Zariadenia na príjem vysokonapäťových impulzov striedavého prúdu: Rumkorffova cievka a Teslov transformátor

Technické zariadenia na príjem vysokého napätia

Začiatkom 19. storočia vedci začali vytvárať zariadenia na získavanie vysokého napätia striedavého prúdu. Heinrich Hertz pri svojich pokusoch využíval prístroje, ktoré boli v tom čase už dostupné vo fyzikálnej experimentálnej vede a v elektrotechnike.

Boli to veľmi charakteristické zariadenia, v ktorých sa využívali javy známe z fyziky a predovšetkým samoindukcia — vznik indukovanej elektromotorickej sily v cievkach so železným jadrom v momente prudkého nárastu alebo rýchleho prerušenia prechodu elektrického prúdu. cez slučky.

V tridsiatych rokoch 20. storočia. objavili sa prvé elektrické stroje, založené na krížení magnetických siločiar pomocou rotujúcich cievok. Prvými takýmito strojmi (1832) boli generátory I. Pixiiho, A. Jedlika, B. Jacobiho, D. Henryho.

Veľmi dôležitou udalosťou vo fyzike a vznikajúcej elektrotechnike bol objavenie sa indukčných strojov, čo boli vlastne vysokonapäťové transformátory.

Boli to elektromagnety s dvoma cievkami. Prúd v prvej cievke je periodicky prerušovaný tak či onak, zatiaľ čo v druhej cievke sa objavuje indukovaný prúd (presnejšie EMF samoindukcie). Prvé „transformátory“, ktoré našli praktické využitie, mali magnetický systém s otvorenou slučkou. Patria do 70. a 80. rokov 19. storočia a ich podoba sa spája s menami P. Yablochkova, I. Usagina, L. Golyara, E. Gibbsa a iných.

V roku 1837 sa objavili indukčné stroje alebo "cievky", ktoré vytvoril francúzsky profesor Antoine Masson. Tieto stroje fungovali s rýchlym výpadkom prúdu. Bol použitý spínač vo forme ozubeného kolesa, ktorý sa počas otáčania v pravidelných intervaloch dotýkal kovovej kefy. Prerušenie prúdu viedlo k samoindukcii EMF a na výstupe stroja sa objavili vysokonapäťové impulzy s dostatočne vysokou frekvenciou. Masson používa tento stroj na lekárske účely.

Indukčná cievka Rumkorf

V roku 1848 si slávny majster fyzikálnych zariadení Heinrich Rumkorff (ktorý mal v Paríži dielňu na výrobu prístrojov na fyzikálne experimenty) všimol, že napätie v Massonovom stroji by sa mohlo výrazne zvýšiť, ak by bola cievka vyrobená s veľkým počtom závitov a frekvencia prerušení sa výrazne zvyšuje.

V roku 1852 navrhol cievku s dvoma cievkami: jednu s hrubým drôtom a malým počtom závitov, druhú s tenkým drôtom a veľmi veľkým počtom závitov. Primárna cievka je napájaná batériou cez vibračný magnetický spínač, pričom v sekundárnej sa indukuje vysoké napätie.Táto cievka sa stala známou ako „indukcia“ a bola pomenovaná po jej tvorcovi Rumkorfovi.

Bolo to veľmi užitočné fyzikálne zariadenie potrebné na vykonávanie experimentov a neskôr sa stalo neoddeliteľnou súčasťou prvých rádiových systémov a röntgenových prístrojov. Parížska akadémia vied vysoko ocenila Rumkorffove zásluhy a udelila mu veľkú peňažnú cenu v mene Volta.

O niečo skôr (v roku 1838) dosiahol dobré výsledky americký inžinier Charles Page, ktorý sa podieľal aj na zdokonaľovaní indukčných cievok — jeho prístroje dávali dosť vysoké napätia. V Európe sa však o Pageovej práci nič nevedelo a výskum tu pokračoval ďalej. nezávislú cestu.

Rumkorf navijak (60. roky)

Ak prvé modely indukčných cievok dávali napätie, ktoré spôsobovalo iskry dlhé asi 2 cm, tak v roku 1859 L. Ritchie získal iskry dlhé až 35 cm a Rumkorff čoskoro zostrojil indukčnú cievku s iskrami dlhými až 50 cm.

Indukčná cievka Rumkorf prežila takmer bez zásadných zmien. Zmenili sa len rozmery cievok, izolácie atď. Najväčšie zmeny sa dotýkajú konštrukcie a princípov činnosti ističov v primárnom okruhu indukčnej cievky.

Rumkorfove cievky

Jedným z prvých typov ističov používaných v Rumkorfových cievkach bolo takzvané „Wagnerovo kladivo“ alebo „Neffovo kladivo“. Toto veľmi zaujímavé zariadenie sa objavilo okolo 40. rokov 19. storočia. a bol to elektromagnet napájaný batériou cez pohyblivý feromagnetický lalok s kontaktmi.

Po zapnutí zariadenia sa okvetný lístok pritiahol k jadru elektromagnetu, kontakt prerušil napájací obvod elektromagnetu, po ktorom sa okvetný lístok vzdialil od jadra do pôvodnej polohy. Proces sa potom opakuje s frekvenciou určenou veľkosťou častí systému, tuhosťou a hmotnosťou okvetného lístka a množstvom ďalších faktorov.

