Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   Искать в Школе для электрика:
 
 

 

Справочник электрика / Полезная информация

 

Устройства для получения импульсов высоких напряжений переменного тока: катушка Румкорфа и трансформатор Тесла




Технические устройства для получения высоких напряжений

В начале XIX века ученые начали создавать приборы для получения высоких напряжений переменного тока. Генрих Герц  в своих экспериментах пользовался приборами, уже имевшимися к тому времени в физической экспериментальной науке и в электротехнике.

Это были весьма характерные приборы, в которых использовались известные в физике явления, и прежде всего самоиндукция — возникновение в катушках с железным сердечником наведенной электродвижущей силы в момент резкого нарастания или быстрого разрывания протекающего по виткам электрического тока.

В 30-х годах XIX в. появились первые электрические машины, основанные на пересечении магнитных силовых линий вращающимися витками обмотки. Первыми такими машинами (1832 г.) были генераторы И. Пиксии, А. Йедлика, Б. Якоби, Д. Генри.

Получение импульсов высоких напряжений

Очень важным событием в физике и зарождающейся электротехнике было появление индукционных машин, которые, по сути дела, являлись трансформаторами высокого напряжения.

Это были электромагниты с двумя обмотками. Ток в первой обмотке прерывался периодически тем или иным способом, при этом во второй обмотке возникал индуцированный ток (точнее, ЭДС самодиндукции). Первые "трансформаторы", нашедшие практическое применение, имели разомкнутую магнитную систему. Они относятся к 70 - 80?-м годам XIX в., и их появление связано с именем П. Яблочкова, И. Усагина, Л. Голяра, Э. Гиббса и др.

В 1837 г. появляются индукционные машины, или "катушки", созданные французским профессором Антуаном Массоном. Эти машины работали с быстрым прерыванием тока. Использовался прерыватель в форме зубчатого колеса, которое во время вращения касалось через равные интервалы металлической щетки. Прерывание тока порождало ЭДС самоиндукции, и на выходе машины появлялись импульсы высокого напряжения и достаточно большой частоты. Эту машину Массон применял для медицинских целей.

Индукционная катушка Румкорфа

В 1848 г. известный мастер физических приборов Генрих Румкорф (имевший в Париже мастерскую по производству аппаратов для физических опытов) заметил, что напряжение в машине Массона можно значительно увеличить, если обмотку сделать с большим количеством витков и сильно увеличить частоту прерываний.

В 1852 г. он сконструировал катушку с двумя обмотками: одна — с толстым проводом и небольшим числом витков, вторая — с тонким проводом и очень большим числом витков. Первичная обмотка питалась от батареи через прерыватель вибрационного магнитного типа, при этом во вторичной наводилось напряжение большой величины. Такая катушка стала называться "индукционной" и получила имя ее создателя Румкорфа.

Индукционная катушка Румкорфа

Это был весьма полезный физический прибор, необходимый при проведении опытов, а впоследствии ставший неотъемлемой частью первых радиосистем и рентгеновских аппаратов. Парижская академия наук высоко оценила заслугу Румкорфа и наградила его большой денежной премией имени Вольта.

Несколько раньше (в 1838 г.) американский инженер Чарльз Пейдж, также занимавшийся совершенствованием индукционных катушек, добился хороших результатов — его устройства давали достаточно высокие напряжения. Однако в Европе о работах Пейджа ничего не было известно, и исследования здесь шли самостоятельным путем.

Катушка Румкорфа  в 60-е годы XIX в.

Катушка Румкорфа (60-е годы XIX в.)

Если первые модели индукционных катушек давали напряжение, вызывавшее искры длиной около 2 см, то в 1859 г. Л. Ритчи получал искры длиной до 35 см, а Румкорф вскоре построил индукционную катушку с длиной искр до 50 см.

Индукционная катушка Румкорфа почти без каких-либо принципиальных изменений дошла до наших дней. Изменялись лишь размеры катушек, изоляция и т. д. Наибольшие изменения коснулись конструкции и принципов действия прерывателей тока в первичной цепи индукционной катушки.

Прерыватели катушки Румкорфа

Одним из первых типов прерывателей, использованных в катушках Румкорфа, был так называемый "молоточек Вагнера", или "молоточек Нефа". Этот весьма интересный прибор появился приблизительно в 40-х годах XIX в. и представлял собой электромагнит, питаемый от батареи через подвижный ферромагнитный лепесток с контактами.

При включении прибора лепесток притягивался к сердечнику электромагнита, контакт разрывал цепь питания электромагнита, после чего лепесток отходил от сердечника в первоначальное положение. Далее процесс повторялся с частотой, определяемой размерами деталей системы, жесткостью и массой лепестка и рядом других факторов.

Прибор Вагнера-Нефа впоследствии превратился в электрический звонок и представлял собой одну из первых электромеханических колебательных систем, ставшую прообразом многих электро- и радиоприборов ранней радиотехники. Кроме того, этот прибор позволял преобразовывать постоянный ток от батареи в прерывистый ток.

