Urządzenia do odbioru impulsów prądu przemiennego wysokiego napięcia: cewka Rumkorffa i transformator Tesli

Urządzenia techniczne do odbioru wysokiego napięcia

Na początku XIX wieku naukowcy zaczęli tworzyć urządzenia do uzyskiwania wysokich napięć prądu przemiennego. Heinrich Hertz w swoich eksperymentach wykorzystywał urządzenia, które były już wówczas dostępne w fizycznych naukach doświadczalnych i elektrotechnice.

Były to bardzo charakterystyczne urządzenia, w których wykorzystano zjawiska znane z fizyki, a przede wszystkim samoindukcję — pojawienie się indukowanej siły elektromotorycznej w cewkach z żelaznym rdzeniem w momencie gwałtownego wzrostu lub nagłego przerwania przepływu prądu elektrycznego. przez pętle.

w latach 30. pojawiły się pierwsze maszyny elektryczne, oparte na krzyżowaniu magnetycznych linii sił za pomocą wirujących cewek. Pierwszymi tego typu maszynami (1832) były generatory I. Pixii, A. Jedlika, B. Jacobiego, D. Henry'ego.

Bardzo ważnym wydarzeniem w fizyce i rodzącej się elektrotechnice było pojawienie się maszyn indukcyjnych, które w rzeczywistości były transformatorami wysokiego napięcia.

Były to elektromagnesy z dwiema cewkami. Prąd w pierwszej cewce jest okresowo przerywany w taki czy inny sposób, podczas gdy w drugiej cewce pojawia się prąd indukowany (dokładniej, EMF samoindukcji). Pierwsze „transformatory”, które znalazły praktyczne zastosowanie, miały układ magnetyczny z otwartą pętlą. Pochodzą one z lat 70. i 80. XIX wieku, a ich wygląd związany jest z nazwiskami P. Jabłoczkowa, I. Usagina, L. Golyara, E. Gibbsa i innych.

W 1837 roku pojawiły się maszyny indukcyjne lub „cewki”, stworzone przez francuskiego profesora Antoine'a Massona. Maszyny te działały z szybkim odcięciem zasilania. Zastosowano przełącznik w formie zębatki, który podczas obracania w regularnych odstępach dotykał metalowej szczotki. Przerwanie prądu doprowadziło do samoindukcji pola elektromagnetycznego, a na wyjściu maszyny pojawiły się impulsy wysokiego napięcia o wystarczająco wysokiej częstotliwości. Masson używa tej maszyny do celów medycznych.

Cewka indukcyjna Rumkorfa

W 1848 roku słynny mistrz urządzeń fizycznych Heinrich Rumkorff (który miał w Paryżu warsztat do produkcji aparatury do eksperymentów fizycznych) zauważył, że napięcie w maszynie Massona można znacznie zwiększyć, jeśli cewka zostanie wykonana z dużą liczbą zwojów i częstotliwość przerw znacznie wzrasta.

W 1852 roku zaprojektował cewkę z dwoma cewkami: jedną z grubym drutem i małą liczbą zwojów, drugą z cienkim drutem i bardzo dużą liczbą zwojów. Cewka pierwotna jest zasilana baterią poprzez wibrujący przełącznik magnetyczny, podczas gdy w cewce wtórnej indukowane jest wysokie napięcie.Ta cewka stała się znana jako „indukcyjna” i została nazwana na cześć jej twórcy Rumkorfa.

Było to bardzo przydatne urządzenie fizyczne potrzebne do przeprowadzania eksperymentów, a później stało się integralną częścią pierwszych systemów radiowych i aparatów rentgenowskich. Paryska Akademia Nauk wysoko oceniła zasługi Rumkorffa i przyznała mu dużą nagrodę pieniężną w imieniu Volty.

Nieco wcześniej (w 1838 r.) amerykański inżynier Charles Page, który również zajmował się udoskonalaniem cewek indukcyjnych, osiągnął dobre wyniki — jego urządzenia dawały dość wysokie napięcia. W Europie jednak nic nie było wiadomo o pracy Page'a i tu badania kontynuowano niezależna ścieżka.

Kołowrotek Rumkorfa (lata 60.)

Jeśli pierwsze modele cewek indukcyjnych dawały napięcie wywołujące iskry o długości około 2 cm, to w 1859 roku L. Ritchie uzyskał iskry o długości do 35 cm, a Rumkorff wkrótce zbudował cewkę indukcyjną z iskrami o długości do 50 cm.

Cewka indukcyjna Rumkorfa przetrwała prawie bez zasadniczych zmian. Zmieniono tylko wymiary cewek, izolacji itp. Największe zmiany dotyczą budowy i zasady działania wyłączników w obwodzie pierwotnym cewki indukcyjnej.

Cewki Rumkorfa

Jednym z pierwszych typów wyłączników stosowanych w cewkach Rumkorfa był tzw. „młotek Wagnera” lub „młotek Neffa”. To bardzo ciekawe urządzenie pojawiło się około lat czterdziestych XIX wieku. i był elektromagnesem zasilanym baterią przez ruchomy płat ferromagnetyczny ze stykami.

Gdy urządzenie zostało włączone, płatek został przyciągnięty do rdzenia elektromagnesu, styk przerwał obwód zasilania elektromagnesu, po czym płatek odsunął się od rdzenia do pierwotnej pozycji. Proces jest następnie powtarzany z częstotliwością określoną przez rozmiar części systemu, sztywność i masę płatka oraz szereg innych czynników.

Urządzenie Wagner-Nef stało się później dzwonkiem elektrycznym i było jednym z pierwszych elektromechanicznych systemów oscylacyjnych, które stały się prototypem wielu urządzeń elektrycznych i radiowych wczesnej inżynierii radiowej. Ponadto urządzenie to umożliwiło konwersję prądu stałego z akumulatora na prąd przerywany.