Zariadenie Wagner-Nef sa neskôr stalo elektrickým zvonom a bol jedným z prvých elektromechanických oscilačných systémov, ktoré sa stali prototypom mnohých elektrických a rádiových zariadení raného rádiového inžinierstva. Toto zariadenie navyše umožnilo premeniť jednosmerný prúd z batérie na prerušovaný prúd.

Wagner-Neff elektromechanický spínač použitý v Rumkorfovej cievke je poháňaný magnetickými príťažlivými silami samotnej cievky. Bol s ňou konštruktívne zajedno. Nevýhodou ističa Wagner-Neff bol jeho nízky výkon, to znamená nemožnosť prerušenia veľkých prúdov tam, kde boli kontakty spálené; navyše tieto ističe nedokážu zabezpečiť vysokú frekvenciu prerušenia prúdu.

Iné typy ističov sú určené na prerušenie veľkých prúdov vo výkonných indukčných cievkach Rumkorf. Sú založené na rôznych fyzikálnych princípoch.

Princíp fungovania jedného dizajnu spočíva v tom, že kovová tyč, pomerne hrubá, sa pohybuje tam a späť vo vertikálnej rovine a klesá do pohára ortuti. Mechanický pohon prevádza rotačný pohyb (ručný alebo hodinový alebo elektromotorický) na lineárny vratný pohyb, takže frekvencia prerušení sa môže značne líšiť.

V jednom z prvých návrhov takéhoto ističa, ktorý navrhol J. Foucault, sa ovládanie uskutočňovalo pomocou elektromagnetu ako vo Wagner-Neffovom kladive a tvrdé kontakty boli nahradené ortuťou.

Až do konca XIX storočia. najrozšírenejšie sú návrhy spoločností «Dukret» a «Mak-Kol». Tieto lámacie kladivá poskytujú rýchlosť lámania 1000-2000 za minútu a možno ich ovládať manuálne. V druhom prípade je možné na cievke Rumkorf získať jednotlivé výboje.

Iný typ ističa pracuje na prúdovom princípe a niekedy sa nazýva aj turbína. Tieto ističe fungovali nasledovne.

Malá vysokorýchlostná turbína čerpá ortuť zo zásobníka do hornej časti turbíny, odkiaľ je ortuť odstredivo vyvrhovaná cez trysku vo forme rotujúceho prúdu. Na stenách ističa boli v pravidelných intervaloch umiestnené elektródy, ktorých sa ortuťový prúd pri jeho pohybe dotýkal. Takto došlo k uzavretiu a otvoreniu dostatočne silných prúdov.

Bol použitý iný typ spínača - elektrolytický, na základe javu, ktorý objavil ruský profesor N.P.Sluginov v roku 1884. Princíp činnosti spínača spočíval v tom, že pri prechode prúdu cez elektrolyt s kyselinou sírovou medzi masívnym olovom a platinové elektródy platinovej (kladnej) elektródy, čo je tenký sklenený izolovaný drôt s ostrým koncom, objavili sa plynové bubliny, ktoré periodicky bránili toku prúdu, a prúd bol prerušený.

Elektrolytické ističe poskytujú rýchlosť vypínania až 500 - 800 za sekundu. Zvládnutie striedavých prúdov v elektrotechnike na začiatku 20. storočia. zaviedol nové možnosti do arzenálu fyziky a už začal s rádioelektronikou.

Na napájanie Rumkorfových cievok sa používali striedavé stroje striedavý sínusový prúd, čo umožnilo jeho širšie využitie rezonančný jav v sekundárnom vinutí a neskôr ako zdroje vysokofrekvenčných prúdov, ktoré možno priamo využiť na vyžarovanie.

Tesla transformátor

Jedným z prvých vedcov, ktorí sa zaujímali o vlastnosti vysokofrekvenčných, vysokonapäťových prúdov, bol Nikola Tesla, ktorý veľmi vážne prispel k rozvoju celej elektrotechniky. Tento talentovaný vedec a vynálezca má veľa praktických a originálnych inovácií.

Po vynájdení rádia najprv navrhol model rádiom riadenej lode, vyvinul plynové lampy, skonštruoval indukčný vysokofrekvenčný elektrický stroj atď. Počet jeho patentov dosiahol 800. Podľa amerického rádiového inžiniera Edwina Armstronga , objav viacfázových prúdov a iba jeden indukčný motor by úplne stačil, aby navždy zvečnil Teslovo meno.

Nikola Tesla dlhé roky živil myšlienku bezdrôtového prenosu energie na diaľku metódou vzrušenia Zeme ako veľkého oscilačného obvodu. Touto myšlienkou uchvátil mnohé mysle, vyvinul zdroje vysokofrekvenčnej elektromagnetickej energie a jej žiariče.

Vznik Teslovho prístroja, ktorý zohral veľmi dôležitú úlohu vo vývoji rôznych odvetví elektrotechniky a nazýval sa „rezonančný transformátor“ alebo „Tesla transformátor“, sa datuje do roku 1891.

Teslov rezonančný transformátor (90. roky). Spínací obvod v generátore elektromagnetických vĺn

Rumkorfova vysokonapäťová indukčná cievka sa vybije do Leydenskej nádoby. Ten sa nabije na vysoké napätie a potom sa vybije cez primárne vinutie rezonančného transformátora. Zároveň sa na jeho sekundárnom vinutí ladenom v rezonancii s primárnym vyskytuje veľmi vysoké napätie. Tesla prijíma vysoké napätie (asi 100 kV) s frekvenciou asi 150 kHz. Tieto napätia spôsobili prielom vo vzduchu v podobe kefového výboja dlhého až niekoľko metrov.