Yüksek voltajlı alternatif akım darbelerini alan cihazlar: Rumkorff bobini ve Tesla trafosu

Yüksek voltaj almak için teknik cihazlar

19. yüzyılın başında, bilim adamları yüksek voltajlı alternatif akım elde etmek için cihazlar yaratmaya başladılar. Heinrich Hertz, deneylerinde o zamanlar fiziksel deney biliminde ve elektrik mühendisliğinde zaten mevcut olan cihazları kullandı.

Bunlar, fizikte bilinen fenomenlerin kullanıldığı çok karakteristik cihazlardı ve her şeyden önce kendi kendine indüksiyon - elektrik akımının keskin bir şekilde artması veya hızlı bir şekilde kesilmesi anında demir çekirdekli bobinlerde indüklenen bir elektromotor kuvvetinin ortaya çıkması. döngüler aracılığıyla.

1930'larda. Dönen bobinler aracılığıyla manyetik kuvvet çizgilerinin kesişmesine dayanan ilk elektrikli makineler ortaya çıktı. Bu tür ilk makineler (1832) I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry'nin jeneratörleriydi.

Fizikte ve gelişmekte olan elektrik mühendisliğinde çok önemli bir olay, aslında yüksek voltaj transformatörleri olan endüksiyon makinelerinin ortaya çıkmasıydı.

Bunlar iki bobinli elektromıknatıslardı. Birinci bobindeki akım şu ya da bu şekilde periyodik olarak kesilirken, ikinci bobinde bir indüklenen akım belirir (daha doğrusu, kendi kendine indüksiyonun EMF'si). Pratik kullanım bulan ilk "transformatörler", açık döngülü bir manyetik sisteme sahipti. 19. yüzyılın 70'lerine ve 80'lerine aittirler ve görünüşleri P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs ve diğerlerinin isimleriyle ilişkilendirilir.

1837'de Fransız profesör Antoine Masson tarafından yaratılan endüksiyon makineleri veya "bobinler" ortaya çıktı. Bu makineler hızlı bir elektrik kesintisi ile çalıştı. Dönme sırasında metal fırçaya düzenli aralıklarla temas eden dişli şeklinde bir anahtar kullanılmıştır. Akımın kesilmesi, kendi kendine indüksiyon EMF'ye yol açtı ve makinenin çıkışında yeterince yüksek frekansa sahip yüksek voltaj darbeleri belirdi. Masson bu makineyi kullanıyor tıbbi amaçlar için.

Rumkorf indüksiyon bobini

1848'de, ünlü fiziksel cihaz ustası Heinrich Rumkorff (Paris'te fiziksel deneyler için aparat üretimi için bir atölyesi vardı), bobin çok sayıda dönüşle yapılırsa Masson'un makinesindeki gerginliğin önemli ölçüde artırılabileceğini fark etti ve kesintilerin sıklığı önemli ölçüde artar.

1852'de iki bobinli bir bobin tasarladı: biri kalın telli ve az sayıda sarımlı, diğeri ince telli ve çok sayıda sarımlı. Birincil bobin, titreşimli bir manyetik anahtar aracılığıyla bir batarya ile çalıştırılırken, ikincilde yüksek bir voltaj indüklenir.Bu bobin "indüksiyon" olarak bilinmeye başlandı ve yaratıcısı Rumkorf'un adını aldı.

Deney yapmak için gerekli olan çok kullanışlı bir fiziksel cihazdı ve daha sonra ilk radyo sistemlerinin ve X-ışını makinelerinin ayrılmaz bir parçası oldu. Paris Bilimler Akademisi, Rumkorff'un değerini çok takdir etti ve ona Volta adına büyük bir parasal ödül verdi.

Kısa bir süre önce (1838'de), indüksiyon bobinlerinin geliştirilmesiyle de uğraşan Amerikalı mühendis Charles Page iyi sonuçlar elde etti - cihazları oldukça yüksek voltajlar veriyordu, ancak Avrupa'da Page'in çalışmaları hakkında hiçbir şey bilinmiyordu ve buradaki araştırmaları devam etti. bağımsız bir yol.

