Enheder til modtagelse af højspændingsvekselstrømsimpulser: Rumkorff-spole og Tesla-transformer

Teknisk udstyr til modtagelse af højspænding

I begyndelsen af ​​det 19. århundrede begyndte videnskabsmænd at skabe enheder til at opnå højspændinger af vekselstrøm. Heinrich Hertz brugte i sine eksperimenter de enheder, der allerede var tilgængelige på det tidspunkt i fysisk eksperimentel videnskab og i elektroteknik.

Disse var meget karakteristiske anordninger, hvor fænomener kendt i fysik blev brugt, og frem for alt selvinduktion - fremkomsten af ​​en induceret elektromotorisk kraft i spoler med en jernkerne i det øjeblik, hvor en kraftig stigning eller hurtig afbrydelse af den elektriske strøm passerer gennem løkkerne.

I 1930'erne. de første elektriske maskiner dukkede op, baseret på krydsningen af ​​magnetiske kraftlinjer ved hjælp af roterende spoler. De første sådanne maskiner (1832) var generatorerne af I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.

En meget vigtig begivenhed inden for fysik og spirende elektroteknik var udseendet af induktionsmaskiner, som faktisk var højspændingstransformatorer.

Det var elektromagneter med to spoler. Strømmen i den første spole afbrydes periodisk på den ene eller anden måde, mens en induceret strøm optræder i den anden spole (mere præcist, EMF af selvinduktion). De første "transformatorer", der fandt praktisk anvendelse, havde et åbent-sløjfe magnetisk system. De hører til 70'erne og 80'erne af det 19. århundrede, og deres udseende er forbundet med navnene på P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs og andre.

I 1837 dukkede induktionsmaskiner eller "spoler" op, skabt af den franske professor Antoine Masson. Disse maskiner fungerede med et hurtigt strømafbrydelse. Der blev brugt en kontakt i form af et tandhjul, som under rotation berørte metalbørsten med jævne mellemrum. Strømafbrydelsen førte til selvinduktion af EMF, og højspændingsimpulser med en tilstrækkelig høj frekvens optrådte ved maskinens udgang. Masson bruger denne maskine til medicinske formål.

Rumkorf induktionsspole

I 1848 bemærkede den berømte mester i fysiske anordninger Heinrich Rumkorff (som havde et værksted i Paris til fremstilling af apparater til fysiske eksperimenter), at spændingen i Massons maskine kunne øges betydeligt, hvis spolen blev lavet med et stort antal omdrejninger og hyppigheden af ​​afbrydelser stiger markant.

I 1852 tegnede han en spole med to spoler: den ene med tyk tråd og et lille antal vindinger, den anden med tynd tråd og et meget stort antal vindinger. Den primære spole er drevet af et batteri gennem en vibrerende magnetisk kontakt, mens en høj spænding induceres i den sekundære.Denne spole blev kendt som "induktion" og blev opkaldt efter dens skaber Rumkorf.

Det var en meget nyttig fysisk enhed, der var nødvendig for at udføre eksperimenter, og blev senere en integreret del af de første radiosystemer og røntgenmaskiner. Videnskabsakademiet i Paris satte stor pris på Rumkorffs fortjeneste og tildelte ham en stor pengepris i navnet Volta.

Lidt tidligere (i 1838) opnåede den amerikanske ingeniør Charles Page, som også var involveret i at forbedre induktionsspoler, gode resultater — hans apparater gav ret høje spændinger. I Europa vidste man dog intet om Pages arbejde og forskningen her fortsatte vedr. en selvstændig vej.

Rumkorf-hjul (1960'erne)

Hvis de første modeller af induktionsspoler gav en spænding, der forårsagede gnister på omkring 2 cm lange, så fik L. Ritchie i 1859 gnister på op til 35 cm lange, og Rumkorff byggede snart en induktionsspole med gnister på op til 50 cm.

Rumkorf induktionsspolen har overlevet næsten uden grundlæggende ændringer. Kun dimensioner på spoler, isolering osv. er ændret. De største ændringer påvirker konstruktionen og principperne for drift af afbryderne i induktionsspolens primære kredsløb.

Rumkorf spoler

En af de første typer afbrydere, der blev brugt i Rumkorf-spoler, var den såkaldte "Wagner-hammer" eller "Neff-hammer". Denne meget interessante enhed dukkede op omkring 1840'erne. og var en elektromagnet drevet af et batteri via en bevægelig ferromagnetisk lap med kontakter.

Når enheden blev tændt, blev kronbladet tiltrukket af elektromagnetens kerne, kontakten afbrød elektromagnetens forsyningskredsløb, hvorefter kronbladet bevægede sig væk fra kernen til sin oprindelige position. Processen gentages derefter med en frekvens, der bestemmes af størrelsen af ​​systemdelene, kronbladets stivhed og masse og en række andre faktorer.

Wagner-Nef-enheden blev senere den elektriske klokke og var et af de første elektromekaniske oscillerende systemer, der blev prototypen for mange elektriske og radioenheder fra tidlig radioteknik. Derudover gjorde denne enhed det muligt at konvertere jævnstrøm fra batteriet til intermitterende strøm.

