Apparaten voor het ontvangen van hoogspanningswisselstroompulsen: Rumkorff-spoel en Tesla-transformator

Technische apparaten voor het ontvangen van hoogspanning

Aan het begin van de 19e eeuw begonnen wetenschappers apparaten te maken voor het verkrijgen van hoge spanningen van wisselstroom. Heinrich Hertz gebruikte bij zijn experimenten de apparaten die toen al beschikbaar waren in de natuurkundige experimentele wetenschap en in de elektrotechniek.

Dit waren zeer karakteristieke apparaten waarin fenomenen werden gebruikt die bekend zijn in de natuurkunde, en vooral zelfinductie - het verschijnen van een geïnduceerde elektromotorische kracht in spoelen met een ijzeren kern op het moment van een sterke toename of snelle onderbreking van de elektrische stroom die passeert. door de lussen.

In de jaren dertig. de eerste elektrische machines verschenen, gebaseerd op het kruisen van magnetische krachtlijnen door middel van roterende spoelen. De eerste dergelijke machines (1832) waren de generatoren van I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.

Een zeer belangrijke gebeurtenis in de natuurkunde en de opkomende elektrotechniek was het verschijnen van inductiemachines, die eigenlijk hoogspanningstransformatoren waren.

Dit waren elektromagneten met twee spoelen. De stroom in de eerste spoel wordt op de een of andere manier periodiek onderbroken, terwijl in de tweede spoel een geïnduceerde stroom verschijnt (preciezer gezegd: EMF van zelfinductie). De eerste "transformatoren" die praktisch werden gebruikt, hadden een magnetisch systeem met open lus. Ze behoren tot de jaren 70 en 80 van de 19e eeuw en hun uiterlijk wordt geassocieerd met de namen van P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs en anderen.

In 1837 verschenen inductiemachines of "spoelen", gemaakt door de Franse professor Antoine Masson. Deze machines werkten met een snelle stroomonderbreking. Er werd gebruik gemaakt van een schakelaar in de vorm van een tandwiel, die tijdens het draaien met regelmatige tussenpozen de metalen borstel raakte. De onderbreking van de stroom leidde tot zelfinductie EMF en hoogspanningspulsen met een voldoende hoge frequentie verschenen aan de uitgang van de machine. Masson gebruikt deze machine voor medische doeleinden.

Rumkorf inductie spoel

In 1848 merkte de beroemde meester van fysieke apparaten Heinrich Rumkorff (die een werkplaats had in Parijs voor de fabricage van apparaten voor fysieke experimenten) op dat de spanning in de machine van Masson aanzienlijk kon worden verhoogd als de spoel werd gemaakt met een groot aantal windingen en de frequentie van onderbrekingen neemt aanzienlijk toe.

In 1852 ontwierp hij een spoel met twee spoelen: één met dikke draad en een klein aantal windingen, de andere met dunne draad en heel veel windingen. De primaire spoel wordt gevoed door een batterij via een trillende magnetische schakelaar, terwijl in de secundaire spoel een hoge spanning wordt geïnduceerd.Deze spoel werd bekend als "inductie" en is vernoemd naar de maker Rumkorf.

Het was een zeer nuttig fysiek apparaat dat nodig was om experimenten uit te voeren, en werd later een integraal onderdeel van de eerste radiosystemen en röntgenapparatuur. De Parijse Academie van Wetenschappen waardeerde Rumkorffs verdienste zeer en kende hem namens Volta een grote geldprijs toe.

Iets eerder (in 1838) behaalde de Amerikaanse ingenieur Charles Page, die ook betrokken was bij het verbeteren van inductiespoelen, goede resultaten - zijn apparaten gaven behoorlijk hoge spanningen. In Europa was echter niets bekend over het werk van Page en het onderzoek hier ging door een onafhankelijk pad.

Rumkorf haspel (jaren 60)

Als de eerste modellen inductiespoelen een spanning gaven die vonken veroorzaakte van ongeveer 2 cm lang, dan kreeg L. Ritchie in 1859 vonken tot 35 cm lang en bouwde Rumkorff al snel een inductiespoel met vonken tot 50 cm lang.

De inductiespoel van Rumkorf is vrijwel zonder fundamentele veranderingen bewaard gebleven. Alleen de afmetingen van de spoelen, isolatie etc. zijn gewijzigd. De grootste veranderingen hebben betrekking op de constructie en werkingsprincipes van de stroomonderbrekers in het primaire circuit van de inductiespoel.

Rumkorf spoelen

Een van de eerste soorten stroomonderbrekers die in Rumkorf-spoelen werden gebruikt, was de zogenaamde "Wagner-hamer" of "Neff-hamer". Dit zeer interessante apparaat verscheen rond 1840. en was een elektromagneet aangedreven door een batterij via een beweegbare ferromagnetische lob met contacten.

Toen het apparaat werd ingeschakeld, werd het bloemblad aangetrokken door de kern van de elektromagneet, het contact onderbrak het voedingscircuit van de elektromagneet, waarna het bloemblad van de kern wegbewoog naar zijn oorspronkelijke positie. Het proces wordt vervolgens herhaald met een frequentie die wordt bepaald door de grootte van de systeemonderdelen, de stijfheid en massa van het bloemblad en een aantal andere factoren.

Het Wagner-Nef-apparaat werd later de elektrische bel en was een van de eerste elektromechanische oscillerende systemen die het prototype werd voor veel elektrische en radio-apparaten van vroege radiotechniek. Bovendien maakte dit apparaat het mogelijk om gelijkstroom van de accu om te zetten in intermitterende stroom.

