Συσκευές λήψης παλμών εναλλασσόμενου ρεύματος υψηλής τάσης: πηνίο Rumkorff και μετασχηματιστής Tesla

Τεχνικές συσκευές λήψης υψηλής τάσης

Στις αρχές του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες άρχισαν να δημιουργούν συσκευές για τη λήψη υψηλών τάσεων εναλλασσόμενου ρεύματος. Ο Heinrich Hertz στα πειράματά του χρησιμοποίησε τις συσκευές που ήταν ήδη διαθέσιμες εκείνη την εποχή στη φυσική πειραματική επιστήμη και στην ηλεκτρική μηχανική.

Αυτές ήταν πολύ χαρακτηριστικές συσκευές στις οποίες χρησιμοποιήθηκαν φαινόμενα γνωστά στη φυσική, και πάνω απ 'όλα, αυτοεπαγωγή - η εμφάνιση μιας επαγόμενης ηλεκτροκινητικής δύναμης σε πηνία με πυρήνα σιδήρου τη στιγμή μιας απότομης αύξησης ή ταχείας διακοπής του ηλεκτρικού ρεύματος που διέρχεται μέσα από τους βρόχους.

Στη δεκαετία του 1930. εμφανίστηκαν οι πρώτες ηλεκτρικές μηχανές, βασισμένες στη διέλευση μαγνητικών γραμμών δύναμης μέσω περιστρεφόμενων πηνίων. Οι πρώτες τέτοιες μηχανές (1832) ήταν οι γεννήτριες των I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.

Ένα πολύ σημαντικό γεγονός στη φυσική και την αναδυόμενη ηλεκτρομηχανική ήταν η εμφάνιση επαγωγικών μηχανών, οι οποίες ήταν στην πραγματικότητα μετασχηματιστές υψηλής τάσης.

Αυτοί ήταν ηλεκτρομαγνήτες με δύο πηνία. Το ρεύμα στο πρώτο πηνίο διακόπτεται περιοδικά με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, ενώ ένα επαγόμενο ρεύμα εμφανίζεται στο δεύτερο πηνίο (ακριβέστερα, EMF αυτοεπαγωγής). Οι πρώτοι «μετασχηματιστές» που βρήκαν πρακτική χρήση είχαν μαγνητικό σύστημα ανοιχτού βρόχου. Ανήκουν στις δεκαετίες 70 και 80 του 19ου αιώνα και η εμφάνισή τους συνδέεται με τα ονόματα των P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs κ.α.

Το 1837 εμφανίστηκαν επαγωγικές μηχανές ή «πηνία» που δημιούργησε ο Γάλλος καθηγητής Antoine Masson. Αυτά τα μηχανήματα λειτουργούσαν με γρήγορη διακοπή ρεύματος. Χρησιμοποιήθηκε ένας διακόπτης σε μορφή γραναζιού, ο οποίος κατά την περιστροφή άγγιξε τη μεταλλική βούρτσα σε τακτά χρονικά διαστήματα. Η διακοπή του ρεύματος οδήγησε σε EMF αυτο-επαγωγής και στην έξοδο του μηχανήματος εμφανίστηκαν παλμοί υψηλής τάσης με αρκετά υψηλή συχνότητα. Ο Masson χρησιμοποιεί αυτό το μηχάνημα για ιατρικούς σκοπούς.

Επαγωγικό πηνίο Rumkorf

Το 1848, ο διάσημος πλοίαρχος των φυσικών συσκευών Heinrich Rumkorff (ο οποίος είχε ένα εργαστήριο στο Παρίσι για την κατασκευή συσκευών για φυσικά πειράματα) παρατήρησε ότι η τάση στη μηχανή του Masson θα μπορούσε να αυξηθεί σημαντικά εάν το πηνίο γινόταν με μεγάλο αριθμό στροφών και η συχνότητα των διακοπών αυξάνεται σημαντικά.

