Уређаји за пријем импулса наизменичне струје високог напона: Румкорфов калем и Теслин трансформатор

Технички уређаји за пријем високог напона

Почетком 19. века научници су почели да стварају уређаје за добијање високих напона наизменичне струје. Хајнрих Херц је у својим експериментима користио уређаје који су у то време већ били доступни у физичкој експерименталној науци и у електротехници.

То су били врло карактеристични уређаји у којима су коришћене појаве познате у физици, а пре свега самоиндукција — појава индуковане електромоторне силе у намотајима са гвозденим језгром у тренутку наглог повећања или брзог прекида проласка електричне струје. кроз петље.

Тридесетих година прошлог века. појавиле су се прве електричне машине, засноване на укрштању магнетних линија силе помоћу ротирајућих калемова. Прве такве машине (1832) били су генератори И. Пиксија, А. Једлика, Б. Јакобија, Д. Хенрија.

Веома важан догађај у физици и електротехници у настајању била је појава индукционих машина, које су заправо биле високонапонски трансформатори.

То су били електромагнети са два намотаја. Струја у првом калему се периодично прекида на овај или онај начин, док се у другом калему појављује индукована струја (тачније, ЕМФ самоиндукције). Први „трансформатори“ који су нашли практичну примену имали су магнетни систем отворене петље. Припадају 70-им и 80-им годинама 19. века, а њихов изглед везује се за имена П. Јаблочкова, И. Усагина, Л. Гољара, Е. Гибса и других.

Године 1837. појавиле су се индукционе машине или "калемови" које је створио француски професор Антоан Массон. Ове машине су радиле са брзим прекидом струје. Коришћен је прекидач у облику зупчаника, који је током ротације у редовним интервалима додиривао металну четку. Прекид струје довео је до ЕМФ самоиндукције, а на излазу машине су се појавили високонапонски импулси са довољно високом фреквенцијом. Массон користи ову машину у медицинске сврхе.

Румкорф индукциони калем

Године 1848. чувени мајстор физичких уређаја Хајнрих Румкорф (који је у Паризу имао радионицу за производњу апарата за физичке експерименте) приметио је да се напетост у Масоновој машини може значајно повећати ако се калем прави са великим бројем завоја и учесталост прекида значајно се повећава.

Године 1852. дизајнирао је калем са два намотаја: један са дебелом жицом и малим бројем завоја, други са танком жицом и веома великим бројем завоја. Примарни калем се напаја из батерије преко вибрационог магнетног прекидача, док се у секундарном индукује високи напон.Овај калем је постао познат као "индукција" и добио је име по свом творцу Румкорфу.

Био је то веома користан физички уређај потребан за извођење експеримената, а касније је постао саставни део првих радио система и рендгенских апарата. Париска академија наука је високо ценила Румкорфове заслуге и доделила му велику новчану награду у име Волте.

Нешто раније (1838. године) амерички инжењер Чарлс Пејџ, који се такође бавио побољшањем индукционих калемова, постигао је добре резултате — његови уређаји су давали прилично високе напоне. У Европи се, међутим, ништа није знало о Пејџовом раду и истраживања су се овде наставила на самосталан пут.

Румкорф колут (1960-е)

Ако су први модели индукционих калемова давали напон који је изазивао варнице дужине око 2 цм, онда је 1859. Л. Ричи добио варнице дужине до 35 цм и Румкорф је убрзо направио индукциони калем са варницама дужине до 50 цм.

Румкорф индукциони калем је преживео готово без суштинских промена. Промењене су само димензије калемова, изолације итд. Највеће промене утичу на конструкцију и принципе рада прекидача у примарном колу индукционог намотаја.

Румкорф калемови

Један од првих типова прекидача коришћених у Румкорф калемовима био је такозвани „Вагнеров чекић“ или „Нефф чекић“. Овај веома занимљив уређај појавио се око 1840-их. и био је електромагнет напајан из батерије преко покретног феромагнетног режња са контактима.

Када је уређај укључен, латица је привучена језгром електромагнета, контакт је прекинуо струјни круг електромагнета, након чега се латица удаљила од језгра у првобитни положај. Процес се затим понавља фреквенцијом одређеном величином делова система, крутошћу и масом латице и низом других фактора.

Вагнер-Неф уређај је касније постао електрично звоно и био је један од првих електромеханичких осцилујућих система који је постао прототип за многе електричне и радио уређаје ране радиотехнике. Поред тога, овај уређај је омогућио претварање једносмерне струје из батерије у испрекидану струју.

