Augstsprieguma maiņstrāvas impulsu uztveršanas ierīces: Rumkorff spole un Tesla transformators

Tehniskās ierīces augstsprieguma uztveršanai

19. gadsimta sākumā zinātnieki sāka radīt ierīces augstsprieguma maiņstrāvas iegūšanai. Heinrihs Hercs savos eksperimentos izmantoja ierīces, kas jau tajā laikā bija pieejamas fizikālajā eksperimentālajā zinātnē un elektrotehnikā.

Tās bija ļoti raksturīgas ierīces, kurās tika izmantotas fizikā zināmas parādības un galvenokārt pašindukcija - inducēta elektromotora spēka parādīšanās spoles ar dzelzs serdi brīdī, kad strauji palielinās vai strauji pārtrūkst plūstošā elektriskā strāva. caur cilpām.

20. gadsimta 30. gados. parādījās pirmās elektriskās mašīnas, kuru pamatā bija magnētisko spēka līniju šķērsošana ar rotējošu spoļu palīdzību. Pirmās šādas mašīnas (1832) bija I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry ģeneratori.

Ļoti svarīgs notikums fizikā un topošajā elektrotehnikā bija indukcijas mašīnu parādīšanās, kas patiesībā bija augstsprieguma transformatori.

Tie bija elektromagnēti ar divām spolēm. Pirmajā spolē strāva tiek periodiski pārtraukta vienā vai otrā veidā, savukārt inducētā strāva parādās otrajā spolē (precīzāk, Pašindukcijas EMF). Pirmajiem "transformatoriem", kas atrada praktisku pielietojumu, bija atvērtas cilpas magnētiskā sistēma. Tie pieder pie 19. gadsimta 70. un 80. gadiem, un to izskats ir saistīts ar P. Jabločkova, I. Usagina, L. Goļara, E. Gibsa un citu vārdiem.

1837. gadā parādījās indukcijas mašīnas jeb "spoles", ko radīja franču profesors Antuāns Masons. Šīs mašīnas darbojās ar ātru strāvas padeves pārtraukumu. Tika izmantots slēdzis zobrata formā, kas griešanās laikā regulāri pieskārās metāla birstei. Strāvas pārtraukums izraisīja pašindukcijas EMF, un mašīnas izejā parādījās augstsprieguma impulsi ar pietiekami augstu frekvenci. Masons izmanto šo mašīnu medicīniskiem nolūkiem.

Rumkorf indukcijas spole

1848. gadā slavenais fizisko ierīču meistars Heinrihs Rumkorfs (kuram Parīzē bija darbnīca fizikālo eksperimentu aparātu izgatavošanai) pamanīja, ka Masona mašīnas spriegumu var ievērojami palielināt, ja spoli izgatavotu ar lielu apgriezienu skaitu un ievērojami palielinās pārtraukumu biežums.

1852. gadā viņš projektēja spoli ar divām spolēm: vienu ar resnu stiepli un nelielu apgriezienu skaitu, otru ar plānu stiepli un ļoti lielu vijumu skaitu. Primāro spoli darbina akumulators, izmantojot vibrējošu magnētisko slēdzi, savukārt sekundārajā tiek inducēts augsts spriegums.Šī spole kļuva pazīstama kā "indukcija" un tika nosaukta tās radītāja Rumkorfa vārdā.

Tā bija ļoti noderīga fiziska ierīce, kas bija nepieciešama eksperimentu veikšanai, un vēlāk kļuva par pirmo radiosistēmu un rentgena iekārtu neatņemamu sastāvdaļu. Parīzes Zinātņu akadēmija augstu novērtēja Rumkorfa nopelnus un piešķīra viņam lielu naudas balvu Volta vārdā.

Nedaudz agrāk (1838. gadā) labus rezultātus sasniedza amerikāņu inženieris Čārlzs Peidžs, kurš arī nodarbojās ar indukcijas spoļu uzlabošanu — viņa ierīces deva diezgan augstus spriegumus, taču Eiropā par Peidža darbu nekas nebija zināms un pētījumi šeit turpinājās neatkarīgs ceļš.