Το 1852 σχεδίασε ένα πηνίο με δύο πηνία: το ένα με χοντρό σύρμα και μικρό αριθμό στροφών, το άλλο με λεπτό σύρμα και πολύ μεγάλο αριθμό στροφών. Το πρωτεύον πηνίο τροφοδοτείται από μια μπαταρία μέσω ενός δονούμενου μαγνητικού διακόπτη, ενώ προκαλείται υψηλή τάση στο δευτερεύον.Αυτό το πηνίο έγινε γνωστό ως "επαγωγή" και πήρε το όνομά του από τον δημιουργό του Rumkorf.

Ήταν μια πολύ χρήσιμη φυσική συσκευή που χρειαζόταν για τη διεξαγωγή πειραμάτων και αργότερα έγινε αναπόσπαστο μέρος των πρώτων ραδιοφωνικών συστημάτων και μηχανών ακτίνων Χ. Η Ακαδημία Επιστημών του Παρισιού εκτίμησε ιδιαίτερα την αξία του Rumkorff και του απένειμε ένα μεγάλο χρηματικό βραβείο στο όνομα του Volta.

Λίγο νωρίτερα (το 1838), ο Αμερικανός μηχανικός Charles Page, ο οποίος ασχολήθηκε επίσης με τη βελτίωση των επαγωγικών πηνίων, πέτυχε καλά αποτελέσματα - οι συσκευές του έδιναν αρκετά υψηλές τάσεις. Στην Ευρώπη, ωστόσο, τίποτα δεν ήταν γνωστό για το έργο του Page και η έρευνα συνεχίστηκε εδώ. μια ανεξάρτητη διαδρομή.

Καρούλι Rumkorf (δεκαετία 1960)

Εάν τα πρώτα μοντέλα επαγωγικών πηνίων έδιναν μια τάση που προκαλούσε σπινθήρες μήκους περίπου 2 cm, τότε το 1859 ο L. Ritchie απέκτησε σπινθήρες μήκους έως 35 cm και ο Rumkorff σύντομα κατασκεύασε ένα επαγωγικό πηνίο με σπινθήρες μήκους έως 50 cm.

Το επαγωγικό πηνίο Rumkorf έχει επιβιώσει σχεδόν χωρίς θεμελιώδεις αλλαγές. Έχουν αλλάξει μόνο οι διαστάσεις των πηνίων, μόνωση κ.λπ. Οι μεγαλύτερες αλλαγές επηρεάζουν την κατασκευή και τις αρχές λειτουργίας των αυτόματων διακοπτών στο πρωτεύον κύκλωμα του επαγωγικού πηνίου.

Πηνία Rumkorf

Ένας από τους πρώτους τύπους αυτόματων διακοπτών που χρησιμοποιήθηκαν στα πηνία Rumkorf ήταν το λεγόμενο «wagner hammer» ή «Neff hammer». Αυτή η πολύ ενδιαφέρουσα συσκευή εμφανίστηκε γύρω στη δεκαετία του 1840. και ήταν ένας ηλεκτρομαγνήτης που τροφοδοτούνταν από μια μπαταρία μέσω ενός κινητού σιδηρομαγνητικού λοβού με επαφές.

Όταν η συσκευή ενεργοποιήθηκε, το πέταλο προσελκύθηκε στον πυρήνα του ηλεκτρομαγνήτη, η επαφή διέκοψε το κύκλωμα τροφοδοσίας του ηλεκτρομαγνήτη, μετά το οποίο το πέταλο απομακρύνθηκε από τον πυρήνα στην αρχική του θέση. Στη συνέχεια, η διαδικασία επαναλαμβάνεται με συχνότητα που καθορίζεται από το μέγεθος των τμημάτων του συστήματος, την ακαμψία και τη μάζα του πετάλου και έναν αριθμό άλλων παραγόντων.

Η συσκευή Wagner-Nef έγινε αργότερα η ηλεκτρική καμπάνα και ήταν ένα από τα πρώτα ηλεκτρομηχανικά ταλαντευόμενα συστήματα που έγινε το πρωτότυπο για πολλές ηλεκτρικές και ραδιοφωνικές συσκευές της πρώιμης ραδιομηχανικής. Επιπλέον, αυτή η συσκευή επέτρεψε τη μετατροπή του συνεχούς ρεύματος από την μπαταρία σε διακοπτόμενο ρεύμα.