Вагнер-Нефф електромеханички прекидач који се користи у Румкорф завојници покреће се магнетним силама привлачења самог намотаја. Био је конструктивно једно са њом. Недостатак Вагнер-Неффовог прекидача била је његова мала снага, односно немогућност прекидања великих струја тамо где су контакти изгорели; штавише, ови прекидачи не могу да обезбеде високу фреквенцију струјног прекида.

Други типови прекидача су дизајнирани да прекидају велике струје у моћним Румкорф индукционим калемовима. Они се заснивају на различитим физичким принципима.

Принцип рада једног дизајна је да се метална шипка, прилично дебела, креће напред-назад у вертикалној равни, потапајући у шољу живе. Механички погон претвара ротационо кретање (ручним или сатом или електричним мотором) у линеарно повратно кретање, тако да учесталост прекида може увелико варирати.

У једном од раних дизајна таквог прекидача, који је предложио Ј. Фоуцаулт, активирање је вршено помоћу електромагнета, као код Вагнер-Нефф чекића, а тврди контакти су замењени живом.

Све до краја КСИКС века. најраспрострањенији су дизајни компанија «Дукрет» и «Мак-Кол». Ови прекидачи обезбеђују брзину прекида од 1000-2000 у минути и могу се руковати ручно. У другом случају, појединачна пражњења се могу добити на Румкорф калему.

Друга врста прекидача ради на принципу млаза и понекад се назива турбина. Ови прекидачи су радили на следећи начин.

Мала турбина велике брзине пумпа живу из резервоара до врха турбине, одакле се жива центрифугално избацује кроз млазницу у облику ротирајућег млаза. На зидовима разбијача налазиле су се у правилним размацима лоциране електроде које је током свог кретања додиривао млаз живе. Тако је дошло до затварања и отварања довољно јаких струјања.

Коришћен је још један тип прекидача - електролитички, заснован на феномену који је открио руски професор Н.П.Слугинов 1884. Принцип рада прекидача се састојао у томе да када струја прође кроз електролит са сумпорном киселином између масивног олова и платинасте електроде платинасте (позитивне) електроде, која је танка стаклом изолована жица са оштрим крајем, појавили су се мехурићи гаса који повремено спречавају проток струје, а струја је прекинута.

Електролитички прекидачи обезбеђују прекидне брзине до 500 - 800 у секунди. Овладавање наизменичним струјама у електротехници почетком ХХ века. увео нове могућности у арсенал физике и већ започету радио електронику.

За напајање Румкорфових калемова коришћене су машине наизменичне струје наизменична синусна струја, што је омогућило ширу употребу феномен резонанције у секундарном намотају, а касније и као извори високофреквентних струја које се могу директно користити за зрачење.

Тесла трансформатор

Један од првих научника заинтересованих за својства високофреквентних, високонапонских струја био је Никола Тесла, који је дао веома озбиљан допринос развоју целокупне електротехнике. Овај талентовани научник и проналазач има много практичних и оригиналних иновација.

Након проналаска радија, прво је дизајнирао модел радио-контролисаног брода, развио гасне лампе, дизајнирао индукциону високофреквентну електричну машину итд. Број његових патената достигао је 800. Према америчком радио-инжењеру Едвину Армстронгу , откриће вишефазних струја и само једног индукционог мотора било би сасвим довољно, да Теслино име заувек овековечи.

Никола Тесла је дуги низ година неговао идеју о бежичном преносу енергије на даљину методом узбуђивања земље као великог осцилационог кола. Он је овом мишљу заробио многе умове, развио изворе високофреквентне електромагнетне енергије и њене емитере.

Настанак Теслиног уређаја, који је имао веома важну улогу у развоју различитих грана електротехнике и назван „резонантни трансформатор” или „Тесла трансформатор”, датира из 1891. године.

Теслин резонантни трансформатор (1990-их). Преклопно коло у генератору електромагнетних таласа

Румкорфов високонапонски индукциони калем се испушта у Лејденску теглу. Потоњи се пуни до високог напона, а затим се празни кроз примарни намотај резонантног трансформатора. Истовремено, на његовом секундарном намотају, подешеном у резонанцији са примарним, јавља се веома висок напон. Тесла прима високе напоне (око 100 кВ) са фреквенцијом од око 150 кХз. Ови напони су изазвали продор у ваздух у виду пражњења четкице дужине до неколико метара.