Uređaji za primanje impulsa izmjenične struje visokog napona: Rumkorffova zavojnica i Teslin transformator

Tehnički uređaji za primanje visokog napona

Početkom 19. stoljeća znanstvenici su počeli stvarati uređaje za dobivanje visokih napona izmjenične struje. Heinrich Hertz je u svojim eksperimentima koristio uređaje koji su tada već bili dostupni u fizikalnoj eksperimentalnoj znanosti i elektrotehnici.

Bili su to vrlo karakteristični uređaji u kojima su se koristile pojave poznate u fizici, a prije svega samoindukcija — pojava inducirane elektromotorne sile u zavojnicama sa željeznom jezgrom u trenutku naglog porasta ili brzog prekida prolaska električne struje. kroz petlje.

Tridesetih godina prošlog stoljeća. pojavili su se prvi električni strojevi koji su se temeljili na križanju magnetskih silnica pomoću rotirajućih zavojnica. Prvi takvi strojevi (1832.) bili su generatori I. Pixiia, A. Jedlika, B. Jacobija, D. Henryja.

Vrlo važan događaj u fizici i novonastaloj elektrotehnici bila je pojava indukcijskih strojeva, koji su zapravo bili visokonaponski transformatori.

To su bili elektromagneti s dvije zavojnice. Struja u prvom svitku se povremeno prekida na ovaj ili onaj način, dok se u drugom svitku pojavljuje inducirana struja (točnije, EMF samoindukcije). Prvi "transformatori" koji su našli praktičnu primjenu imali su magnetski sustav otvorene petlje. Pripadaju 70-im i 80-im godinama 19. stoljeća, a njihova pojava veže se uz imena P. Yablochkova, I. Usagina, L. Golyara, E. Gibbsa i drugih.

Godine 1837. pojavili su se indukcijski strojevi ili "zavojnice", koje je stvorio francuski profesor Antoine Masson. Ovi su strojevi radili s brzim prekidom struje. Korišten je prekidač u obliku zupčanika koji je tijekom rotacije u pravilnim razmacima dodirivao metalnu četku. Prekid struje doveo je do EMF-a samoindukcije, a na izlazu stroja pojavili su se visokonaponski impulsi dovoljno visoke frekvencije. Masson koristi ovaj stroj u medicinske svrhe.

Rumkorf indukcijski svitak

Godine 1848. poznati majstor fizikalnih naprava Heinrich Rumkorff (koji je u Parizu imao radionicu za izradu aparata za fizikalne pokuse) primijetio je da se napetost u Massonovom stroju može znatno povećati ako se zavojnica napravi s velikim brojem zavoja i učestalost prekida značajno se povećava.

Godine 1852. konstruirao je svitak s dva svitka: jedan s debelom žicom i malim brojem zavoja, drugi s tankom žicom i vrlo velikim brojem zavoja. Primarnu zavojnicu napaja baterija preko vibrirajućeg magnetskog prekidača, dok se u sekundaru inducira visoki napon.Ova zavojnica postala je poznata kao "indukcija" i dobila je ime po svom tvorcu Rumkorfu.

Bio je to vrlo koristan fizički uređaj potreban za provođenje eksperimenata, a kasnije je postao sastavni dio prvih radio sustava i rendgenskih uređaja. Pariška akademija znanosti visoko je cijenila Rumkorffove zasluge i dodijelila mu veliku novčanu nagradu u Voltino ime.

Nešto ranije (1838.) američki inženjer Charles Page, koji se također bavio usavršavanjem indukcijskih zavojnica, postigao je dobre rezultate — njegovi su uređaji davali dosta visoke napone.U Europi se, međutim, o Pageovom radu nije ništa znalo i ovdje su istraživanja nastavljena na samostalan put.

Rumkorf kolut (1960-ih)

Ako su prvi modeli indukcijskih zavojnica davali napon koji je izazivao iskre duge oko 2 cm, onda je 1859. L. Ritchie dobio iskre duge do 35 cm, a Rumkorff je ubrzo izgradio indukcijski svitak s iskrama dugim do 50 cm.

Rumkorfov indukcijski svitak preživio je gotovo bez temeljnih promjena. Promijenjene su samo dimenzije zavojnica, izolacija itd. Najveće promjene zahvaćaju konstrukciju i principe rada prekidača u primarnom krugu indukcijskog svitka.

Rumkorfove zavojnice

Jedan od prvih tipova prekidača korištenih u Rumkorfovim zavojnicama bio je takozvani "Wagnerov čekić" ili "Neffov čekić". Ovaj vrlo zanimljiv uređaj pojavio se oko 1840-ih. a bio je elektromagnet koji se napaja baterijom preko pomičnog feromagnetskog režnja s kontaktima.

Kada je uređaj uključen, latica je privučena jezgrom elektromagneta, kontakt je prekinuo strujni krug napajanja elektromagneta, nakon čega se latica odmaknula od jezgre u svoj prvobitni položaj. Proces se zatim ponavlja učestalošću određenom veličinom dijelova sustava, krutošću i masom latice i nizom drugih čimbenika.

Uređaj Wagner-Nef kasnije je postao električno zvono i bio je jedan od prvih elektromehaničkih oscilirajućih sustava koji je postao prototip za mnoge električne i radio uređaje rane radiotehnike. Osim toga, ovaj je uređaj omogućio pretvaranje istosmjerne struje iz baterije u povremenu struju.