De elektromechanische Wagner-Neff-schakelaar die in de Rumkorf-spoel wordt gebruikt, wordt aangedreven door de magnetische aantrekkingskracht van de spoel zelf. Hij was constructief één met haar. Het nadeel van de Wagner-Neff-stroomonderbreker was het lage vermogen, dat wil zeggen het onvermogen om grote stromen te onderbreken waar de contacten waren verbrand; bovendien kunnen deze stroomonderbrekers geen stroomonderbreking met een hoge frequentie leveren.

Andere soorten stroomonderbrekers zijn ontworpen om grote stromen in krachtige Rumkorf-inductiespoelen te onderbreken. Ze zijn gebaseerd op verschillende natuurkundige principes.

Het werkingsprincipe van één ontwerp is dat een metalen staaf, vrij dik, heen en weer beweegt in een verticaal vlak en zinkt in een kopje kwik. Een mechanische aandrijving zet roterende beweging (met de hand of uurwerk of elektromotor) om in lineaire heen en weer gaande beweging, zodat de frequentie van onderbrekingen sterk kan variëren.

In een van de vroege ontwerpen van een dergelijke breker, voorgesteld door J. Foucault, werd de aandrijving uitgevoerd door middel van een elektromagneet, zoals bij de Wagner-Neff-hamer, en werden de harde contacten vervangen door kwik.

Tot het einde van de 19e eeuw. de meest voorkomende zijn de ontwerpen van de bedrijven "Dukret" en "Mak-Kol". Deze brekers bieden een breeksnelheid van 1000-2000 per minuut en kunnen handmatig worden bediend. In het tweede geval kunnen enkelvoudige ontladingen verkregen worden op de Rumkorf-spoel.

Een ander type breker werkt volgens het jet-principe en wordt ook wel een turbine genoemd. Deze stroomonderbrekers werkten als volgt.

Een kleine hogesnelheidsturbine pompt kwik uit een reservoir naar de bovenkant van de turbine, vanwaar het kwik centrifugaal wordt uitgeworpen door een mondstuk in de vorm van een roterende straal. Op de wanden van de breker bevonden zich op regelmatige afstanden elektroden, die tijdens zijn beweging door de kwikstraal werden aangeraakt. Dit is hoe het sluiten en openen van voldoende sterke stromingen gebeurde.

Er werd een ander type schakelaar gebruikt - elektrolytisch, gebaseerd op een fenomeen ontdekt door de Russische professor N.P. Sluginov in 1884. Het werkingsprincipe van de schakelaar bestond erin dat wanneer een stroom door een elektrolyt met zwavelzuur gaat tussen het massieve lood en platina-elektroden van de platina (positieve) elektrode, een dunne met glas geïsoleerde draad met een scherp uiteinde, verschenen gasbellen, die periodiek de stroomstroom verhinderden, en de stroom werd onderbroken.

Elektrolytische stroomonderbrekers bieden uitschakelsnelheden tot 500 - 800 per seconde. Wisselstromen beheersen in de elektrotechniek aan het begin van de twintigste eeuw. introduceerde nieuwe mogelijkheden in het arsenaal van de fysica en begon al met radio-elektronica.

Wisselstroommachines werden gebruikt om Rumkorf-spoelen van stroom te voorzien wisselende sinusvormige stroom, waardoor het op grotere schaal kon worden gebruikt resonantie fenomeen in de secundaire wikkeling, en later als bronnen van hoogfrequente stromen die direct kunnen worden gebruikt voor straling.

Tesla transformator

Een van de eerste wetenschappers die geïnteresseerd was in de eigenschappen van hoogfrequente, hoogspanningsstromen was Nikola Tesla, die een zeer serieuze bijdrage heeft geleverd aan de ontwikkeling van alle elektrotechniek. Deze getalenteerde wetenschapper en uitvinder heeft veel praktische en originele innovaties.

Na de uitvinding van de radio ontwierp hij eerst een model van een radiografisch bestuurbaar schip, ontwikkelde gaslampen, ontwierp een inductie hoogfrequente elektrische machine, enz. Het aantal van zijn patenten liep op tot 800. Volgens de Amerikaanse radio-ingenieur Edwin Armstrong , zou de ontdekking van meerfasige stromen en slechts één inductiemotor voldoende zijn om de naam van Tesla voor altijd te vereeuwigen.

Nikola Tesla koesterde jarenlang het idee van draadloze overdracht van energie op afstand door de aarde op te wekken als een groot oscillerend circuit. Hij betoverde vele geesten met deze gedachte, ontwikkelde bronnen van hoogfrequente elektromagnetische energie en de zenders ervan.

De creatie van het apparaat van Tesla, dat een zeer belangrijke rol speelde in de ontwikkeling van verschillende takken van elektrotechniek en de "resonante transformator" of "Tesla-transformator" werd genoemd, dateert uit 1891.

Tesla's resonerende transformator (jaren 90). Schakelcircuit in de generator van elektromagnetische golven

De hoogspanningsinductiespoel van Rumkorf wordt ontladen in de Leidse pot. Deze laatste wordt opgeladen tot een hoge spanning en vervolgens ontladen via de primaire wikkeling van de resonantietransformator. Tegelijkertijd ontstaat er een zeer hoge spanning op de secundaire wikkeling die is afgestemd in resonantie met de primaire. Tesla ontvangt hoge spanningen (ongeveer 100 kV) met een frequentie van ongeveer 150 kHz. Deze spanningen zorgden voor een doorbraak in de lucht in de vorm van een meterslange borstelontlading.