Naprave za sprejem impulzov izmeničnega toka visoke napetosti: Rumkorffova tuljava in Teslov transformator

Tehnične naprave za sprejem visoke napetosti

V začetku 19. stoletja so znanstveniki začeli ustvarjati naprave za pridobivanje visokih napetosti izmeničnega toka. Heinrich Hertz je pri svojih poskusih uporabljal naprave, ki so bile takrat že na voljo v fizikalni eksperimentalni znanosti in elektrotehniki.

To so bile zelo značilne naprave, v katerih so bili uporabljeni v fiziki znani pojavi, predvsem pa samoindukcija - pojav inducirane elektromotorne sile v tuljavah z železnim jedrom v trenutku močnega povečanja ali hitre prekinitve prehajanja električnega toka. skozi zanke.

V tridesetih letih prejšnjega stoletja. pojavili so se prvi električni stroji, ki so temeljili na križanju magnetnih silnic s pomočjo vrtljivih tuljav. Prvi taki stroji (1832) so bili generatorji I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.

Zelo pomemben dogodek v fiziki in nastajajoči elektrotehniki je bil pojav indukcijskih strojev, ki so bili pravzaprav visokonapetostni transformatorji.

To so bili elektromagneti z dvema tuljavama. Tok v prvi tuljavi se na tak ali drugačen način periodično prekine, medtem ko se v drugi tuljavi pojavi inducirani tok (natančneje, EMF samoindukcije). Prvi "transformatorji", ki so našli praktično uporabo, so imeli magnetni sistem z odprto zanko. Spadajo v 70. in 80. leta 19. stoletja, njihov videz pa je povezan z imeni P. Yablochkova, I. Usagina, L. Golyarja, E. Gibbsa in drugih.

Leta 1837 so se pojavili indukcijski stroji ali "tuljave", ki jih je ustvaril francoski profesor Antoine Masson. Ti stroji so delovali s hitrim izpadom električne energije. Uporabljeno je bilo stikalo v obliki zobnika, ki se je med vrtenjem v enakih intervalih dotikalo kovinske krtače. Prekinitev toka je povzročila samoindukcijsko EMF, na izhodu stroja pa so se pojavili visokonapetostni impulzi z dovolj visoko frekvenco. Masson uporablja ta stroj v medicinske namene.

Indukcijska tuljava Rumkorf

Leta 1848 je znameniti mojster fizikalnih naprav Heinrich Rumkorff (ki je imel v Parizu delavnico za izdelavo naprav za fizikalne poskuse) opazil, da se lahko napetost v Massonovem stroju znatno poveča, če je tuljava narejena z velikim številom ovojev in pogostost prekinitev se znatno poveča.

Leta 1852 je zasnoval tuljavo z dvema tuljavama: eno z debelo žico in majhnim številom ovojev, drugo s tanko žico in zelo velikim številom ovojev. Primarno tuljavo napaja baterija preko vibrirajočega magnetnega stikala, medtem ko se v sekundaru inducira visoka napetost.Ta tuljava je postala znana kot "indukcija" in je dobila ime po svojem ustvarjalcu Rumkorfu.

Bila je zelo uporabna fizična naprava, potrebna za izvajanje eksperimentov, kasneje pa je postala sestavni del prvih radijskih sistemov in rentgenskih naprav. Pariška akademija znanosti je visoko cenila Rumkorffove zasluge in mu podelila veliko denarno nagrado v imenu Volta.

Malo prej (leta 1838) je ameriški inženir Charles Page, ki se je prav tako ukvarjal z izboljševanjem indukcijskih tuljav, dosegel dobre rezultate - njegove naprave so dajale precej visoke napetosti.V Evropi pa se o Pageovem delu ni vedelo nič in raziskave so se tukaj nadaljevale. samostojna pot.

Rumkorf kolut (1960)

Če so prvi modeli indukcijskih tuljav dajali napetost, ki je povzročala iskre, dolge okoli 2 cm, je leta 1859 L. Ritchie dobil iskre, dolge do 35 cm, Rumkorff pa je kmalu sestavil indukcijsko tuljavo z iskrami, dolgimi do 50 cm.

Indukcijska tuljava Rumkorf je preživela skoraj brez temeljnih sprememb. Spremenjene so le dimenzije tuljav, izolacija itd. Največje spremembe se nanašajo na konstrukcijo in principe delovanja odklopnikov v primarnem krogu indukcijske tuljave.

Rumkorfove tuljave

Ena od prvih vrst odklopnikov, uporabljenih v tuljavah Rumkorf, je bilo tako imenovano "Wagnerjevo kladivo" ali "Neffovo kladivo". Ta zelo zanimiva naprava se je pojavila okoli leta 1840. in je bil elektromagnet, ki ga je baterija napajala preko premičnega feromagnetnega režnja s kontakti.

Ko je bila naprava vklopljena, je cvetni list pritegnilo jedro elektromagneta, stik je prekinil napajalni tokokrog elektromagneta, nakar se je cvetni list odmaknil od jedra v prvotni položaj. Postopek se nato ponavlja s frekvenco, ki jo določajo velikost delov sistema, togost in masa cvetnega lista ter številni drugi dejavniki.

Naprava Wagner-Nef je kasneje postala električni zvonec in je bila eden prvih elektromehanskih oscilacijskih sistemov, ki je postal prototip za številne električne in radijske naprave zgodnjega radijskega inženirstva. Poleg tega je ta naprava omogočila pretvorbo enosmernega toka iz baterije v intermitentni tok.

