Устройства за приемане на импулси с високо напрежение на променлив ток: намотка Румкорф и трансформатор на Тесла

Технически устройства за получаване на високо напрежение

В началото XIX век учените започват да създават устройства за получаване на високи напрежения на променлив ток. Хайнрих Херц в своите експерименти използва устройствата, които вече са били налични по това време във физическата експериментална наука и в електротехниката.

Това бяха много характерни устройства, в които бяха използвани явления, познати във физиката, и най -вече самоиндукция — появата на индуцирана електродвижеща сила в бобини с желязна сърцевина в момента на рязко увеличаване или бързо разкъсване на електрическия ток, преминаващ през бримките.

През 30 -те години на XIX век. се появяват първите електрически машини, базирани на пресичането на магнитни силови линии чрез въртящи се намотки. Първите такива машини (1832 г.) са генераторите на И. Пиксий, А. Йедлик, Б. Якоби, Д. Хенри.

Много важно събитие във физиката и зараждащата се електротехника беше появата на индукционни машини, които всъщност бяха трансформатори с високо напрежение.

Това бяха електромагнити с две намотки. Токът в първата намотка се прекъсва периодично по един или друг начин, докато при втората намотка се появява индуциран ток (по -точно, ЕМП на самоиндукция). Първите «трансформатори», които намериха практическо приложение, имаха магнитна система с отворен контур. Те принадлежат към 70 -те — 80 -те години на 19 век, а появата им се свързва с имената на П. Яблочков, И. Усагин, Л. Голяр, Е. Гибс и др.

През 1837 г. се появяват индукционни машини или „намотки“, създадени от френския професор Антоан Масон. Тези машини работеха с бързо прекъсване на тока. Използва се прекъсвач под формата на зъбно колело, който по време на въртене докосваше металната четка на равни интервали. Прекъсването на тока доведе до ЕМП на самоиндукция и на изхода на машината се появиха импулси с високо напрежение с достатъчно висока честота. Masson използва тази машина за медицински цели.

Индукционна намотка Румкорф

През 1848 г. известният майстор на физическите устройства Хайнрих Румкорф (който имаше работилница в Париж за производство на апарати за физически експерименти) забелязва, че напрежението в машината на Масън може да се увеличи значително, ако намотката е направена с голям брой завои и честотата на прекъсванията се увеличава значително.

През 1852 г. той проектира бобина с две намотки: едната с дебел проводник и малък брой завои, другата с тънка жица и много голям брой завои. Първичната намотка се захранва от батерия чрез вибрационен магнитен прекъсвач, докато във вторичната се индуцира голямо напрежение. Тази намотка стана известна като „индукция“ и получи името на създателя си Румкорф.

Това беше много полезно физическо устройство, необходимо за провеждане на експерименти, а по-късно стана неразделна част от първите радиосистеми и рентгенови апарати. Парижката академия на науките високо оцени заслугата на Румкорф и му присъди голяма парична награда на името на Волта.

Малко по -рано (през 1838 г.) американският инженер Чарлз Пейдж, който също се занимава с подобряване на индукционните бобини, постига добри резултати — неговите устройства дават доста високи напрежения.В Европа обаче нищо не се знаеше за работата на Пейдж и изследванията тук продължиха по независим път.

Макара Rumkorf (60 -те години на XIX век)

Ако първите модели индукционни намотки дават напрежение, което причинява искри с дължина около 2 см, то през 1859 г. Л. Ричи получава искри с дължина до 35 см и Румкорф скоро изгражда индукционна бобина с искри с дължина до 50 см.

Индукционната намотка Rumkorf е оцеляла почти без фундаментални промени. Променени са само размерите на бобините, изолацията и др. Най -големите промени засягат конструкцията и принципите на работа на токовите прекъсвачи в първи контур на индукционната бобина.

Румкорфови намотки

Един от първите видове прекъсвачи, използвани в рулоните на Румкорф, е така нареченият „чук на Вагнер“ или „чук на Неф“. Това много интересно устройство се появява около 1840 -те години. и беше електромагнит, захранван от батерия чрез подвижен феромагнитен лоб с контакти.

Когато устройството беше включено, венчелистчето беше привлечено към сърцевината на електромагнита, контактът прекъсна захранващата верига на електромагнита, след което венчелистчето се отдалечи от сърцевината в първоначалното си положение. След това процесът се повтаря с честота, определена от размера на частите на системата, твърдостта и масата на венчелистчето и редица други фактори.

Устройството Wagner-Nef по-късно се превърна в електрическа камбана и беше една от първите електромеханични колебателни системи, които станаха прототип на много електрически и радиоустройства от ранното радиотехника. В допълнение, това устройство направи възможно преобразуването на постоянен ток от батерията в прекъсващ ток.