Rumkorf spole (1960. gadi)

Ja pirmie indukcijas spoļu modeļi deva spriegumu, kas radīja apmēram 2 cm garas dzirksteles, tad 1859. gadā L. Ričijs ieguva līdz 35 cm garas dzirksteles un Rumkorfs drīz vien uzbūvēja indukcijas spoli ar līdz 50 cm garām dzirkstelēm.

Rumkorf indukcijas spole ir izdzīvojusi gandrīz bez būtiskām izmaiņām. Mainīti tikai spoļu izmēri, izolācija utt. Lielākās izmaiņas skar slēdžu uzbūvi un darbības principus indukcijas spoles primārajā ķēdē.

Rumkorf spoles

Viens no pirmajiem automātisko slēdžu veidiem, ko izmantoja Rumkorf ruļļos, ​​bija tā sauktais "Vāgnera āmurs" vai "Neff āmurs". Šī ļoti interesantā ierīce parādījās aptuveni 1840. gados. un bija elektromagnēts, ko darbina akumulators, izmantojot kustīgu feromagnētisko daivu ar kontaktiem.

Kad ierīce tika ieslēgta, ziedlapa tika piesaistīta elektromagnēta kodolam, kontakts pārtrauca elektromagnēta padeves ķēdi, pēc tam ziedlapa attālinājās no serdes sākotnējā stāvoklī. Pēc tam process tiek atkārtots ar frekvenci, ko nosaka sistēmas daļu izmērs, ziedlapas stingums un masa, kā arī vairāki citi faktori.

Vāgnera-Nefa ierīce vēlāk kļuva par elektrisko zvanu un bija viena no pirmajām elektromehāniskajām svārstību sistēmām, kas kļuva par prototipu daudzām agrīnās radiotehnikas elektriskajām un radio ierīcēm. Turklāt šī ierīce ļāva pārveidot no akumulatora līdzstrāvu strāvā ar pārtraukumiem.

Rumkorf spolē izmantoto Vāgnera-Nefa elektromehānisko slēdzi darbina pašas spoles pievilkšanas magnētiskie spēki. Viņš bija konstruktīvi viens ar viņu. Wagner-Neff ķēdes pārtraucēja trūkums bija tā mazā jauda, ​​tas ir, nespēja pārtraukt lielas strāvas vietās, kur tika sadedzināti kontakti; turklāt šie automātiskie slēdži nevar nodrošināt augstas frekvences strāvas pārtraukumu.

Cita veida automātiskie slēdži ir paredzēti, lai pārtrauktu lielas strāvas jaudīgās Rumkorf indukcijas spoles. Tie ir balstīti uz dažādiem fiziskajiem principiem.

Viena dizaina darbības princips ir tāds, ka metāla stienis, diezgan resns, kustas uz priekšu un atpakaļ vertikālā plaknē, iegrimstot dzīvsudraba kausā. Mehāniskā piedziņa rotējošo kustību (ar roku vai pulksteņa mehānismu vai elektromotoru) pārvērš lineārā abpusējā kustībā, tāpēc pārtraukumu biežums var būt ļoti atšķirīgs.

Vienā no agrīnajiem šāda slēdža projektiem, ko ierosināja J. Foucault, iedarbināšana tika veikta ar elektromagnēta palīdzību, tāpat kā Vāgnera-Nefa āmurī, un cietos kontaktus aizstāja ar dzīvsudrabu.

Līdz XIX gadsimta beigām. visizplatītākie ir kompāniju «Dukret» un «Mak-Kol» dizaini. Šie slēdži nodrošina pārrāvuma ātrumu 1000-2000 minūtē, un tos var darbināt manuāli. Otrajā gadījumā uz Rumkorf spoles var iegūt atsevišķas izlādes.

Cita veida slēdži darbojas pēc strūklas principa, un to dažreiz sauc par turbīnu. Šie automātiskie slēdži darbojās šādi.

