Enheter för att ta emot högspänningsväxelströmspulser: Rumkorff-spole och Tesla-transformator

Tekniska anordningar för mottagning av högspänning

I början av 1800-talet började forskare skapa anordningar för att erhålla höga spänningar av växelström. Heinrich Hertz använde i sina experiment de anordningar som redan fanns tillgängliga vid den tiden inom fysisk experimentell vetenskap och inom elektroteknik.

Dessa var mycket karakteristiska anordningar där fenomen kända inom fysiken användes, och framför allt självinduktion - uppkomsten av en inducerad elektromotorisk kraft i spolar med en järnkärna i ögonblicket av en kraftig ökning eller snabbt avbrott av den elektriska strömmen som passerar genom slingorna.

På 1930-talet. de första elektriska maskinerna dök upp, baserade på korsningen av magnetiska kraftlinjer med hjälp av roterande spolar. De första sådana maskinerna (1832) var generatorerna av I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.

En mycket viktig händelse inom fysik och framväxande elektroteknik var uppkomsten av induktionsmaskiner, som egentligen var högspänningstransformatorer.

Dessa var elektromagneter med två spolar. Strömmen i den första spolen avbryts periodiskt på ett eller annat sätt, medan en inducerad ström uppträder i den andra spolen (mer exakt, EMF för självinduktion). De första "transformatorerna" som fick praktisk användning hade ett magnetiskt system med öppen slinga. De tillhör 70- och 80-talen av 1800-talet, och deras utseende är förknippat med namnen P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs och andra.

1837 dök det upp induktionsmaskiner eller "spolar", skapade av den franske professorn Antoine Masson. Dessa maskiner fungerade med ett snabbt strömavbrott. En omkopplare i form av en växel användes, som under rotation vidrörde metallborsten med jämna mellanrum. Strömavbrottet ledde till självinduktion EMF, och högspänningspulser med en tillräckligt hög frekvens uppträdde vid maskinens utgång. Masson använder denna maskin för medicinska ändamål.

Rumkorf induktionsspole

1848 märkte den berömde mästaren av fysiska anordningar Heinrich Rumkorff (som hade en verkstad i Paris för tillverkning av apparater för fysiska experiment) att spänningen i Massons maskin kunde ökas avsevärt om spolen gjordes med ett stort antal varv och frekvensen av avbrott ökar avsevärt.

1852 konstruerade han en spole med två spolar: en med tjock tråd och ett litet antal varv, den andra med tunn tråd och ett mycket stort antal varv. Primärspolen drivs av ett batteri genom en vibrerande magnetomkopplare, medan en hög spänning induceras i sekundären.Denna spole blev känd som "induktion" och fick sitt namn efter dess skapare Rumkorf.

Det var en mycket användbar fysisk enhet som behövdes för att genomföra experiment, och blev senare en integrerad del av de första radiosystemen och röntgenapparaterna. Vetenskapsakademin i Paris uppskattade mycket Rumkorffs förtjänst och tilldelade honom ett stort monetärt pris i Voltas namn.

Lite tidigare (år 1838) uppnådde den amerikanske ingenjören Charles Page, som också var med och förbättrade induktionsspolar, goda resultat — hans apparater gav ganska höga spänningar. I Europa visste man dock ingenting om Pages arbete och forskningen fortsatte här på en självständig väg.

Rumkorf rulle (1960-talet)

Om de första modellerna av induktionsspolar gav en spänning som orsakade gnistor ca 2 cm långa, så fick L. Ritchie 1859 gnistor upp till 35 cm långa och Rumkorff byggde snart en induktionsspole med gnistor upp till 50 cm långa.

Rumkorf-induktionsspolen har klarat sig nästan utan grundläggande förändringar. Endast måtten på spolarna, isolering etc. har ändrats. De största förändringarna påverkar konstruktionen och funktionsprinciperna för strömbrytarna i induktionsspolens primärkrets.

Rumkorf spolar

En av de första typerna av brytare som användes i Rumkorf-spolar var den så kallade "Wagner-hammaren" eller "Neff-hammaren". Denna mycket intressanta enhet dök upp runt 1840-talet. och var en elektromagnet som drevs av ett batteri via en rörlig ferromagnetisk lob med kontakter.

När enheten slogs på attraherades kronbladet till elektromagnetens kärna, kontakten avbröt elektromagnetens försörjningskrets, varefter kronbladet flyttade bort från kärnan till sin ursprungliga position. Processen upprepas sedan med en frekvens som bestäms av storleken på systemdelarna, kronbladets styvhet och massa och ett antal andra faktorer.

Wagner-Nef-enheten blev senare den elektriska klockan och var ett av de första elektromekaniska oscillerande systemen som blev prototypen för många elektriska och radioapparater från tidig radioteknik. Dessutom gjorde denna enhet det möjligt att omvandla likström från batteriet till intermittent ström.