Ο ηλεκτρομηχανικός διακόπτης Wagner-Neff που χρησιμοποιείται στο πηνίο Rumkorf κινείται από τις μαγνητικές δυνάμεις έλξης του ίδιου του πηνίου. Ήταν εποικοδομητικά ένα μαζί της. Το μειονέκτημα του διακόπτη κυκλώματος Wagner-Neff ήταν η χαμηλή του ισχύς, δηλαδή η αδυναμία διακοπής μεγάλων ρευμάτων όπου κάηκαν οι επαφές. Επιπλέον, αυτοί οι διακόπτες κυκλώματος δεν μπορούν να παρέχουν υψηλή συχνότητα διακοπής ρεύματος.

Άλλοι τύποι διακοπτών κυκλώματος έχουν σχεδιαστεί για να διακόπτουν μεγάλα ρεύματα σε ισχυρά επαγωγικά πηνία Rumkorf. Βασίζονται σε διαφορετικές φυσικές αρχές.

Η αρχή λειτουργίας ενός σχεδίου είναι ότι μια μεταλλική ράβδος, αρκετά παχιά, κινείται εμπρός και πίσω σε ένα κατακόρυφο επίπεδο, βυθίζοντας σε ένα φλιτζάνι υδραργύρου. Μια μηχανική κίνηση μετατρέπει την περιστροφική κίνηση (με το χέρι ή ρολόι ή ηλεκτροκινητήρα) σε γραμμική παλινδρομική κίνηση, επομένως η συχνότητα των διακοπών μπορεί να ποικίλλει ευρέως.

Σε ένα από τα πρώτα σχέδια ενός τέτοιου διακόπτη, που πρότεινε ο J. Foucault, η ενεργοποίηση γινόταν μέσω ηλεκτρομαγνήτη, όπως στο σφυρί Wagner-Neff, και οι σκληρές επαφές αντικαταστάθηκαν από υδράργυρο.

Μέχρι τα τέλη του XIX αιώνα. Τα πιο διαδεδομένα είναι τα σχέδια των εταιρειών «Dukret» και «Mak-Kol». Αυτοί οι διακόπτες παρέχουν ταχύτητα θραύσης 1000-2000 ανά λεπτό και μπορούν να λειτουργήσουν χειροκίνητα. Στη δεύτερη περίπτωση, μπορούν να ληφθούν μεμονωμένες εκκενώσεις στο πηνίο Rumkorf.

Ένας άλλος τύπος διακόπτη λειτουργεί με βάση την αρχή του πίδακα και μερικές φορές ονομάζεται τουρμπίνα. Αυτοί οι διακόπτες κυκλώματος λειτουργούσαν ως εξής.

Ένας μικρός στρόβιλος υψηλής ταχύτητας αντλεί υδράργυρο από μια δεξαμενή στην κορυφή του στροβίλου, από όπου ο υδράργυρος εκτοξεύεται φυγοκεντρικά μέσω ενός ακροφυσίου με τη μορφή περιστρεφόμενου πίδακα. Στα τοιχώματα του διακόπτη υπήρχαν ανά τακτά χρονικά διαστήματα τοποθετημένα ηλεκτρόδια, τα οποία αγγίζονταν από τον πίδακα υδραργύρου κατά την κίνησή του. Έτσι έγινε το κλείσιμο και το άνοιγμα επαρκώς ισχυρών ρευμάτων.

Χρησιμοποιήθηκε ένας άλλος τύπος διακόπτη - ηλεκτρολυτικός, με βάση ένα φαινόμενο που ανακαλύφθηκε από τον Ρώσο καθηγητή N.P. Sluginov το 1884. Η αρχή λειτουργίας του διακόπτη συνίστατο στο γεγονός ότι όταν ένα ρεύμα διέρχεται από έναν ηλεκτρολύτη με θειικό οξύ μεταξύ του ογκώδους ηλεκτροδίου και ηλεκτρόδια πλατίνας του (θετικού) ηλεκτροδίου πλατίνας, που είναι ένα λεπτό σύρμα με μόνωση από γυαλί με αιχμηρό άκρο, εμφανίστηκαν φυσαλίδες αερίου, που εμποδίζουν περιοδικά τη ροή του ρεύματος και το ρεύμα διακόπτεται.

