真空管における放電

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The Electrical Engineer - N. Y. — July 1, 1891.

6 月 10 日号の The Electrical Engineer に J. J. Thomson 教授の「真空管における放電」についての実験が紹介されているが、6 月 24 日号の Elihu Thomson 教授も同じような実験について述べている。これらの実験の基本的な考え方は、電磁誘導によって真空管（できれば電極のないもの）内に起電力を発生させ、この方法で真空管を励起することである。

この問題を注意深く研究し、その解決策を見出そうとする実験者にとっては、このアイデアは、たとえば、ライデン瓶のアルミホイル・コーティングを希薄ガスに置き換え、充電と放電を繰り返して得られたコンデンサーに光輝を励起するというアイデアと同様に、自然に思いつくに違いないと私は考えている。この考えは明白であるが、この種の研究の利点は、この主題の研究の完全性と観測の正しさに依存しなければならない。しかし、J.J.トムソン教授は、一見したところ、その研究を体系的に進め、その結果を最初に公表しているように見えますが、このような現象は指摘されていません。私が指摘したこれらの特異性は、J.J.トムソン教授の見解と食い違っているように思われ、現象を異なる角度から提示しているように思われる。

この点に関する私の調査は、主として昨年の冬から春にかけて行われた。この間、多くの異なった実験が行われ、この問題についてWestern Union Telegraph CompanyのAlfred S. Brown氏と意見交換をする中で、様々な異なった配置が提案され、私はそれを実際に実行に移すことができた。図1は、使用された多くの装置の1つの例となるものである。これは大きなガラス管の一端を密閉して、普通の白熱灯の電球の中に突き出したものである。一次側は、通常、厚い絶縁銅板を数回巻いたもので、管内に挿入され、電球の内部空間が二次側となる。この形式の装置は、いくつかの実験の末に完成したもので、主に管の内側に光沢のある反射面を設けるために使用され、この目的のために一次側の最後のターンは薄い銀のシートで覆われていた。どの形式の装置でも、一次側に近接して発光する円形や円筒を励起することに特別な困難はなかった。

回転数については、トムソン教授がなぜ数回転で「十分」だと考えたのか、私にはよく理解できないが、彼が持っていないであろう意見を私が押しつけることのないように、彼の講演の公表された抄録を読んでそう感じたことを付け加えておく。どのような場合でも、最良の結果をもたらす回転数は、装置の寸法に依存することは明らかであり、様々な考慮事項がなければ、常に1回転が最良の結果をもたらすであろう。

私は、これらの実験では、一次側を通って放電するライデン瓶を充電するための誘導コイルを励起するために、図2に示すように、1秒間に適度な数の交番電流を与える交流機を使用することが望ましいと発見しました。しかし、私はいくつかの実験でウィムシャーストの機械も使っている。

トムソン教授は、この現象はすべて電磁気的な作用によるものだと考えているようである。私も一時はそう思っていたが、よく調べてみると、この現象はむしろ静電気的な性質のものであるという確信を持った。この実験では、膨大な周波数や変化率、高い電位を持つ一次電流を扱わなければならず、二次導体は希薄なガスでできており、このような条件下では静電効果が重要な役割を果たすに違いないことを忘れてはならない。

このような条件下では、静電効果が重要な役割を果たすに違いない。この考えを裏付けるために、私が行ったいくつかの実験を説明しよう。管内の光度を高めるには、導体が閉じていることが絶対条件ではない。たとえば、普通の排気筒（できれば大口径）を、一次側となる太い銅線の螺旋で囲めば、図3に示すような、微弱な発光の螺旋が筒の中に誘発されるかもしれない。この実験で不思議な現象が見られた。すなわち、一次螺旋の一回転に近いところに、強烈に発光する2つの円が管内に形成され、私はこの現象を一次螺旋上の節の存在に帰着させた。その円は、一次螺旋に平行で、かつ近接した微光の螺旋で結ばれていた。この効果を得るためには、瓶を極限まで緊張させる必要があることが分かった。螺旋の回転は閉じて円になる傾向があるが、これはもちろん予想されることであり、必ずしも電磁気的効果を示すものではない。

ロッジ博士のリコイル回路を使っても、同様に静電作用は明らかである。その配置を図4に示す。ロッジ博士の実験では、2本の中空の排気管H Hを反跳回路の電線の上に滑らせ、通常の方法で瓶を放電させると、管内に光度が励起された。

もう一つの実験が図5に示されている。この場合、普通の電球の周囲を太い銅線Pで1〜2ターン囲み、一次側を通して瓶を放電させると、電球に発光円Lが励起される。電球は一次側と反対側にアルミホイルで覆われており、アルミホイルを地面や大きな物に接続するたびに、円の輝度がかなり増加した。これは明らかに静電気作用によるものである。

