Laitteet korkeajännitteisten vaihtovirtapulssien vastaanottamiseen: Rumkorff-kela ja Tesla-muuntaja

Tekniset laitteet suurjännitteen vastaanottoon

1800-luvun alussa tutkijat alkoivat luoda laitteita korkeiden vaihtojännitteiden saamiseksi. Heinrich Hertz käytti kokeissaan laitteita, jotka olivat jo tuolloin saatavilla fysikaalisessa kokeellisessa tieteessä ja sähkötekniikassa.

Nämä olivat hyvin ominaisia ​​laitteita, joissa käytettiin fysiikassa tunnettuja ilmiöitä ja ennen kaikkea itseinduktiota - indusoituneen sähkömotorisen voiman ilmaantumista rautasydämisiin keloihin, kun kulkeva sähkövirta kasvaa jyrkästi tai katkeaa nopeasti. silmukoiden kautta.

1930-luvulla. ilmestyivät ensimmäiset sähkökoneet, jotka perustuivat magneettisten voimalinjojen ylittämiseen pyörivien kelojen avulla. Ensimmäiset tällaiset koneet (1832) olivat I. Pixiin, A. Jedlikin, B. Jacobin, D. Henryn generaattorit.

Erittäin tärkeä tapahtuma fysiikassa ja kehittyvässä sähkötekniikassa oli induktiokoneiden ilmestyminen, jotka itse asiassa olivat suurjännitemuuntajia.

Nämä olivat sähkömagneetteja kahdella kelalla. Ensimmäisen kelan virta katkeaa ajoittain tavalla tai toisella, kun taas toisessa kelassa ilmaantuu indusoitunut virta (tarkemmin, Itseinduktion EMF). Ensimmäisillä "muuntajilla", jotka löysivät käytännön käyttöä, oli avoimen silmukan magneettijärjestelmä. Ne kuuluvat 1800-luvun 70- ja 80-luvuille, ja niiden ulkonäkö liittyy P. Yablochkovin, I. Usaginin, L. Golyarin, E. Gibbsin ja muiden nimiin.

Vuonna 1837 ilmestyi ranskalaisen professorin Antoine Massonin luomia induktiokoneita tai "keloja". Nämä koneet toimivat nopealla sähkökatkolla. Käytettiin hammaspyörän muotoista kytkintä, joka pyörimisen aikana kosketti metalliharjaa säännöllisin väliajoin. Virran katkos johti itseinduktioon EMF:ään ja koneen ulostuloon ilmestyi riittävän korkeataajuisia suurjännitepulsseja. Masson käyttää tätä konetta lääketieteellisiin tarkoituksiin.

Rumkorf induktiokela

Vuonna 1848 kuuluisa fyysisten laitteiden mestari Heinrich Rumkorff (jolla oli Pariisissa työpaja fysikaalisiin kokeisiin tarkoitettujen laitteiden valmistusta varten) huomasi, että Massonin koneen jännitystä voitiin lisätä merkittävästi, jos kela tehtiin suurella määrällä kierroksia ja katkosten taajuus kasvaa merkittävästi.

Vuonna 1852 hän suunnitteli kelan, jossa oli kaksi kelaa: toisessa paksu lanka ja pieni määrä kierroksia, toisessa ohut lanka ja erittäin suuri määrä kierroksia. Ensiökäämiä saa virtansa akusta värisevän magneettikytkimen kautta, kun taas toisiokelaan indusoituu korkea jännite.Tämä kela tunnettiin nimellä "induktio" ja nimettiin sen luojan Rumkorfin mukaan.

Se oli erittäin hyödyllinen fyysinen laite, jota tarvittiin kokeiden suorittamiseen, ja siitä tuli myöhemmin olennainen osa ensimmäisiä radiojärjestelmiä ja röntgenlaitteita. Pariisin tiedeakatemia arvosti suuresti Rumkorffin ansioita ja myönsi hänelle Voltan nimissä suuren rahapalkinnon.

