Zařízení pro příjem vysokonapěťových impulzů střídavého proudu: Rumkorffova cívka a Teslův transformátor

Technická zařízení pro příjem vysokého napětí

Na začátku 19. století začali vědci vytvářet zařízení pro získávání vysokého napětí střídavého proudu. Heinrich Hertz při svých pokusech používal přístroje, které byly v té době již dostupné ve fyzikální experimentální vědě a v elektrotechnice.

Jednalo se o velmi charakteristická zařízení, ve kterých se využívalo jevů známých z fyziky, a především samoindukce — vzniku indukované elektromotorické síly v cívkách s železným jádrem v okamžiku prudkého nárůstu nebo rychlého přerušení procházejícího elektrického proudu. přes smyčky.

Ve třicátých letech 20. století. objevily se první elektrické stroje, založené na křížení magnetických siločar pomocí rotujících cívek. Prvními takovými stroji (1832) byly generátory I. Pixii, A. Jedlík, B. Jacobi, D. Henry.

Velmi důležitou událostí ve fyzice a nastupující elektrotechnice byl výskyt indukčních strojů, což byly vlastně vysokonapěťové transformátory.

Jednalo se o elektromagnety se dvěma cívkami. Proud v první cívce je periodicky přerušován tím či oním způsobem, zatímco ve druhé cívce se objevuje indukovaný proud (přesněji EMF samoindukce). První „transformátory“, které našly praktické využití, měly magnetický systém s otevřenou smyčkou. Patří do 70. a 80. let 19. století a jejich podoba je spojena se jmény P. Yablochkova, I. Usagina, L. Golyara, E. Gibbse a dalších.

V roce 1837 se objevily indukční stroje neboli „cívky“, které vytvořil francouzský profesor Antoine Masson. Tyto stroje fungovaly s rychlým výpadkem proudu. Byl použit spínač v podobě ozubeného kola, které se při otáčení v pravidelných intervalech dotýkalo kovového kartáče. Přerušení proudu vedlo k samoindukci EMF a na výstupu stroje se objevily vysokonapěťové impulsy s dostatečně vysokou frekvencí. Masson používá tento stroj pro lékařské účely.

Indukční cívka Rumkorf

V roce 1848 si slavný mistr fyzikálních zařízení Heinrich Rumkorff (který měl v Paříži dílnu na výrobu přístrojů pro fyzikální experimenty) všiml, že napětí v Massonově stroji lze výrazně zvýšit, pokud je cívka vyrobena s velkým počtem závitů a výrazně se zvyšuje četnost přerušení.

V roce 1852 navrhl cívku se dvěma cívkami: jedna se silným drátem a malým počtem závitů, druhá s tenkým drátem a velmi velkým počtem závitů. Primární cívka je napájena z baterie přes vibrační magnetický spínač, zatímco v sekundáru se indukuje vysoké napětí.Tato cívka se stala známou jako „indukce“ a byla pojmenována po svém tvůrci Rumkorfovi.

Bylo to velmi užitečné fyzikální zařízení potřebné k provádění experimentů a později se stalo nedílnou součástí prvních rádiových systémů a rentgenových přístrojů. Pařížská akademie věd vysoce ocenila Rumkorffovy zásluhy a udělila mu velkou peněžní cenu ve jménu Volty.

O něco dříve (v roce 1838) dosáhl dobrých výsledků americký inženýr Charles Page, který se také zabýval zdokonalováním indukčních cívek — jeho přístroje dávaly dosti vysoká napětí.V Evropě se však o Pageově práci nic nevědělo a výzkum zde pokračoval dále nezávislou cestu.

Naviják Rumkorf (60. léta)

Jestliže první modely indukčních cívek dávaly napětí způsobující jiskry dlouhé asi 2 cm, pak v roce 1859 získal L. Ritchie jiskry dlouhé až 35 cm a Rumkorff brzy postavil indukční cívku s jiskrami o délce až 50 cm.

Indukční cívka Rumkorf přežila téměř bez zásadních změn. Změnily se pouze rozměry cívek, izolace atd. Největší změny se dotýkají konstrukce a principů činnosti jističů v primárním okruhu indukční cívky.

Rumkorfovy cívky

Jedním z prvních typů jističů používaných v Rumkorfových cívkách bylo tzv. „Wagnerovo kladivo“ nebo „Neffovo kladivo“. Toto velmi zajímavé zařízení se objevilo kolem 40. let 19. století. a byl to elektromagnet napájený baterií přes pohyblivý feromagnetický lalok s kontakty.

Po zapnutí zařízení byl okvětní lístek přitahován k jádru elektromagnetu, kontakt přerušil napájecí obvod elektromagnetu, načež se okvětní lístek vzdálil od jádra do původní polohy. Proces se poté opakuje s frekvencí určenou velikostí částí systému, tuhostí a hmotností okvětního lístku a řadou dalších faktorů.

Zařízení Wagner-Nef se později stalo elektrickým zvonem a byl jedním z prvních elektromechanických oscilačních systémů, které se staly prototypem mnoha elektrických a rádiových zařízení raného radiotechniky. Toto zařízení navíc umožňovalo převádět stejnosměrný proud z baterie na proud přerušovaný.