Wagner-Neff elektromekaniske kontakt, der bruges i Rumkorf-spolen, drives af de magnetiske tiltrækningskræfter fra selve spolen. Han var konstruktivt ét med hende. Ulempen ved Wagner-Neff-afbryderen var dens lave effekt, det vil sige manglende evne til at afbryde store strømme, hvor kontakterne blev brændt; desuden kan disse afbrydere ikke give en høj frekvens af strømafbrydelser.

Andre typer afbrydere er designet til at afbryde store strømme i kraftige Rumkorf-induktionsspoler. De er baseret på forskellige fysiske principper.

Funktionsprincippet for et design er, at en metalstang, ret tyk, bevæger sig frem og tilbage i et lodret plan og synker ned i en kop kviksølv. Et mekanisk drev konverterer roterende bevægelse (med hånden eller urværk eller elektrisk motor) til lineær frem- og tilbagegående bevægelse, så hyppigheden af ​​afbrydelser kan variere meget.

I et af de tidlige designs af en sådan afbryder, foreslået af J. Foucault, blev aktiveringen udført ved hjælp af en elektromagnet, som i Wagner-Neff-hammeren, og de hårde kontakter blev erstattet af kviksølv.

Indtil slutningen af ​​det XIX århundrede. de mest udbredte er design af virksomhederne «Dukret» og «Mak-Kol». Disse afbrydere giver en brydehastighed på 1000-2000 i minuttet og kan betjenes manuelt. I det andet tilfælde kan enkelte udledninger opnås på Rumkorf-spolen.

En anden type afbryder fungerer efter jetprincippet og kaldes nogle gange en turbine. Disse afbrydere fungerede som følger.

En lille højhastighedsturbine pumper kviksølv fra et reservoir til toppen af ​​turbinen, hvorfra kviksølvet udstødes centrifugalt gennem en dyse i form af en roterende stråle. På afbryderens vægge var der elektroder placeret med jævne mellemrum, som blev berørt af kviksølvstrålen under dens bevægelse. Sådan skete lukningen og åbningen af ​​tilstrækkeligt stærke strømme.

En anden type afbryder blev brugt - elektrolytisk, baseret på et fænomen opdaget af den russiske professor N.P. Sluginov i 1884. Funktionsprincippet for kontakten bestod i det faktum, at når en strøm passerer gennem en elektrolyt med svovlsyre mellem det massive bly og platinelektroder af platinelektroden (positiv), som er en tynd glasisoleret ledning med en skarp ende, opstod gasbobler, der periodisk forhindrede strømmen, og strømmen blev afbrudt.

Elektrolytiske afbrydere giver brydehastigheder på op til 500 - 800 i sekundet. Mestring af vekselstrømme i elektroteknik i begyndelsen af ​​det tyvende århundrede. introducerede nye muligheder i fysikkens arsenal og startede allerede radioelektronik.

Vekselstrømsmaskiner blev brugt til at drive Rumkorf-spoler sinusformet vekselstrøm, hvilket gjorde det muligt at bruge det bredere resonans fænomen i sekundærviklingen, og senere som kilder til højfrekvente strømme, der direkte kan bruges til stråling.

Tesla transformer

En af de første videnskabsmænd, der interesserede sig for egenskaberne ved højfrekvente højspændingsstrømme var Nikola Tesla, som ydede et meget seriøst bidrag til udviklingen af ​​al elektroteknik. Denne talentfulde videnskabsmand og opfinder har mange praktiske og originale innovationer.

Efter opfindelsen af ​​radioen designede han først en model af et radiostyret skib, udviklede gaslamper, designede en induktions højfrekvent elektrisk maskine osv. Antallet af hans patenter nåede op på 800. Ifølge den amerikanske radioingeniør Edwin Armstrong , opdagelsen af ​​flerfasestrømme og kun én induktionsmotor ville være ganske nok til at udødeliggøre Teslas navn for altid.

I mange år nærede Nikola Tesla ideen om trådløs transmission af energi på afstand ved hjælp af metoden til at ophidse jorden som et stort oscillerende kredsløb. Han fangede mange sind med denne tanke, udviklede kilder til højfrekvent elektromagnetisk energi og dens udsender.

Oprettelsen af ​​Teslas enhed, som spillede en meget vigtig rolle i udviklingen af ​​forskellige grene af elektroteknik og blev kaldt "resonanstransformatoren" eller "Tesla-transformatoren", går tilbage til 1891.

Teslas resonanstransformator (1990'erne). Skiftekredsløb i generatoren af ​​elektromagnetiske bølger

Rumkorfs højspændingsinduktionsspole aflades i Leyden-krukken. Sidstnævnte oplades til højspænding og aflades derefter gennem resonanstransformatorens primærvikling. Samtidig opstår der en meget høj spænding på dens sekundære vikling afstemt i resonans med den primære. Tesla modtager højspændinger (ca. 100 kV) med en frekvens på omkring 150 kHz. Disse spændinger forårsagede et gennembrud i luften i form af en børsteudladning på op til flere meter lang.