Wagner-Neff elektromekaniska omkopplare som används i Rumkorf-spolen drivs av de magnetiska attraktionskrafterna från själva spolen. Han var konstruktivt ett med henne. Nackdelen med Wagner-Neff-strömbrytaren var dess låga effekt, det vill säga oförmågan att avbryta stora strömmar där kontakterna brändes; dessutom kan dessa brytare inte ge en hög frekvens av strömavbrott.

Andra typer av brytare är konstruerade för att bryta stora strömmar i kraftfulla Rumkorf-induktionsspolar. De bygger på olika fysiska principer.

Funktionsprincipen för en design är att en metallstav, ganska tjock, rör sig fram och tillbaka i ett vertikalt plan och sjunker ner i en kopp kvicksilver. En mekanisk drivning omvandlar roterande rörelse (för hand eller urverk eller elmotor) till linjär fram- och återgående rörelse, så frekvensen av avbrott kan variera kraftigt.

I en av de tidiga konstruktionerna av en sådan brytare, föreslagen av J. Foucault, utfördes aktiveringen med hjälp av en elektromagnet, som i Wagner-Neff-hammaren, och de hårda kontakterna ersattes av kvicksilver.

Fram till slutet av XIX-talet. den mest utbredda är designen av företagen «Dukret» och «Mak-Kol». Dessa brytare ger en brythastighet på 1000-2000 per minut och kan manövreras manuellt. I det andra fallet kan enstaka urladdningar erhållas på Rumkorf-spolen.

En annan typ av brytare arbetar enligt jetprincipen och kallas ibland en turbin. Dessa strömbrytare fungerade enligt följande.

En liten höghastighetsturbin pumpar kvicksilver från en reservoar till toppen av turbinen, varifrån kvicksilvret sprutas ut centrifugalt genom ett munstycke i form av en roterande stråle. På brytarens väggar fanns elektroder placerade med jämna mellanrum, som berördes av kvicksilverstrålen under dess rörelse. Så skedde stängning och öppning av tillräckligt starka strömmar.

En annan typ av strömbrytare användes - elektrolytisk, baserad på ett fenomen som upptäcktes av den ryske professorn N.P. Sluginov 1884. Funktionsprincipen för strömbrytaren bestod i det faktum att när en ström passerar genom en elektrolyt med svavelsyra mellan det massiva blyet och platinaelektroder av platina (positiva) elektroden, som är en tunn glasisolerad tråd med en vass ände, uppstod gasbubblor, som periodiskt förhindrade strömflödet, och strömmen avbröts.

Elektrolytiska brytare ger brythastigheter på upp till 500 - 800 per sekund. Att bemästra växelströmmar inom elektroteknik i början av 1900-talet. introducerade nya möjligheter i fysikens arsenal och började redan radioelektronik.

Växelströmsmaskiner användes för att driva Rumkorf-spolar sinusformad växelström, vilket gjorde det möjligt att använda den bredare resonansfenomen i sekundärlindningen, och senare som källor för högfrekventa strömmar som direkt kan användas för strålning.

Tesla transformator

En av de första forskarna som var intresserade av egenskaperna hos högfrekventa, högspänningsströmmar var Nikola Tesla, som gjorde ett mycket seriöst bidrag till utvecklingen av all elektroteknik. Denna begåvade vetenskapsman och uppfinnare har många praktiska och originella innovationer.

Efter radions uppfinning designade han först en modell av ett radiostyrt fartyg, utvecklade gaslampor, designade en elektrisk induktionsmaskin med hög frekvens, etc. Antalet patent nådde 800. Enligt den amerikanske radioingenjören Edwin Armstrong , upptäckten av flerfasströmmar och bara en induktionsmotor skulle vara tillräckligt för att föreviga Teslas namn för alltid.

Under många år närde Nikola Tesla idén om trådlös överföring av energi på avstånd genom metoden att excitera jorden som en stor oscillerande krets. Han fängslade många sinnen med denna tanke, utvecklade källor för högfrekvent elektromagnetisk energi och dess utsändare.

Skapandet av Teslas enhet, som spelade en mycket viktig roll i utvecklingen av olika grenar av elektroteknik och kallades "resonanstransformatorn" eller "Tesla-transformatorn", går tillbaka till 1891.

Teslas resonanstransformator (1990-tal). Omkopplingskrets i generatorn av elektromagnetiska vågor

Rumkorfs högspänningsinduktionsspole laddas ur i Leyden-burken. Den senare laddas till hög spänning och laddas sedan ur genom resonanstransformatorns primärlindning. Samtidigt uppstår en mycket hög spänning på dess sekundärlindning avstämd i resonans med primärlindningen. Tesla tar emot höga spänningar (ca 100 kV) med en frekvens på cirka 150 kHz. Dessa spänningar orsakade ett genombrott i luften i form av en upp till flera meter lång borsturladdning.