Dispozitive pentru recepția impulsurilor de curent alternativ de înaltă tensiune: bobină Rumkorff și transformator Tesla

Dispozitive tehnice de recepție de înaltă tensiune

La începutul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au început să creeze dispozitive pentru obținerea unor tensiuni înalte de curent alternativ. Heinrich Hertz a folosit în experimentele sale dispozitivele care erau deja disponibile la acel moment în știința fizică experimentală și în inginerie electrică.

Acestea au fost dispozitive foarte caracteristice în care s-au folosit fenomene cunoscute în fizică și, mai ales, auto-inducție - apariția unei forțe electromotoare induse în bobine cu miez de fier în momentul unei creșteri bruște sau al întreruperii rapide a trecerii curentului electric. prin bucle.

În anii 1930. au apărut primele mașini electrice, bazate pe încrucișarea liniilor magnetice de forță prin intermediul unor bobine rotative. Primele astfel de mașini (1832) au fost generatoarele lui I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.

Un eveniment foarte important în fizică și ingineria electrică emergentă a fost apariția mașinilor cu inducție, care erau de fapt transformatoare de înaltă tensiune.

Aceștia erau electromagneți cu două bobine. Curentul din prima bobină este întrerupt periodic într-un fel sau altul, în timp ce în a doua bobină apare un curent indus (mai precis, EMF de auto-inducere). Primele „transformatoare” care și-au găsit utilizare practică au avut un sistem magnetic în buclă deschisă. Ei aparțin anilor 70 și 80 ai secolului al XIX-lea, iar aspectul lor este asociat cu numele lui P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs și alții.

În 1837 au apărut mașinile de inducție sau „bobine”, create de profesorul francez Antoine Masson. Aceste mașini funcționau cu o întrerupere rapidă a curentului. A fost folosit un comutator sub forma unui angrenaj, care în timpul rotației atingea peria metalică la intervale regulate. Întreruperea curentului a dus la EMF de auto-inducție, iar la ieșirea mașinii au apărut impulsuri de înaltă tensiune cu o frecvență suficient de mare. Masson folosește această mașină în scopuri medicale.

Bobina de inducție Rumkorf

În 1848, celebrul maestru al dispozitivelor fizice Heinrich Rumkorff (care avea un atelier la Paris pentru fabricarea de aparate pentru experimente fizice) a observat că tensiunea din mașina lui Masson ar putea fi crescută semnificativ dacă bobina era realizată cu un număr mare de spire și frecvența întreruperilor crește semnificativ.

În 1852 a proiectat o bobină cu două spire: una cu sârmă groasă și un număr mic de spire, cealaltă cu sârmă subțire și un număr foarte mare de spire. Bobina primară este alimentată de o baterie printr-un comutator magnetic vibrator, în timp ce în secundar este indusă o tensiune înaltă.Această bobină a devenit cunoscută sub numele de „inducție” și a fost numită după creatorul său Rumkorf.

A fost un dispozitiv fizic foarte util necesar pentru a efectua experimente, iar mai târziu a devenit parte integrantă a primelor sisteme radio și mașini cu raze X. Academia de Științe din Paris a apreciat foarte mult meritul lui Rumkorff și i-a acordat un mare premiu în bani în numele lui Volta.

Puțin mai devreme (în 1838), inginerul american Charles Page, care a fost implicat și în îmbunătățirea bobinelor de inducție, a obținut rezultate bune - dispozitivele sale dădeau tensiuni destul de ridicate. În Europa, însă, nu se știa nimic despre munca lui Page și cercetările au continuat aici. o cale independentă.

Mulinetă Rumkorf (anii 1960)

Dacă primele modele de bobine de inducție dădeau o tensiune care producea scântei de aproximativ 2 cm lungime, atunci în 1859 L. Ritchie a obținut scântei de până la 35 cm lungime și Rumkorff a construit în curând o bobină de inducție cu scântei de până la 50 cm lungime.

Bobina de inducție Rumkorf a supraviețuit aproape fără modificări fundamentale. Au fost schimbate doar dimensiunile bobinelor, izolatiei etc. Cele mai mari modificări afectează construcția și principiile de funcționare a întrerupătoarelor din circuitul primar al bobinei de inducție.

Bobine Rumkorf

Unul dintre primele tipuri de întreruptoare utilizate în bobinele Rumkorf a fost așa-numitul „ciocan Wagner” sau „ciocanul Neff”. Acest dispozitiv foarte interesant a apărut în jurul anilor 1840. și era un electromagnet alimentat de o baterie printr-un lob feromagnetic mobil cu contacte.

Când dispozitivul a fost pornit, petala a fost atrasă de miezul electromagnetului, contactul a întrerupt circuitul de alimentare al electromagnetului, după care petala s-a îndepărtat de miez în poziția inițială. Procesul se repetă apoi la o frecvență determinată de dimensiunea părților sistemului, de rigiditatea și masa petalei și de o serie de alți factori.

Dispozitivul Wagner-Nef a devenit ulterior clopotul electric și a fost unul dintre primele sisteme oscilante electromecanice care a devenit prototipul multor dispozitive electrice și radio ale ingineriei radio timpurii. În plus, acest dispozitiv a făcut posibilă transformarea curentului continuu din baterie în curent intermitent.