Wagner-Neffovo elektromehansko stikalo, ki se uporablja v Rumkorfovi tuljavi, poganjajo magnetne sile privlačnosti same tuljave. Bil je konstruktivno eno z njo. Pomanjkljivost odklopnika Wagner-Neff je bila njegova nizka moč, to je nezmožnost prekinitve velikih tokov, kjer so bili kontakti zgoreli; poleg tega ti odklopniki ne morejo zagotoviti visoke frekvence prekinitve toka.

Druge vrste odklopnikov so zasnovane za prekinitev velikih tokov v močnih Rumkorfovih indukcijskih tuljavah. Temeljijo na različnih fizikalnih principih.

Načelo delovanja ene zasnove je, da se kovinska palica, precej debela, premika naprej in nazaj v navpični ravnini in se potopi v skodelico živega srebra. Mehanski pogon pretvarja rotacijsko gibanje (ročno ali urnega mehanizma ali elektromotorja) v linearno izmenično gibanje, zato se lahko pogostost prekinitev zelo razlikuje.

V eni od zgodnjih zasnov takega odklopnika, ki ga je predlagal J. Foucault, je bilo aktiviranje izvedeno s pomočjo elektromagneta, kot pri Wagner-Neffovem kladivu, trdi kontakti pa so bili nadomeščeni z živim srebrom.

Do konca XIX stoletja. najbolj razširjene so zasnove podjetij «Dukret» in «Mak-Kol». Ta lomila zagotavljajo hitrost lomljenja 1000-2000 na minuto in jih je mogoče upravljati ročno. V drugem primeru lahko na Rumkorfovi tuljavi dobimo enojne razelektritve.

Druga vrsta odklopnika deluje na principu curka in se včasih imenuje turbina. Ti odklopniki so delovali na naslednji način.

Majhna hitra turbina črpa živo srebro iz rezervoarja na vrh turbine, od koder se živo srebro centrifugalno izbrizga skozi šobo v obliki rotirajočega curka. Na stenah lomilke so bile v enakomernih razmikih nameščene elektrode, ki se jih je med gibanjem dotaknil curek živega srebra. Tako je prišlo do zapiranja in odpiranja dovolj močnih tokov.

Uporabljena je bila druga vrsta stikala - elektrolitsko, ki temelji na pojavu, ki ga je odkril ruski profesor N. P. Sluginov leta 1884. Načelo delovanja stikala je bilo v tem, da ko tok teče skozi elektrolit z žveplovo kislino med masivnim svincem in platinske elektrode platinske (pozitivne) elektrode, ki je tanka s steklom izolirana žica z ostrim koncem, so se pojavili plinski mehurčki, ki so občasno preprečili pretok toka in tok je bil prekinjen.

Elektrolitski odklopniki zagotavljajo prekinitvene hitrosti do 500 - 800 na sekundo. Obvladovanje izmeničnega toka v elektrotehniki na začetku dvajsetega stoletja. vnesel nove možnosti v arzenal fizike in že začel z radijsko elektroniko.

Za napajanje Rumkorfovih tuljav so uporabljali stroje z izmeničnim tokom izmenični sinusni tok, kar je omogočilo širšo uporabo resonančni pojav v sekundarnem navitju, kasneje pa kot viri visokofrekvenčnih tokov, ki se lahko neposredno uporabljajo za sevanje.

Teslov transformator

Eden prvih znanstvenikov, ki so se zanimale za lastnosti visokofrekvenčnih visokonapetostnih tokov, je bil Nikola Tesla, ki je zelo resno prispeval k razvoju celotne elektrotehnike. Ta nadarjeni znanstvenik in izumitelj ima veliko praktičnih in izvirnih inovacij.

Po izumu radia je najprej zasnoval model radijsko vodene ladje, razvil plinske svetilke, zasnoval indukcijski visokofrekvenčni električni stroj itd. Število njegovih patentov je doseglo 800. Po podatkih ameriškega radijskega inženirja Edwina Armstronga , bi bilo odkritje večfaznih tokov in samo en indukcijski motor povsem dovolj, da bi Teslovo ime ovekovečili za vedno.

Nikola Tesla je dolga leta gojil zamisel o brezžičnem prenosu energije na daljavo z metodo vzbujanja zemlje kot velikega nihajnega kroga. S to mislijo je očaral mnoge glave, razvil vire visokofrekvenčne elektromagnetne energije in njene oddajnike.

Nastanek Teslove naprave, ki je imela zelo pomembno vlogo pri razvoju različnih vej elektrotehnike in so jo poimenovali »resonančni transformator« ali »Teslov transformator«, sega v leto 1891.

Teslin resonančni transformator (1990). Preklopno vezje v generatorju elektromagnetnega valovanja

Rumkorfova visokonapetostna indukcijska tuljava se izprazni v Leyden kozarec. Slednji se napolni do visoke napetosti in nato izprazni skozi primarno navitje resonančnega transformatorja. Hkrati se na njegovem sekundarnem navitju, ki je uglašen v resonanci s primarnim, pojavi zelo visoka napetost. Tesla sprejema visoke napetosti (okoli 100 kV) s frekvenco okoli 150 kHz. Te napetosti so povzročile preboj v zrak v obliki do nekaj metrov dolge krtače.