Rumkorf makarası (1960'lar)

Endüksiyon bobinlerinin ilk modelleri yaklaşık 2 cm uzunluğunda kıvılcımlara neden olan bir voltaj verdiyse, o zaman 1859'da L. Ritchie 35 cm uzunluğa kadar kıvılcımlar elde etti ve Rumkorff kısa süre sonra 50 cm uzunluğa kadar kıvılcımlara sahip bir endüksiyon bobini yaptı.

Rumkorf indüksiyon bobini, neredeyse temel değişiklikler olmadan hayatta kaldı. Sadece bobinlerin boyutları, izolasyon vb. değiştirilmiştir. En büyük değişiklikler, endüksiyon bobininin birincil devresindeki devre kesicilerin yapısını ve çalışma ilkelerini etkiler.

Rumkorf bobinleri

Rumkorf bobinlerinde kullanılan ilk devre kesici tiplerinden biri "Wagner çekici" veya "Neff çekici" idi. Bu çok ilginç cihaz 1840'larda ortaya çıktı. ve kontakları olan hareketli bir ferromanyetik lob yoluyla bir pille çalışan bir elektromıknatıstı.

Cihaz açıldığında, taç yaprağı elektromıknatısın çekirdeğine çekildi, kontak elektromıknatısın besleme devresini kesti, ardından taç yaprağı çekirdekten orijinal konumuna uzaklaştı. İşlem daha sonra sistem parçalarının boyutu, taç yaprağın sertliği ve kütlesi ve bir dizi başka faktör tarafından belirlenen bir sıklıkta tekrarlanır.

Wagner-Nef cihazı daha sonra elektrikli zil haline geldi ve erken radyo mühendisliğinin birçok elektrikli ve radyo cihazının prototipi haline gelen ilk elektromekanik salınımlı sistemlerden biriydi. Ayrıca bu cihaz, bataryadan gelen doğru akımı kesikli akıma çevirmeyi de mümkün kılıyordu.

Rumkorf bobininde kullanılan Wagner-Neff elektromekanik anahtarı, bobinin kendisinin manyetik çekim kuvvetleri tarafından tahrik edilir. Onunla yapıcı bir şekilde birdi. Wagner-Neff devre kesicinin dezavantajı, düşük gücü, yani kontakların yandığı yerde büyük akımları kesememesiydi; ayrıca, bu devre kesiciler yüksek frekansta akım kesintisi sağlayamazlar.

Diğer devre kesici türleri, güçlü Rumkorf endüksiyon bobinlerindeki büyük akımları kesmek için tasarlanmıştır. Farklı fiziksel prensiplere dayanırlar.

Bir tasarımın çalışma prensibi, oldukça kalın bir metal çubuğun dikey bir düzlemde ileri geri hareket ederek bir bardak cıvaya batmasıdır. Mekanik bir tahrik, dönme hareketini (elle veya saat mekanizmasıyla veya elektrik motoruyla) doğrusal ileri geri harekete dönüştürür, bu nedenle kesintilerin sıklığı büyük ölçüde değişebilir.

J. Foucault tarafından önerilen bu tür bir kırıcının ilk tasarımlarından birinde, çalıştırma, Wagner-Neff çekicinde olduğu gibi bir elektromıknatıs aracılığıyla gerçekleştirildi ve sert kontaklar cıva ile değiştirildi.

XIX yüzyılın sonuna kadar. en yaygın olanları "Dükret" ve "Mak-Kol" şirketlerinin tasarımlarıdır. Bu kesiciler dakikada 1000-2000 kesme hızı sağlar ve manuel olarak çalıştırılabilir. İkinci durumda, Rumkorf bobininde tekli deşarjlar elde edilebilir.