しかし、J.J.トムソン教授が観察したように、一般的に言って、誘導された円が非常にシャープに定義されていることには注目していない。それどころか、私の実験では、円は広く、しばしば電球や管の全体が照らされる。しかし、円は常に原器に近接しており、原器がガラスに非常に接近しているときには、かなり容易に発生した。このことは、作用が電磁的であると仮定して距離を考えると予想されるよりもはるかに多く、これらの事実は、静電気効果を物語っている。

さらに私は、ガラスに直角な発光円の平面で分子砲撃が起こっていることを観察した-円は原子の平面にあると仮定して-この砲撃は原子の近くでガラスが急速に加熱されることから明らかである。もし砲撃がガラスに対して直角でなかったら、加熱はそれほど速くならないはずです。もし発光円を構成する分子の円周方向の動きがあるならば、管または電球の中に、円に対して放射状に、燐光物質でコーティングした雲母の薄い板を置き、円の接線方向に別のそのような板を置くことによって、それを明らかにすることができるだろうと、私は考えた。分子が円周方向に動けば、前者の板はより強く燐光するようになる。しかし、時間がなくて、この実験をすることができなかった。

もう一つの観察は、一次と二次の間の媒質の比誘電率が高くなると、誘電効果が増大することである。この場合、排気管または電球Bに光度を励起し、一次と電球の間にガラス管Tを滑り込ませたところ、指摘したような効果が認められたのである。もし、この作用が完全に電磁気的なものであったなら、何の変化も観察されることはなかったであろう。

私は、電球の周囲を、それ自身と一次側の平面内で閉じた針金で囲んだ場合、電球内の光輪の形成が妨げられないことを同様に指摘した。しかし、針金の代わりにティンフォイルの広い帯を電球に接着すると、作用がより大きな表面に分散されるため、発光帯の形成が阻止されるのである。電線よりも抵抗が大きく、電磁気的な作用が小さかったからである。

J.J.トムソン教授の実験にも、静電気作用を示すものがあるように思われる。たとえば、ベル・ジャーに電球を封入した実験では、ベル・ジャーが排気されて封入されたガスの導電率が最大になると、一次粒子の周囲の空間が高導電性であるため、電球とジャーに円が形成されなくなると思うのですが、さらにジャーを排気すると一次粒子の周囲の空間の導電率が下がり、希薄ガスが一次端子に近くなって、円が必ず先にベル・ジャーに現れるのです。しかし、誘導作用が非常に強力であれば、おそらく電球にも現れるだろう。しかし、もしベル・ジャーが最高度に排気されたなら、それらは電球だけに現れる可能性が非常に高く、つまり、空虚な空間が非導電性であると仮定すると、それらは電球に現れるだろう。このような現象に静電気作用が関係していると仮定すれば、水銀の導入や電球の加熱がなぜ発光帯の形成を妨げたり残光を短くするのか、また、場合によっては白金線が管の励起を妨げるのか、簡単に説明できることがわかるだろう。しかし、J.J.トムソン教授の実験のいくつかは、電磁気的な効果を示しているように思われる。私の実験では、トリケルの方法で真空を作り出したが、発光帯を作ることができなかったことを付け加えておく。

私の主な主張は次のようなものである。一次回路を通したときに電球の発光帯を励起するのにかろうじて十分であるのと同じ放電を、静電誘導効果を高めるように、すなわち上方に変換するように向ければ、電極のない排気筒を数フィート離れたところで励起することができることを実験的に証明したのである。