Hieman aikaisemmin (vuonna 1838) amerikkalainen insinööri Charles Page, joka oli mukana myös induktiokäämien parantamisessa, saavutti hyviä tuloksia - hänen laitteet antoivat melko korkeita jännitteitä. Euroopassa Pagen työstä ei kuitenkaan tiedetty mitään ja tutkimus jatkui täällä itsenäinen polku.

Rumkorf kela (1960-luku)

Jos ensimmäiset induktiokäämien mallit antoivat jännitteen, joka aiheutti noin 2 cm pitkiä kipinöitä, niin vuonna 1859 L. Ritchie sai jopa 35 cm pitkiä kipinöitä ja Rumkorff rakensi pian induktiokelan, jossa oli jopa 50 cm pitkiä kipinöitä.

Rumkorf-induktiokela on säilynyt lähes ilman perustavanlaatuisia muutoksia. Vain kelojen, eristeiden yms. mitat on muutettu. Suurimmat muutokset vaikuttavat induktiokäämin ensiöpiirin katkaisijoiden rakenteeseen ja toimintaperiaatteisiin.

Rumkorf kelat

Yksi ensimmäisistä Rumkorf-käämeissä käytetyistä katkaisijatyypeistä oli niin kutsuttu "Wagner-vasara" tai "Neff-vasara". Tämä erittäin mielenkiintoinen laite ilmestyi noin 1840-luvulla. ja se oli sähkömagneetti, joka sai virtansa paristosta liikkuvan ferromagneettisen keilan kautta, jossa on kontaktit.

Kun laite käynnistettiin, terälehti vetäytyi sähkömagneetin ytimeen, kosketin katkaisi sähkömagneetin syöttöpiirin, minkä jälkeen terälehti siirtyi pois ytimestä alkuperäiseen asentoonsa. Prosessi toistetaan sitten taajuudella, joka määräytyy järjestelmän osien koon, terälehden jäykkyyden ja massan sekä useiden muiden tekijöiden perusteella.

Wagner-Nef-laitteesta tuli myöhemmin sähkökello, ja se oli yksi ensimmäisistä sähkömekaanisista värähtelevistä järjestelmistä, josta tuli prototyyppi monille varhaisen radiotekniikan sähkö- ja radiolaitteille. Lisäksi tämä laite mahdollisti akun tasavirran muuntamisen katkovirraksi.

Rumkorf-kelassa käytettyä sähkömekaanista Wagner-Neff-kytkintä ohjaavat itse kelan magneettiset vetovoimat. Hän oli rakentavasti yhtä hänen kanssaan. Wagner-Neff-katkaisijan haittana oli sen alhainen teho, toisin sanoen kyvyttömyys katkaista suuria virtoja koskettimien polttamisessa; lisäksi nämä katkaisijat eivät voi tarjota korkeataajuutta virran katkaisua.

Muun tyyppiset katkaisijat on suunniteltu katkaisemaan suuria virtoja tehokkaissa Rumkorf-induktiokäämeissä. Ne perustuvat erilaisiin fysikaalisiin periaatteisiin.

Yhden mallin toimintaperiaate on, että metallitanko, melko paksu, liikkuu edestakaisin pystytasossa ja uppoaa elohopeakuppiin. Mekaaninen käyttö muuntaa pyörivän liikkeen (käsin tai kellokoneiston tai sähkömoottorin avulla) lineaariseksi edestakaiseksi liikkeeksi, joten keskeytystaajuus voi vaihdella suuresti.

Yhdessä J. Foucault'n ehdottamassa tällaisen katkaisijan varhaisessa suunnitelmassa käyttö suoritettiin sähkömagneetin avulla, kuten Wagner-Neff-vasarassa, ja kovat koskettimet korvattiin elohopealla.

XIX vuosisadan loppuun asti. yleisimpiä ovat Dukret- ja Mak-Kol-yhtiöiden mallit. Nämä katkaisijat tarjoavat katkaisunopeuden 1000-2000 minuutissa ja niitä voidaan käyttää manuaalisesti. Toisessa tapauksessa Rumkorf-kelaan voidaan saada yksittäisiä purkauksia.