Întrerupătorul electromecanic Wagner-Neff utilizat în bobina Rumkorf este antrenat de forțele magnetice de atracție ale bobinei în sine. Era constructiv una cu ea. Dezavantajul întreruptorului Wagner-Neff a fost puterea sa scăzută, adică incapacitatea de a întrerupe curenți mari acolo unde contactele erau arse; în plus, aceste întreruptoare nu pot asigura o frecvență mare de întrerupere a curentului.

Alte tipuri de întrerupătoare sunt proiectate pentru a întrerupe curenții mari în bobinele de inducție puternice Rumkorf. Ele se bazează pe diferite principii fizice.

Principiul de funcționare al unui model este că o tijă de metal, destul de groasă, se mișcă înainte și înapoi într-un plan vertical, scufundându-se într-o ceașcă de mercur. O acționare mecanică transformă mișcarea de rotație (cu mâna sau cu un ceasornic sau cu un motor electric) în mișcare liniară alternativă, astfel încât frecvența întreruperilor poate varia foarte mult.

Într-unul dintre primele proiecte ale unui astfel de întrerupător, propus de J. Foucault, acționarea a fost efectuată cu ajutorul unui electromagnet, ca la ciocanul Wagner-Neff, iar contactele dure au fost înlocuite cu mercur.

Până la sfârșitul secolului al XIX-lea. cele mai răspândite sunt modelele companiilor «Dukret» și «Mak-Kol». Aceste întrerupătoare asigură o viteză de rupere de 1000-2000 pe minut și pot fi acționate manual. În cel de-al doilea caz, se pot obține descărcări simple pe bobina Rumkorf.

Un alt tip de întrerupător funcționează pe principiul jetului și se numește uneori turbină. Aceste întreruptoare au funcționat după cum urmează.

O mică turbină de mare viteză pompează mercur dintr-un rezervor în partea superioară a turbinei, de unde mercurul este ejectat centrifug printr-o duză sub forma unui jet rotativ. Pe pereții întrerupătorului erau electrozi amplasați la intervale regulate, care erau atinși de jetul de mercur în timpul mișcării acestuia. Așa s-a întâmplat închiderea și deschiderea curenților suficient de puternici.

A fost folosit un alt tip de comutator - electrolitic, bazat pe un fenomen descoperit de profesorul rus N.P.Sluginov în 1884. Principiul de funcționare al comutatorului a constat în faptul că atunci când un curent trece printr-un electrolit cu acid sulfuric între plumbul masiv și electrozi de platină ai electrodului de platină (pozitiv), care este un fir subțire izolat cu sticlă, cu un capăt ascuțit, au apărut bule de gaz, împiedicând periodic fluxul de curent, iar curentul a fost întrerupt.

Întreruptoarele electrolitice asigură viteze de rupere de până la 500 - 800 pe secundă. Stăpânirea curenților alternativi în electrotehnică la începutul secolului XX. a introdus noi posibilități în arsenalul fizicii și a început deja electronica radio.

Pentru alimentarea bobinelor Rumkorf au fost folosite mașini de curent alternativ curent sinusoidal alternativ, ceea ce a făcut posibilă o utilizare mai largă fenomen de rezonanță în înfășurarea secundară, iar mai târziu ca surse de curenți de înaltă frecvență care pot fi utilizate direct pentru radiație.

transformator Tesla

Unul dintre primii oameni de știință interesați de proprietățile curenților de înaltă frecvență și tensiune a fost Nikola Tesla, care a adus o contribuție foarte serioasă la dezvoltarea tuturor ingineriei electrice. Acest talentat om de știință și inventator are multe inovații practice și originale.

După invenția radioului, el a proiectat mai întâi un model de navă controlată prin radio, a dezvoltat lămpi cu gaz, a proiectat o mașină electrică cu inducție de înaltă frecvență etc. Numărul patentelor sale a ajuns la 800. Potrivit inginerului radio american Edwin Armstrong , descoperirea curenților multifazici și a unui singur motor de inducție ar fi destul de suficient, pentru a imortaliza numele Tesla pentru totdeauna.

Timp de mulți ani, Nikola Tesla a alimentat ideea transmiterii fără fir a energiei la distanță prin metoda excitării pământului ca un circuit oscilant mare. El a captivat multe minți cu acest gând, a dezvoltat surse de energie electromagnetică de înaltă frecvență și emițătorii acesteia.

Crearea dispozitivului Tesla, care a jucat un rol foarte important în dezvoltarea diferitelor ramuri ale ingineriei electrice și a fost numit „transformator rezonant” sau „transformator Tesla”, datează din 1891.

Transformatorul rezonant al lui Tesla (anii 1990). Circuit de comutare în generatorul de unde electromagnetice

Bobina de inducție de înaltă tensiune a lui Rumkorf este descărcată în borcanul Leyden. Acesta din urmă este încărcat la o tensiune înaltă și apoi descărcat prin înfășurarea primară a transformatorului rezonant. În același timp, apare o tensiune foarte mare pe înfășurarea sa secundară reglată în rezonanță cu primarul. Tesla primește tensiuni înalte (aproximativ 100 kV) cu o frecvență de aproximativ 150 kHz. Aceste tensiuni au provocat o străpungere în aer sub forma unei descărcări de perie lungă de până la câțiva metri.