1891年7月24日付のロンドン電気新聞に掲載されたJ.J.トムソン教授のメモ。

「テスラ氏は、自分が観察した効果を静電気作用のおかげだと考えているようで、彼の実験方法の説明から、その実験において静電気作用が非常に重要な役割を果たしていることは間違いない。しかし、彼は、これらの放電の原因に関する私の立場を誤解しているようだ。それは、彼の言うように、電極のない管の光度が静電気作用によって生じることはなく、この作用を排除したときにも生じることがあるということである。実のところ、この静電作用が働いているときの方が、働いていないときよりも、光度を得るのが非常に簡単なのである。このことを説明するために、私が最初にライデン瓶の放電で試みた実験では、管内に光度が生じたが、6週間続けて実験した後、私は、通常、電気力学的作用と呼ばれるものによるものと納得できる放電を排管内に生じることができたことを述べておこう。ここで、静電気作用とはどういうものか、よく理解しておくとよい。瓶の放電の前に、一次コイルを高い電位に上げておくと、管のガラスの上に電気が分布するようになる。一次コイルの電位が急に下がると、この電気が再分配され、希薄な気体を通過して、光度が発生することがあります。壺の放電が進行している間、その効果を静電気と呼ばれる部分と電磁気と呼ばれる部分に分けることは困難であり、理論的には好ましくない。私の実験では、一次コイルはアースに接続され、さらに用心のため、希硫酸で湿らせたあぶらとり紙で一次コイルを放電管から分離し、アースに接続している。湿ったあぶらとり紙は、静電効果を遮断するには十分な導電体であるが、交番起電力の波を止めるには十分ではない。物理学会でこの実験を披露したとき、もちろんチューブを覆い隠しておくことはできなかったが、記憶が曖昧でなければ、静電効果に対してとった予防策を述べておいた。誤解を避けるために言っておくと、私は学会で正式な論文を読んだわけではなく、最も典型的な実験のいくつかを紹介するのが目的だったのである。電気技術者』誌に掲載された実験の説明は、記者のメモにあったもので、私が書いたものでもなければ、読んだものでもない。その中には、テスラ氏が言及した、放電管の近くに置かれた導体の効果に関する実験に類似したものがあり、ある場合には放電の明るさを減少させ、ある場合には増加させることがわかったし、大きな比誘導容量を持つ物質の存在の効果に関する実験もあった。これらについては、私には満足のいく説明ができるように思われるが、これについては私の論文を参照されたい。"

1891年7月24日付「電気技師」誌のJ・J・トムソンのノートへの返信。

8月12日付のThe Electrical Engineerに、J.J.トムソン教授の発言が掲載されています。この発言はもともとLondon Electricianに掲載されたもので、7月1日号の号に私が記載したいくつかの実験と関係があるようです。

私は、トムソン教授が考えておられるように、考察された現象の原因に関して教授の立場を誤解していたわけではなく、彼の実験においても、私の実験においても、静電効果が非常に重要であると考えていたのである。彼の実験に関するわずかな記述からは、これらの影響を排除するために可能な限りの予防措置が取られているとは思えませんでした。私は、静電気作用が完全に排除されていれば、密閉された管内で光度が励起されることを信じて疑わなかった。実際、私自身、当初は純粋に電気力学的な効果を探し、それが得られたと信じていたのである。しかし、当時行われた多くの実験によって、一般に静電効果の方がはるかに重要であり、観察された現象のほとんどをより納得のいく形で説明できることが証明されたのである。

静電気という言葉を使ったのは、この用語の通常の使い方である静止状態よりも、むしろ作用の性質に言及したためです。より明確に表現するために、閉じた排気管の近くに、非常に高い電位に帯電した小さな球体を置いたと仮定してみます。この球体は、管に誘導的に作用し、電荷を分配することによって、（電位が十分に高ければ）間違いなく光度を生み出し、永久的な状態に達するまで、管に作用するだろう。管が完全に絶縁されていると仮定すると、配電中に一度だけ瞬間的な閃光が発生するはずである。これは、単に静電気作用によるものであろう。

しかし、ここで、帯電した球体を、排気された管に沿って短い間隔で高速に移動させたとしよう。この場合、移動する球体は常に電気を再分配し、希薄な気体の分子を衝突させるので、チューブは永久に励起されることになる。この場合でも、静電気的な効果に加え、電気力学的な効果も観測されることになる。しかし、たとえば、発生する効果が媒質の透磁率よりも比誘電率に依存することがわかったとしたら、それは光の速度よりもはるかに低い速度の場合であることは間違いないのだから、発生する効果はより静電気的な性質であると言うのは正当であろうと私は思う。しかし，ライデン瓶が一次側を通って放電する場合に，同じような状態が優勢であると言うつもりはないが，そのような作用が望ましいと思うのである。

私が「静電気的性質が強い」という言葉を使ったのは、上記の例の精神に基づくもので、比誘電率の高い物体の影響を調べ、例えばチューブのガラスの質が重要であることを観察したのである。また、酸素を使って、透過性の高い媒体の影響を確かめようとした。大まかな予想では、同じような条件下で、つまり決定できる限りにおいて、酸素の管はより多くの光を与えるように思われたが、もちろん、これには多くの原因があるのだろう。

トムソン教授が行った注意と予防措置により、励起された光度が電気力学的作用のみによるものであることを疑うことなく、私は多くの実験で遮蔽の効果がない不思議な例を観察してきたと述べたい。

J.J.トムソン教授は『電気屋』への最初の通信で、ライデン瓶を放電させた電線の近くの管内の光度がヒトルフによって指摘された事実に言及している。しかし、私の実験では、その効果は、通常指摘されるものよりはるかに強力であった。