Jet prensibine göre çalışan başka bir kırıcı türü de bazen türbin olarak adlandırılır. Bu devre kesiciler aşağıdaki gibi çalıştı.

Küçük bir yüksek hızlı türbin, cıvayı bir rezervuardan türbinin tepesine pompalar ve buradan cıva dönen bir jet şeklinde bir memeden santrifüj olarak püskürtülür. Kesicinin duvarlarında, hareketi sırasında cıva jetinin temas ettiği, düzenli aralıklarla yerleştirilmiş elektrotlar vardı. Yeterince güçlü akımların kapanması ve açılması bu şekilde gerçekleşti.

Başka bir anahtar türü kullanıldı - 1884'te Rus profesör N.P. Sluginov tarafından keşfedilen bir fenomene dayanan elektrolitik. sivri uçlu ince bir cam yalıtımlı tel olan platin (pozitif) elektrotun platin elektrotları, akımın akışını periyodik olarak engelleyen gaz kabarcıkları ortaya çıktı ve akım kesildi.

Elektrolitik devre kesiciler, saniyede 500 - 800'e varan kesme hızları sağlar. Yirminci yüzyılın başında elektrik mühendisliğinde alternatif akımlara hakim olmak. fizik cephaneliğine yeni olanaklar getirdi ve şimdiden radyo elektroniğine başladı.

Rumkorf bobinlerine güç sağlamak için alternatif akım makineleri kullanıldı alternatif sinüzoidal akım, daha yaygın olarak kullanılmasını mümkün kıldı rezonans fenomeni ikincil sargıda ve daha sonra doğrudan radyasyon için kullanılabilen yüksek frekanslı akım kaynakları olarak.

tesla transformatörü

Yüksek frekanslı, yüksek voltajlı akımların özellikleriyle ilgilenen ilk bilim adamlarından biri Nikola Tesla, tüm elektrik mühendisliğinin gelişimine çok ciddi katkılarda bulunan. Bu yetenekli bilim adamı ve mucit, birçok pratik ve orijinal yeniliğe sahiptir.

Radyonun icadından sonra, önce radyo kontrollü bir gemi modeli tasarladı, gaz lambaları geliştirdi, endüksiyonlu yüksek frekanslı elektrik makinesi tasarladı vb. Patent sayısı 800'e ulaştı. Amerikalı radyo mühendisi Edwin Armstrong'a göre , çok fazlı akımların keşfi ve sadece bir asenkron motor, Tesla'nın adını sonsuza kadar ölümsüzleştirmek için yeterli olacaktır.

Uzun yıllar boyunca Nikola Tesla, dünyayı büyük bir salınım devresi olarak heyecanlandırma yöntemiyle kablosuz enerji iletimi fikrini besledi. Bu düşünceyle birçok zihni büyüledi, yüksek frekanslı elektromanyetik enerji kaynakları ve yayıcıları geliştirdi.

Elektrik mühendisliğinin çeşitli dallarının gelişmesinde çok önemli rol oynayan ve "rezonans transformatörü" veya "Tesla transformatörü" olarak adlandırılan Tesla'nın cihazının yaratılışı 1891 yılına dayanmaktadır.

Tesla'nın rezonans transformatörü (1990'lar). Elektromanyetik dalga üretecindeki anahtarlama devresi

Rumkorf'un yüksek voltajlı endüksiyon bobini Leyden kavanozuna boşaltılır. İkincisi, yüksek bir voltaja şarj edilir ve daha sonra rezonans transformatörünün birincil sargısı yoluyla boşaltılır. Aynı zamanda, birincil ile rezonansa ayarlanmış ikincil sargısında çok yüksek bir voltaj oluşur. Tesla, yaklaşık 150 kHz frekansta yüksek voltajlar (yaklaşık 100 kV) alır. Bu voltajlar, havada birkaç metre uzunluğa kadar fırça deşarjı şeklinde bir kırılmaya neden oldu.