Електромеханичният прекъсвач на Вагнер-Неф, използван в намотката Румкорф, се задвижва от магнитните сили на привличане на самата бобина. Той беше конструктивно един с нея. Недостатъкът на прекъсвача на Вагнер-Неф беше неговата ниска мощност, тоест невъзможността да се прекъснат големи токове, при които контактите бяха изгорени; освен това тези прекъсвачи не могат да осигурят висока честота на прекъсване на тока.

За прекъсване на големи токове в мощни индукционни бобини на Румкорф са проектирани други видове прекъсвачи. Те се основават на различни физически принципи.

Принципът на действие на един дизайн се състои в това, че метален, доста дебел прът се движи напред -назад във вертикална равнина, потъвайки в чаша с живак. Механичното задвижване преобразува въртящото движение (на ръка или с часовников механизъм или електрически двигател) в линейно възвратно -постъпателно, така че честотата на прекъсванията може да варира в широки граници.

В един от ранните проекти на такъв прекъсвач, предложен от Ж. Фуко, задвижването е извършено с помощта на електромагнит, както в чука на Вагнер-Неф, а твърдите контакти са заменени с живак.

До края на XIX век. най-широко разпространени са дизайните на фирмите «Dukret» и «Mak-Kol». Тези прекъсвачи осигуряват скорост на прекъсване от 1000-2000 на минута и могат да се управляват ръчно. Във втория случай могат да се получат единични разряди на намотката Румкорф.

Друг тип прекъсвач работи на струен принцип и понякога се нарича турбина. Тези прекъсвачи работеха по следния начин.

Малка високоскоростна турбина изпомпва живак от резервоар до върха на турбината, откъдето живакът се изхвърля центробежно през дюза под формата на въртяща се струя. По стените на прекъсвача имаше електроди, разположени на равни интервали, които бяха докоснати от живачната струя по време на нейното движение. Така се случи затварянето и отварянето на достатъчно силни течения.

Използван е и друг вид прекъсвач — електролитен, базиран на явление, открито от руския професор Н. П. Слугинов през 1884 г.Принципът на действие на прекъсвача се състоеше в това, че когато през електролит със сярна киселина преминава ток между масивните оловни и платинени електроди на платинения (положителен) електрод, който представлява тънък проводник със стъклена изолация с остър край, се появиха газови мехурчета, периодично предотвратяващи протичането на ток и токът беше прекъснат.

Електролитичните прекъсвачи осигуряват скорости на прекъсване до 500 — 800 в секунда. Овладяване на променливите токове в електротехниката в началото на ХХ век. въведе нови възможности в арсенала на физиката и вече започналата радио електроника.

Машините с променлив ток бяха използвани за захранване на намотки Rumkorf променлив синусоидален ток, което направи възможно използването му по -широко резонансно явление във вторичната намотка, а по-късно и като източници на високочестотни токове, които могат директно да се използват за излъчване.

Трансформатор на Тесла

Един от първите учени, интересуващи се от свойствата на токове с висока честота и високо напрежение, беше Никола Тесла, който направи много сериозен принос за развитието на цялата електротехника. Този талантлив учен и изобретател притежава много практически полезни и оригинални иновации.

След изобретяването на радиото той пръв проектира модел на радиоуправляем кораб, разработва газови лампи, проектира индукционна високочестотна електрическа машина и пр. Броят на патентите му достига 800. Според американския радиоинженер Едуин Армстронг, откриването на многофазни токове и само един индукционен двигател би било напълно достатъчно, за да увековечи името на Тесла завинаги.

В продължение на много години Никола Тесла подхранва идеята за безжично предаване на енергия на разстояние чрез метода за възбуждане на Земята като голяма колебателна верига. Той завладява много умове с тази мисъл, развива източници на високочестотна електромагнитна енергия и нейните излъчватели.

Създаването на устройството на Тесла, което играе много важна роля в развитието на различни клонове на електротехниката и е наречено „резонансен трансформатор“, или „трансформатор на Тесла“, датира от 1891 година.

Резонансният трансформатор на Тесла (90 -те години на XIX век). Превключваща верига в генератора на електромагнитни вълни

Индукционната бобина с високо напрежение на Rumkorf се изхвърля в буркана Leyden. Последният се зарежда до високо напрежение и след това се разрежда през първичната намотка на резонансния трансформатор. В същото време на неговата вторична намотка възниква много високо напрежение, настроено в резонанс с първичната. Тесла получава високи напрежения (около 100 kV) с честота около 150 kHz. Тези напрежения причиниха пробив във въздуха под формата на четка разряд с дължина до няколко метра.