Wagner-Neffův elektromechanický spínač použitý v Rumkorfově cívce je poháněn magnetickými přitažlivými silami samotné cívky. Byl s ní konstruktivně zajedno. Nevýhodou Wagner-Neffova jističe byl jeho malý výkon, tedy nemožnost přerušit velké proudy tam, kde došlo ke spálení kontaktů; navíc tyto jističe nemohou zajistit vysokou frekvenci přerušení proudu.

Jiné typy jističů jsou určeny k přerušení velkých proudů ve výkonných indukčních cívkách Rumkorf. Jsou založeny na různých fyzikálních principech.

Princip fungování jedné konstrukce spočívá v tom, že kovová tyč, poměrně tlustá, se pohybuje tam a zpět ve vertikální rovině a klesá do kelímku rtuti. Mechanický pohon převádí rotační pohyb (ručním nebo hodinovým strojem nebo elektromotorem) na lineární vratný pohyb, takže frekvence přerušení se může značně lišit.

V jednom z prvních návrhů takového jističe, navrženém J. Foucaultem, bylo ovládání prováděno pomocí elektromagnetu, jako u Wagner-Neffova kladívka, a tvrdé kontakty byly nahrazeny rtutí.

Až do konce XIX století. nejrozšířenější jsou návrhy firem «Dukret» a «Mak-Kol». Tyto kladiva poskytují rychlost vylamování 1000-2000 za minutu a lze je ovládat ručně. Ve druhém případě lze na Rumkorfově cívce získat jednotlivé výboje.

Jiný typ jističe pracuje na tryskovém principu a někdy se mu říká turbína. Tyto jističe fungovaly následovně.

Malá vysokorychlostní turbína čerpá rtuť ze zásobníku do horní části turbíny, odkud je rtuť odstředivě vyvrhována tryskou ve formě rotujícího paprsku. Na stěnách přerušovače byly v pravidelných rozestupech umístěny elektrody, kterých se proud rtuti při svém pohybu dotýkal. Tak došlo k uzavření a otevření dostatečně silných proudů.

Byl použit jiný typ spínače - elektrolytický, založený na jevu, který objevil ruský profesor N.P.Sluginov v roce 1884. Princip činnosti spínače spočíval v tom, že při průchodu proudu elektrolytem s kyselinou sírovou mezi masivním olovem a platinové elektrody platinové (kladné) elektrody, což je tenký skleněný izolovaný drát s ostrým koncem, se objevily bubliny plynu, které periodicky bránily toku proudu, a proud byl přerušen.

Elektrolytické jističe poskytují vypínací rychlosti až 500 - 800 za sekundu. Zvládnutí střídavých proudů v elektrotechnice na počátku 20. století. zavedl nové možnosti do arzenálu fyziky a již začal s radioelektronikou.

K napájení Rumkorfových cívek byly použity stroje na střídavý proud střídavý sinusový proud, což umožnilo jeho širší využití jev rezonance v sekundárním vinutí a později jako zdroje vysokofrekvenčních proudů, které lze přímo využít pro záření.

Tesla transformátor

Jedním z prvních vědců, kteří se zajímali o vlastnosti vysokofrekvenčních vysokonapěťových proudů, byl Nikola Tesla, který se velmi vážně zasloužil o rozvoj celé elektrotechniky. Tento talentovaný vědec a vynálezce má mnoho praktických a originálních inovací.

Po vynálezu rádia nejprve navrhl model rádiem řízené lodi, vyvinul plynové lampy, navrhl indukční vysokofrekvenční elektrický stroj atd. Počet jeho patentů dosáhl 800. Podle amerického radiotechnika Edwina Armstronga , objev vícefázových proudů a pouze jeden indukční motor by zcela stačil, aby bylo Teslovo jméno navždy zvěčněno.

Nikola Tesla po mnoho let živil myšlenku bezdrátového přenosu energie na dálku metodou buzení Země jako velkého oscilačního obvodu. Touto myšlenkou uchvátil mnoho myslí, vyvinul zdroje vysokofrekvenční elektromagnetické energie a její emitory.

Vznik Teslova zařízení, které sehrálo velmi důležitou roli ve vývoji různých odvětví elektrotechniky a bylo nazýváno „rezonanční transformátor“ nebo „Tesla transformátor“, se datuje do roku 1891.

Teslův rezonanční transformátor (90. léta). Spínací obvod v generátoru elektromagnetických vln

Rumkorfova vysokonapěťová indukční cívka je vybita do Leydenské nádoby. Ten je nabit na vysoké napětí a poté vybit přes primární vinutí rezonančního transformátoru. Na jeho sekundárním vinutí laděném v rezonanci s primárním přitom vzniká velmi vysoké napětí. Tesla přijímá vysoké napětí (asi 100 kV) s frekvencí asi 150 kHz. Tato napětí způsobila průlom ve vzduchu v podobě kartáčového výboje dlouhého až několik metrů.