Wagner-Neffov elektromehanički prekidač koji se koristi u Rumkorfovoj zavojnici pokreće magnetska sila privlačenja same zavojnice. Bio je konstruktivno jedno s njom. Nedostatak Wagner-Neffovog prekidača bila je njegova mala snaga, odnosno nemogućnost prekidanja velikih struja na mjestima gdje su kontakti spaljeni; štoviše, ovi prekidači ne mogu osigurati visoku frekvenciju prekida struje.

Ostale vrste prekidača dizajnirane su za prekidanje velikih struja u snažnim Rumkorfovim indukcijskim svicima. Temelje se na različitim fizikalnim principima.

Načelo rada jednog dizajna je da se metalna šipka, prilično debela, kreće naprijed-natrag u vertikalnoj ravnini, tonući u šalicu žive. Mehanički pogon pretvara rotacijsko gibanje (ručno ili satni mehanizam ili električni motor) u linearno klipno gibanje, tako da učestalost prekida može jako varirati.

U jednom od ranih dizajna takvog prekidača, koji je predložio J. Foucault, aktiviranje je izvršeno pomoću elektromagneta, kao u Wagner-Neffovom čekiću, a tvrdi kontakti zamijenjeni su živom.

Sve do kraja XIX stoljeća. najrašireniji su dizajni tvrtki «Dukret» i «Mak-Kol». Ovi čekići omogućuju brzinu lomljenja od 1000-2000 u minuti i njima se može upravljati ručno. U drugom slučaju, jednostruka pražnjenja mogu se dobiti na Rumkorfovoj zavojnici.

Druga vrsta prekidača radi na principu mlaza i ponekad se naziva turbina. Ovi prekidači radili su na sljedeći način.

Mala brza turbina pumpa živu iz rezervoara na vrh turbine, odakle se živa centrifugalno izbacuje kroz mlaznicu u obliku rotirajućeg mlaza. Na stijenkama razbijača nalazile su se elektrode smještene u pravilnim razmacima, koje je dodirivao mlaz žive tijekom svog kretanja. Tako se događalo zatvaranje i otvaranje dovoljno jakih struja.

Korištena je druga vrsta sklopke - elektrolitička, temeljena na fenomenu koji je otkrio ruski profesor N. P. Sluginov 1884. Načelo rada sklopke sastojalo se u činjenici da kada struja prolazi kroz elektrolit sa sumpornom kiselinom između masivnog olova i platinske elektrode platinske (pozitivne) elektrode, koja je tanka staklom izolirana žica s oštrim krajem, pojavili su se mjehurići plina, povremeno sprječavajući protok struje, a struja je prekinuta.

Elektrolitički prekidači osiguravaju brzine prekidanja do 500 - 800 u sekundi. Ovladavanje izmjeničnim strujama u elektrotehnici početkom XX. stoljeća. uveo nove mogućnosti u arsenal fizike i već pokrenuo radioelektroniku.

Za napajanje Rumkorfovih zavojnica korišteni su strojevi za izmjeničnu struju izmjenična sinusna struja, što je omogućilo njegovu širu upotrebu fenomen rezonancije u sekundarnom namotu, a kasnije i kao izvori visokofrekventnih struja koji se mogu izravno koristiti za zračenje.

Teslin transformator

Jedan od prvih znanstvenika koji se zainteresirao za svojstva visokofrekventnih struja visokog napona bio je Nikola Tesla, koji je dao vrlo ozbiljan doprinos razvoju cjelokupne elektrotehnike. Ovaj talentirani znanstvenik i izumitelj ima mnogo praktičnih i originalnih inovacija.

Nakon izuma radija, prvi je projektirao model radio-upravljanog broda, razvio plinske svjetiljke, projektirao indukcijski visokofrekventni električni stroj itd. Broj njegovih patenata dosegao je 800. Prema američkom radioinženjeru Edwinu Armstrongu , otkriće višefaznih struja i samo jedan indukcijski motor bili bi sasvim dovoljni da se Teslino ime zauvijek ovjekovječi.

Nikola Tesla je godinama njegovao ideju bežičnog prijenosa energije na daljinu metodom pobuđivanja Zemlje kao velikog titrajnog kruga. Tom je mišlju zaokupio mnoge umove, razvio izvore visokofrekventne elektromagnetske energije i njezine emitere.

Nastanak Teslinog uređaja, koji je odigrao vrlo važnu ulogu u razvoju raznih grana elektrotehnike, a nazvan je "rezonantni transformator" ili "Teslin transformator", datira iz 1891. godine.

Teslin rezonantni transformator (1990-ih). Preklopni sklop u generatoru elektromagnetskih valova

Rumkorfov visokonaponski indukcijski svitak ispušta se u Leydenovu posudu. Potonji se puni do visokog napona, a zatim prazni kroz primarni namot rezonantnog transformatora. Istodobno se na njegovom sekundarnom namotu ugođenom u rezonanciji s primarnim javlja vrlo visok napon. Tesla prima visoke napone (oko 100 kV) s frekvencijom od oko 150 kHz. Ovi naponi uzrokovali su proboj u zraku u obliku četkastog pražnjenja dugog i do nekoliko metara.