Примененный в катушке Румкорфа электромеханический прерыватель Вагнера-Нефа приводился в действие магнитными силами притяжения сердечника самой катушки. Он составлял с ней конструктивно одно целое. Недостатком прерывателя Вагнера-Нефа была его маломощность, т. е. неспособность прерывать большие токи, при которых контакты обгорали; кроме того, эти прерыватели не могли обеспечить высокую частоту прерывания тока.

Прерыватели катушки Румкорфа

Для разрыва больших токов в мощных индукционных катушках Румкорфа были сконструированы прерыватели иных типов. Они были основаны на разных физических принципах.

Принцип действия одной конструкции состоял в том, что металлический, достаточно толстый стержень перемещался возвратно-поступательно в вертикальной плоскости, погружаясь в чашку со ртутью. Механический привод преобразовывал вращательное движение (от руки или посредством часового механизма или электромотора) в линейное возвратно-поступательное, поэтому частота прерываний могла изменяться в широких пределах.

В одной из ранних конструкций такого прерывателя, предложенной Ж. Фуко, привод осуществлялся с помощью электромагнита, как в молоточке Вагнера-Нефа, а твердые контакты были заменены ртутными.

К концу XIX в. наибольшее распространение получили конструкции фирм "Дюкрете" и "Мак-Коль". Эти прерыватели обеспечивали частоту прерываний порядка 1000-2000 в минуту и допускали приведение их в действие вручную. В последнем случае можно было получить однократные разряды катушки Румкорфа.

Другой тип прерывателей работал по струйному принципу и назывался иногда турбинным. Эти прерыватели действовали следующим образом.

Небольшая высокооборотная турбинка накачивала ртуть из резервуара в верхнюю часть турбины, откуда ртуть под действием центробежной силы выбрасывалась через сопло в виде вращающейся струи. На стенках прерывателя имелись электроды, расположенные через равные интервалы, которые задевала ртутная струя при ее движении. Так происходили замыкание и размыкание достаточно сильных токов.

Нашел применение и еще один тип прерывателей — электролитический, основанный на явлении, открытом русским профессором Н. П. Слугиновым в 1884 г. Принцип действия прерывателя состоял в том, что при пропускании тока через сернокислый электролит между свинцовым массивным и платиновым электродами на платиновом (положительном) электроде, который представлял собой тонкую изолированную стеклом про­ волоку с острым концом, возникали пузырьки газа, периодически препятствующие протеканию тока, и ток прерывался.

Электролитический прерыватель

Электролитические прерыватели давали частоту прерываний до 500 - 800 в секунду. Освоение переменных токов в электротехнике в начале XX в. ввело в арсенал физики и уже зародившейся радиоэлектроники новые возможности.

Машины переменного тока стали применяться для питания катушек Румкорфа переменным синусоидальным током, что позволяло более широко использовать явление резонанса во вторичной обмотке, а в дальнейшем и в качестве источников токов высокой частоты, которые можно было непосредственно использовать для излучения.

Трансформатор Тесла

Одним из первых ученых, заинтересовавшихся свойствами токов высокой частоты и высокого напряжения, был Никола Тесла, внесший очень серьезный вклад в развитие всей электротехнической науки. Этому талантливому ученому и изобретателю принадлежит множество практически полезных и оригинальных нововведений.

После изобретения радио он первый сконструировал модель управляемого по радио судна, разработал газосветные лампы, сконструировал индукторную высокочастотную электрическую машину и др. Количество его патентов достигает 800. По словам американского радиотехника Эдвина Армстронга, одного только открытия многофазных токов и индукторного двигателя было бы вполне достаточно, чтобы навеки обессмертить имя Теслы.

Демонстрация опытов Теслы

Никола Тесла много лет вынашивал идею беспроводной передачи энергии на расстояние методом возбуждения Земли как большого колебательного контура. Он увлек этой мыслью многие умы, разработал источники высокочастотной электромагнитной энергии и ее излучатели.

Создание Теслой прибора, сыгравшего очень большую роль в развитии самых различных отраслей электротехники и получившего название "резонанс-трансформатор", или "трансформатор Теслы", относится к 1891 г.

Резонанс-трансформатор Теслы

 

Резонанс-трансформатор Теслы (90-е годы XIX в.). Схема включения в генераторе электромагнитных волн

Резонанс-трансформатор Николы Тесла

От высоковольтной индукционной катушки Румкорфа происходит разряд на лейденскую банку. Последняя заряжается до высокого напряжения и затем разряжается через первичную обмотку резонанс-трансформатора. При этом на его вторичной обмотке, настроенной в резонанс с первичной, возникает очень высокое напряжение. Тесла получал высокие напряжения (около 100 кВ) с частотой около 150 кГц. Эти напряжения вызывали пробой в воздухе в форме кистевого разряда длиной до нескольких метров.