Οι ηλεκτρολυτικοί διακόπτες κυκλώματος παρέχουν ταχύτητες θραύσης έως και 500 - 800 ανά δευτερόλεπτο. Κατακτώντας τα εναλλασσόμενα ρεύματα στην ηλεκτρική μηχανική στις αρχές του εικοστού αιώνα. εισήγαγε νέες δυνατότητες στο οπλοστάσιο της φυσικής και ξεκίνησε ήδη την ραδιοηλεκτρονική.

Για την τροφοδοσία των πηνίων Rumkorf χρησιμοποιήθηκαν μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος εναλλασσόμενο ημιτονοειδές ρεύμα, γεγονός που κατέστησε δυνατή την ευρύτερη χρήση του φαινόμενο συντονισμού στη δευτερεύουσα περιέλιξη και αργότερα ως πηγές ρευμάτων υψηλής συχνότητας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα για ακτινοβολία.

Μετασχηματιστής Tesla

Ένας από τους πρώτους επιστήμονες που ενδιαφέρθηκαν για τις ιδιότητες των ρευμάτων υψηλής συχνότητας και υψηλής τάσης ήταν Νίκολα Τέσλα, ο οποίος συνέβαλε πολύ σοβαρά στην ανάπτυξη όλων των ηλεκτρολόγων μηχανικών. Αυτός ο ταλαντούχος επιστήμονας και εφευρέτης έχει πολλές πρακτικές και πρωτότυπες καινοτομίες.

Μετά την εφεύρεση του ραδιοφώνου, σχεδίασε αρχικά ένα μοντέλο ραδιοελεγχόμενου πλοίου, ανέπτυξε λαμπτήρες αερίου, σχεδίασε μια επαγωγική ηλεκτρική μηχανή υψηλής συχνότητας κ.λπ. Ο αριθμός των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας του έφτασε τις 800. Σύμφωνα με τον Αμερικανό μηχανικό ραδιοφώνου Edwin Armstrong , η ανακάλυψη πολυφασικών ρευμάτων και μόνο ένας επαγωγικός κινητήρας θα ήταν αρκετά αρκετή για να απαθανατίσει το όνομα του Tesla για πάντα.

Για πολλά χρόνια, ο Νίκολα Τέσλα έτρεφε την ιδέα της ασύρματης μετάδοσης ενέργειας σε απόσταση με τη μέθοδο της διέγερσης της γης ως μεγάλου ταλαντευόμενου κυκλώματος. Σαγήνευσε πολλά μυαλά με αυτή τη σκέψη, ανέπτυξε πηγές ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας υψηλής συχνότητας και τους εκπομπούς της.

Η δημιουργία της συσκευής του Tesla, η οποία έπαιξε πολύ σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη διαφόρων κλάδων της ηλεκτρολογικής μηχανικής και ονομάστηκε "resonant transformer" ή "Tesla transformer", χρονολογείται από το 1891.

Ο συντονιστής μετασχηματιστής του Tesla (δεκαετία 1990). Κύκλωμα μεταγωγής στη γεννήτρια ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Το επαγωγικό πηνίο υψηλής τάσης του Rumkorf εκκενώνεται στο βάζο Leyden. Το τελευταίο φορτίζεται σε υψηλή τάση και στη συνέχεια εκφορτίζεται μέσω της κύριας περιέλιξης του μετασχηματιστή συντονισμού. Ταυτόχρονα, εμφανίζεται μια πολύ υψηλή τάση στο δευτερεύον τύλιγμά του συντονισμένο σε συντονισμό με το πρωτεύον. Η Tesla λαμβάνει υψηλές τάσεις (περίπου 100 kV) με συχνότητα περίπου 150 kHz. Αυτές οι τάσεις προκάλεσαν μια σημαντική ανακάλυψη στον αέρα με τη μορφή εκκένωσης βούρτσας μήκους πολλών μέτρων.