кислой) щавелево-калиевой соли 300 г;

2) воды 300 г и железного (зеленого) купороса 100 г.

Раствор второй подкисляют 2–3 каплями серной или лимонной кислоты.

Для нормально выдержанных негативов в четыре части первого раствора вливают одну часть второго раствора. Вливают обязательно второй раствор в первый, а не наоборот, чтобы не получить осадка. При недодержках добавляют второго, а при передержках первого раствора. Для усиления контрастности прибавляют бромистого натра.