Elektromechaniczny przełącznik Wagnera-Neffa zastosowany w cewce Rumkorfa jest napędzany przez magnetyczne siły przyciągania samej cewki. Był z nią konstruktywnie jednością. Wadą wyłącznika Wagnera-Neffa była jego mała moc, to znaczy niemożność przerwania dużych prądów, w których styki zostały spalone; ponadto wyłączniki te nie mogą zapewnić wysokiej częstotliwości przerywania prądu.

Inne typy wyłączników są przeznaczone do przerywania dużych prądów w cewkach indukcyjnych Rumkorfa o dużej mocy. Opierają się one na różnych zasadach fizycznych.

Zasada działania jednego projektu polega na tym, że metalowy pręt, dość gruby, porusza się tam iz powrotem w płaszczyźnie pionowej, zatapiając się w kubku z rtęcią. Napęd mechaniczny przekształca ruch obrotowy (ręczny, mechaniczny lub elektryczny) w liniowy ruch posuwisto-zwrotny, więc częstotliwość przerw może się znacznie różnić.

W jednej z wczesnych konstrukcji takiego wyłącznika, zaproponowanej przez J. Foucaulta, uruchamianie odbywało się za pomocą elektromagnesu, podobnie jak w młotku Wagnera-Neffa, a twarde styki zastąpiono rtęcią.

Do końca XIXw. najbardziej rozpowszechnione są projekty firm „Dukret” i „Mak-Kol”. Młoty te zapewniają prędkość łamania 1000-2000 na minutę i mogą być obsługiwane ręcznie. W drugim przypadku pojedyncze wyładowania można uzyskać na cewce Rumkorfa.

Inny typ młota działa na zasadzie strumienia i jest czasami nazywany turbiną. Te wyłączniki działały w następujący sposób.

Mała turbina o dużej prędkości pompuje rtęć ze zbiornika na szczyt turbiny, skąd rtęć jest wyrzucana odśrodkowo przez dyszę w postaci wirującego strumienia. Na ściankach wyłącznika rozmieszczone były w regularnych odstępach elektrody, których stykał się strumień rtęci podczas jego ruchu. W ten sposób dochodziło do zamykania i otwierania wystarczająco silnych prądów.

Zastosowano inny rodzaj przełącznika - elektrolityczny, oparty na zjawisku odkrytym przez rosyjskiego profesora N.P. Sluginowa w 1884 roku. Zasada działania przełącznika polegała na tym, że gdy prąd przepływa przez elektrolit z kwasem siarkowym pomiędzy masywnym ołowiem a elektrod platynowych elektrody platynowej (dodatniej), która jest cienkim drutem w izolacji szklanej z ostrym końcem, pojawiały się pęcherzyki gazu, okresowo uniemożliwiając przepływ prądu, a prąd został przerwany.

Wyłączniki elektrolityczne zapewniają prędkość wyłączania do 500 - 800 na sekundę. Opanowanie prądów przemiennych w elektrotechnice na początku XX wieku. wprowadził nowe możliwości do arsenału fizyki i rozpoczął już radioelektronikę.

Do zasilania cewek Rumkorfa stosowano maszyny prądu przemiennego przemienny prąd sinusoidalny, co umożliwiło jego szersze wykorzystanie zjawisko rezonansu w uzwojeniu wtórnym, a później jako źródła prądów o wysokiej częstotliwości, które można bezpośrednio wykorzystać do promieniowania.

Transformator Tesli

Jednym z pierwszych naukowców zainteresowanych właściwościami prądów o wysokiej częstotliwości i wysokim napięciu był Nikola Tesla, który wniósł bardzo poważny wkład w rozwój całej elektrotechniki. Ten utalentowany naukowiec i wynalazca ma wiele praktycznych i oryginalnych innowacji.

Po wynalezieniu radia najpierw zaprojektował model statku sterowanego radiowo, opracował lampy gazowe, zaprojektował indukcyjną maszynę elektryczną wysokiej częstotliwości itp. Liczba jego patentów sięgnęła 800. Według amerykańskiego inżyniera radiowego Edwina Armstronga , odkrycie prądów wielofazowych i tylko jeden silnik indukcyjny wystarczyłoby, aby na zawsze uwiecznić imię Tesli.

Nikola Tesla przez wiele lat pielęgnował ideę bezprzewodowego przesyłania energii na odległość metodą wzbudzania ziemi jako dużego obwodu oscylacyjnego. Urzekł tą myślą wiele umysłów, opracował źródła energii elektromagnetycznej o wysokiej częstotliwości i jej emitery.

Stworzenie urządzenia Tesli, które odegrało bardzo ważną rolę w rozwoju różnych gałęzi elektrotechniki i zostało nazwane „transformatorem rezonansowym” lub „transformatorem Tesli”, datuje się na rok 1891.

Transformator rezonansowy Tesli (lata 90.). Obwód przełączający w generatorze fal elektromagnetycznych

Cewka indukcyjna wysokiego napięcia Rumkorfa jest rozładowywana do słoika Leyden. Ten ostatni jest ładowany do wysokiego napięcia, a następnie rozładowywany przez uzwojenie pierwotne transformatora rezonansowego. W tym samym czasie na jego uzwojeniu wtórnym dostrojonym do rezonansu z uzwojeniem pierwotnym pojawia się bardzo wysokie napięcie. Tesla otrzymuje wysokie napięcia (około 100 kV) o częstotliwości około 150 kHz. Napięcia te spowodowały przełom w powietrzu w postaci wyładowania szczotkowego o długości do kilku metrów.