Kõrgepinge vahelduvvooluimpulsside vastuvõtmise seadmed: Rumkorffi mähis ja Tesla trafo

Tehnilised seadmed kõrgepinge vastuvõtmiseks

19. sajandi alguses hakkasid teadlased looma vahelduvvoolu kõrgepinge saamise seadmeid. Heinrich Hertz kasutas oma katsetes seadmeid, mis olid juba sel ajal kättesaadavad füüsikalises eksperimentaalteaduses ja elektrotehnikas.

Need olid väga iseloomulikud seadmed, milles kasutati füüsikas tuntud nähtusi ja eelkõige iseinduktsiooni — indutseeritud elektromotoorjõu tekkimist raudsüdamikuga mähistes läbiva elektrivoolu järsu suurenemise või kiire katkemise hetkel. silmuste kaudu.

1930. aastatel. ilmusid esimesed elektrimasinad, mis põhinesid magnetiliste jõujoonte ristumisel pöörlevate poolide abil. Esimesed sellised masinad (1832) olid I. Pixii, A. Jedliku, B. Jacobi, D. Henry generaatorid.

Väga oluline sündmus füüsikas ja tärkavas elektrotehnikas oli induktsioonmasinate ilmumine, mis tegelikult olid kõrgepingetrafod.

Need olid kahe mähisega elektromagnetid. Esimeses mähises olev vool katkeb perioodiliselt ühel või teisel viisil, samas kui teises mähises ilmub indutseeritud vool (täpsemalt, Eneseinduktsiooni EMF). Esimestel "trafodel", mis leidsid praktilist kasutust, oli avatud ahelaga magnetsüsteem. Need kuuluvad 19. sajandi 70. ja 80. aastatesse ning nende välimus on seotud P. Yablochkovi, I. Usagini, L. Golyari, E. Gibbsi jt nimedega.

1837. aastal ilmusid induktsioonmasinad ehk "poolid", mille lõi prantsuse professor Antoine Masson. Need masinad töötasid kiire elektrikatkestusega. Kasutati käigukujulist lülitit, mis pöörlemise ajal puudutas kindlate ajavahemike järel metallharja. Voolu katkemine viis iseinduktsiooni EMF-ni ja masina väljundisse ilmusid piisavalt kõrge sagedusega kõrgepingeimpulsid. Masson kasutab seda masinat meditsiinilistel eesmärkidel.

Rumkorfi induktsioonmähis

1848. aastal märkas kuulus füüsiliste seadmete meister Heinrich Rumkorff (kellel oli Pariisis füüsikaliste katsete aparaatide valmistamise töökoda), et Massoni masina pinget saab oluliselt suurendada, kui mähis tehakse suure arvu pööretega ja katkestuste sagedus suureneb oluliselt.

1852. aastal konstrueeris ta kahe mähisega pooli: üks jämeda traadi ja vähese keerdude arvuga, teine ​​peenikese traadiga ja väga suure keerdude arvuga. Primaarmähise toiteallikaks on aku vibreeriva magnetlüliti kaudu, sekundaarmähises indutseeritakse kõrgepinge.See mähis sai tuntuks kui "induktsioon" ja sai nime selle looja Rumkorfi järgi.

See oli eksperimentide läbiviimiseks vajalik väga kasulik füüsiline seade, millest sai hiljem esimeste raadiosüsteemide ja röntgeniseadmete lahutamatu osa. Pariisi Teaduste Akadeemia hindas kõrgelt Rumkorffi teeneid ja määras talle Volta nimel suure rahalise preemia.

Veidi varem (aastal 1838) saavutas häid tulemusi Ameerika insener Charles Page, kes tegeles ka induktsioonpoolide täiustamisega — tema aparaadid andsid üsna kõrgeid pingeid, Euroopas aga ei teatud Page’i tööst midagi ja siin jätkus uurimistöö. iseseisev tee.

Rumkorfi rull (1960ndad)

Kui esimesed induktsioonpoolide mudelid andsid pinget, mis tekitas umbes 2 cm pikkuseid sädemeid, siis 1859. aastal sai L. Ritchie kuni 35 cm pikkuseid sädemeid ja Rumkorff ehitas peagi kuni 50 cm pikkuste sädemetega induktsioonpooli.

Rumkorfi induktsioonmähis on säilinud peaaegu ilma põhjapanevate muudatusteta. Muudetud on ainult poolide mõõdud, isolatsioon jms. Suurimad muudatused mõjutavad induktsioonpooli primaarahela kaitselülitite ehitust ja tööpõhimõtteid.

Rumkorfi mähised

Üks esimesi Rumkorfi mähistes kasutatud kaitselüliteid oli nn Wagneri haamer või Neffi haamer. See väga huvitav seade ilmus umbes 1840. aastatel. ja see oli elektromagnet, mida toidab aku liikuva kontaktidega ferromagnetilise laba kaudu.

Seadme sisselülitamisel tõmbas kroonleht elektromagneti südamiku külge, kontakt katkestas elektromagneti toiteahela, misjärel kroonleht liikus südamikust eemale oma algasendisse. Seejärel korratakse protsessi sagedusega, mis on määratud süsteemiosade suuruse, kroonlehe jäikuse ja massi ning mitmete muude teguritega.

Wagner-Nefi seadmest sai hiljem elektrikell ja see oli üks esimesi elektromehaanilisi võnkesüsteeme, millest sai paljude varajase raadiotehnika elektri- ja raadioseadmete prototüüp. Lisaks võimaldas see seade muuta akust tuleva alalisvoolu katkendvooluks.