Toinen katkaisijatyyppi toimii suihkuperiaatteella ja sitä kutsutaan joskus turbiiniksi. Nämä katkaisijat toimivat seuraavasti.

Pieni nopea turbiini pumppaa elohopeaa säiliöstä turbiinin huipulle, josta elohopea työnnetään ulos keskipakoisesti pyörivän suihkun muodossa olevan suuttimen läpi. Katkaisijan seinillä oli säännöllisin väliajoin sijoitettuja elektrodeja, joita elohopeasuihku kosketti sen liikkeen aikana. Näin tapahtui riittävän voimakkaiden virtojen sulkeutuminen ja avautuminen.

Käytettiin toisen tyyppistä kytkintä - elektrolyyttistä, joka perustuu ilmiöön, jonka venäläinen professori N. P. Sluginov löysi vuonna 1884. Kytkimen toimintaperiaate koostui siitä, että kun virta kulkee rikkihappoa sisältävän elektrolyytin läpi massiivisen lyijyn ja platinaelektrodin (positiivinen) platinaelektrodi, joka on ohut lasieristetty lanka, jolla on terävä pää, ilmaantui kaasukuplia, jotka estivät ajoittain virran kulkua, ja virta katkesi.

Elektrolyyttiset katkaisijat tarjoavat katkaisunopeudet jopa 500 - 800 sekunnissa. Vaihtovirtojen hallitseminen sähkötekniikassa 1900-luvun alussa. toi uusia mahdollisuuksia fysiikan arsenaaliin ja jo aloitti radioelektroniikan.

Vaihtovirtakoneita käytettiin syöttämään Rumkorf-keloja vaihtosinivirta, mikä mahdollisti sen laajemman käytön resonanssi-ilmiö toisiokäämissä ja myöhemmin suurtaajuisten virtojen lähteinä, joita voidaan käyttää suoraan säteilyyn.

Teslan muuntaja

Yksi ensimmäisistä tiedemiehistä, jotka olivat kiinnostuneita suurtaajuisten suurjännitevirtojen ominaisuuksista, oli Nikola Tesla, joka antoi erittäin vakavan panoksen kaiken sähkötekniikan kehitykseen. Tällä lahjakkaalla tiedemiehellä ja keksijällä on monia käytännöllisiä ja omaperäisiä innovaatioita.

Radion keksimisen jälkeen hän suunnitteli ensin mallin radio-ohjatusta laivasta, kehitti kaasulamppuja, suunnitteli induktiokorkeataajuisen sähkökoneen jne. Hänen patenttien määrä oli 800. Amerikkalaisen radioinsinöörin Edwin Armstrongin mukaan , monivaiheisten virtojen ja vain yhden induktiomoottorin löytäminen riittäisi ikuistamaan Teslan nimen ikuisesti.

Monien vuosien ajan Nikola Tesla ruokki ajatusta langattomasta energiansiirrosta etänä menetelmällä, joka herättää maapallon suurena värähtelevänä piirinä. Hän valloitti monet mielet tällä ajatuksella, kehitti korkeataajuisen sähkömagneettisen energian lähteitä ja sen lähettäjiä.

Teslan laite, jolla oli erittäin tärkeä rooli sähkötekniikan eri alojen kehittämisessä ja jota kutsuttiin "resonanssimuuntajaksi" tai "Tesla-muuntajaksi", on peräisin vuodelta 1891.

Teslan resonanssimuuntaja (1990-luku). Kytkentäpiiri sähkömagneettisten aaltojen generaattorissa

Rumkorfin korkeajännitteinen induktiokela puretaan Leydenin kannuun. Jälkimmäinen ladataan korkeaan jännitteeseen ja puretaan sitten resonanssimuuntajan ensiökäämin kautta. Samanaikaisesti sen toisiokäämissä esiintyy erittäin korkea jännite, joka on viritetty resonanssiin ensiökäämin kanssa. Tesla vastaanottaa korkeita jännitteitä (noin 100 kV) taajuudella noin 150 kHz. Nämä jännitteet aiheuttivat läpimurron ilmaan jopa useiden metrien pituisena harjapurkauksena.