Neliela ātrgaitas turbīna sūknē dzīvsudrabu no rezervuāra uz turbīnas augšpusi, no kurienes dzīvsudrabs tiek izvadīts centrbēdzes ceļā caur sprauslu rotējošas strūklas veidā. Uz slēdža sienām ar regulāriem intervāliem bija izvietoti elektrodi, kuriem dzīvsudraba strūkla tās kustības laikā pieskārās. Tā notika pietiekami spēcīgu strāvu aizvēršanās un atvēršanās.

Tika izmantots cita veida slēdži - elektrolītiskais, pamatojoties uz fenomenu, ko 1884. gadā atklāja krievu profesors N. P. Sluginovs. Slēdža darbības princips sastāvēja no tā, ka, strāvai izejot caur elektrolītu ar sērskābi starp masīvo svinu un platīna elektroda (pozitīvā) elektroda platīna elektrodiem, kas ir tievs stikls izolēts vads ar asu galu, parādījās gāzes burbuļi, kas periodiski kavē strāvas plūsmu, un strāva tika pārtraukta.

Elektrolītiskie automātiskie slēdži nodrošina pārtraukuma ātrumu līdz 500 - 800 sekundē. Maiņstrāvas apgūšana elektrotehnikā divdesmitā gadsimta sākumā. ieviesa jaunas iespējas fizikas arsenālā un jau aizsākta radioelektronika.

Rumkorf spoļu darbināšanai tika izmantotas maiņstrāvas iekārtas sinusoidāla maiņstrāva, kas ļāva to izmantot plašāk rezonanses fenomens sekundārajā tinumā un vēlāk kā augstfrekvences strāvu avotus, ko var tieši izmantot starojumam.

Tesla transformators

Viens no pirmajiem zinātniekiem, kas interesējas par augstfrekvences, augstsprieguma strāvu īpašībām, bija Nikola Tesla, kurš sniedza ļoti nopietnu ieguldījumu visas elektrotehnikas attīstībā. Šim talantīgajam zinātniekam un izgudrotājam ir daudz praktisku un oriģinālu jauninājumu.

Pēc radio izgudrošanas viņš vispirms izstrādāja radiovadāma kuģa modeli, izstrādāja gāzes lampas, projektēja indukcijas augstfrekvences elektrisko mašīnu utt. Viņa patentu skaits sasniedza 800. Pēc amerikāņu radioinženiera Edvina Ārmstronga domām. , pietiktu ar daudzfāzu strāvu atklāšanu un tikai vienu indukcijas motoru, lai Teslas vārdu iemūžinātu uz visiem laikiem.

Nikola Tesla daudzus gadus audzināja ideju par enerģijas bezvadu pārraidi no attāluma, izmantojot metodi, kas ierosina zemi kā lielu svārstību ķēdi. Viņš ar šo domu aizrāva daudzus prātus, izstrādāja augstfrekvences elektromagnētiskās enerģijas avotus un tās izstarotājus.

Teslas ierīce, kurai bija ļoti liela nozīme dažādu elektrotehnikas nozaru attīstībā un tika saukta par "rezonanses transformatoru" vai "Tesla transformatoru", tika radīta 1891. gadā.

Teslas rezonanses transformators (1990. gadi). Pārslēgšanas ķēde elektromagnētisko viļņu ģeneratorā

Rumkorf augstsprieguma indukcijas spole tiek izvadīta Leidena burkā. Pēdējais tiek uzlādēts ar augstu spriegumu un pēc tam tiek izvadīts caur rezonanses transformatora primāro tinumu. Tajā pašā laikā tā sekundārajā tinumā rodas ļoti augsts spriegums, kas noregulēts rezonansi ar primāro. Tesla saņem augstu spriegumu (apmēram 100 kV) ar frekvenci aptuveni 150 kHz. Šie spriegumi izraisīja izrāvienu gaisā līdz pat vairākus metrus garas otas izlādes veidā.