Rumkorfi mähises kasutatavat Wagner-Neffi elektromehaanilist lülitit juhivad pooli enda magnetilised tõmbejõud. Ta oli temaga konstruktiivselt üks. Wagner-Neffi kaitselüliti puuduseks oli selle väike võimsus, st suutmatus katkestada suuri voolusid, kus kontaktid põlesid; pealegi ei suuda need kaitselülitid tagada kõrge sagedusega voolukatkestusi.

Muud tüüpi kaitselülitid on ette nähtud suurte voolude katkestamiseks võimsates Rumkorfi induktsioonmähistes. Need põhinevad erinevatel füüsikalistel põhimõtetel.

Ühe konstruktsiooni tööpõhimõte seisneb selles, et üsna jäme metallvarras liigub vertikaaltasandil edasi-tagasi, vajudes elavhõbeda tassi. Mehaaniline ajam muudab pöörleva liikumise (käsi- või kellamehhanismi või elektrimootoriga) lineaarseks edasi-tagasi liikumiseks, nii et katkestuste sagedus võib olla väga erinev.

Ühes sellise kaitselüliti varases konstruktsioonis, mille pakkus välja J. Foucault, viidi käivitamine läbi elektromagneti abil, nagu Wagner-Neffi haamri puhul, ja kõvad kontaktid asendati elavhõbedaga.

Kuni XIX sajandi lõpuni. levinumad on firmade «Dukret» ja «Mak-Kol» kujundused. Need kaitselülitid pakuvad katkestuskiirust 1000-2000 minutis ja neid saab käsitsi juhtida. Teisel juhul saab Rumkorfi mähisel üksikuid tühjendeid.

Teist tüüpi kaitselülitid töötavad joa põhimõttel ja mõnikord nimetatakse seda turbiiniks. Need kaitselülitid töötasid järgmiselt.

Väike kiire turbiin pumpab elavhõbedat reservuaarist turbiini tippu, kust elavhõbe väljub tsentrifugaaljõul läbi düüsi pöörleva joana. Katkestaja seintel paiknesid kindlate vahedega elektroodid, mida elavhõbedajuga selle liikumise ajal puudutas. Nii juhtus piisavalt tugevate voolude sulgumine ja avanemine.

Kasutati teist tüüpi lülitit - elektrolüütilist, mis põhines nähtusel, mille avastas vene professor N. P. Sluginov aastal 1884. Lüliti tööpõhimõte seisnes selles, et kui vool läbib väävelhappega elektrolüüti massiivse plii ja väävelhappe vahel. Plaatina (positiivse) elektroodi plaatina elektroodid, mis on õhuke klaasisolatsiooniga terava otsaga traat, tekkisid gaasimullid, mis takistasid perioodiliselt voolu liikumist ja vool katkes.

Elektrolüütilised kaitselülitid pakuvad katkestuskiirust kuni 500 - 800 sekundis. Vahelduvvoolu valdamine elektrotehnikas kahekümnenda sajandi alguses. tõi uusi võimalusi füüsika arsenali ja juba alustas raadioelektroonikat.

Rumkorfi poolide toiteks kasutati vahelduvvoolumasinaid vahelduv siinusvool, mis võimaldas seda laiemalt kasutada resonantsi nähtus sekundaarmähises ja hiljem kõrgsageduslike voolude allikatena, mida saab otse kiirguseks kasutada.

Tesla trafo

Üks esimesi teadlasi, kes olid huvitatud kõrgsageduslike kõrgepingevoolude omadustest, oli Nikola Tesla, kes andis väga tõsise panuse kogu elektrotehnika arengusse. Sellel andekal teadlasel ja leiutajal on palju praktilisi ja originaalseid uuendusi.

Pärast raadio leiutamist konstrueeris ta esmalt raadio teel juhitava laeva mudeli, töötas välja gaasilambid, konstrueeris induktsioonkõrgsagedusliku elektrimasina jne. Tema patentide arv ulatus 800-ni. Ameerika raadioinseneri Edwin Armstrongi sõnul , piisaks mitmefaasiliste voolude ja ainult ühest induktsioonmootorist avastamisest, et Tesla nimi igaveseks jäädvustada.

Nikola Tesla arendas aastaid ideed energia juhtmevabast ülekandest kaugelt maakera kui suure võnkeahela ergutamise meetodil. Ta köitis selle mõttega paljusid meeli, arendas kõrgsagedusliku elektromagnetilise energia allikaid ja selle emiteerijaid.

Erinevate elektrotehnika harude arengus väga olulist rolli mänginud Tesla seadme loomine, mida kutsuti "resonantstrafoks" või "Tesla trafoks", pärineb 1891. aastast.

Tesla resonantstrafo (1990ndad). Lülitusahel elektromagnetlainete generaatoris

Rumkorfi kõrgepinge induktsioonmähis tühjendatakse Leydeni purki. Viimane laetakse kõrgele pingele ja tühjendatakse seejärel resonantstrafo primaarmähise kaudu. Samal ajal tekib selle primaarmähisega resonantsi häälestatud sekundaarmähisel väga kõrge pinge. Tesla saab kõrgeid pingeid (umbes 100 kV) sagedusega umbes 150 kHz. Need pinged põhjustasid õhus läbimurde kuni mitme meetri pikkuse harjalahendusena.