Zařízení pro získávání vysokonapěťových pulzů střídavého proudu: Ruhmkorffova cívka a Teslův transformátor
Na začátku 19. století začali vědci vytvářet zařízení pro získávání vysokého napětí střídavého proudu. Heinrich Hertz při svých pokusech používal přístroje, které již tehdy existovaly ve fyzikální experimentální vědě a v elektrotechnice.
Jednalo se o velmi charakteristická zařízení, která využívala jevů známých z fyziky a především samoindukce – vzniku indukované elektromotorické síly v cívkách s železným jádrem v okamžiku prudkého nárůstu nebo rychlého přerušení elektrického proudu protékajícího závity.
Ve 30. letech XIX století. Objevily se první elektrické stroje založené na průniku magnetických siločar rotujícími závity vinutí. Prvními takovými stroji (1832) byly generátory I. Pixia, A. Jedlika, B. Jacobiho a D. Henryho.
Velmi důležitou událostí ve fyzice a nastupující elektrotechnice byl výskyt indukčních strojů, což byly ve skutečnosti vysokonapěťové transformátory.
Jednalo se o elektromagnety se dvěma vinutími. Proud v prvním vinutí byl periodicky přerušován tak či onak a v tomto případě vznikl indukovaný proud (přesněji samoindukční EMF) ve druhém vinutí. První „transformátory“, které našly praktické uplatnění, měly otevřený magnetický systém. Pocházejí ze 70. a 80. let XNUMX. století a jejich podoba je spojena se jmény P. Jabločkova, 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 pracovaly s rychlým přerušením proudu. Byl použit lamač v podobě ozubeného kola, které se při otáčení v pravidelných intervalech dotýkalo kovového kartáče. Přerušení proudu vyvolalo samoindukci EMF a na výstupu stroje se objevily vysokonapěťové a poměrně vysokofrekvenční impulsy. Masson používal tento stroj pro lékařské účely.
Ruhmkorffova indukční cívka
V roce 1848 si slavný mistr fyzikálních nástrojů Heinrich Ruhmkorff (který měl v Paříži dílnu na výrobu aparatur pro fyzikální pokusy) všiml, že napětí v Massonově stroji může být výrazně zvýšeno, pokud je vinutí vyrobeno s velkým počtem závitů a frekvence přerušení se značně zvýší.
V roce 1852 navrhl cívku se dvěma vinutími: jedno se silným drátem a malým počtem závitů, druhé s tenkým drátem a velmi velkým počtem závitů. Primární vinutí bylo napájeno z baterie přes magnetický přerušovač vibrací, zatímco v sekundárním bylo indukováno vysoké napětí. Tato cívka se stala známou jako „indukční cívka“ a byla pojmenována po svém tvůrci Ruhmkorffovi.
Bylo to velmi užitečné fyzikální zařízení, nezbytné pro provádění experimentů, a později se stalo nedílnou součástí prvních rádiových systémů a rentgenových přístrojů. Pařížská akademie věd vysoce ocenila Ruhmkorffovy zásluhy a udělila mu velkou peněžní cenu pojmenovanou po Voltovi.
O něco dříve (v roce 1838) dosáhl dobrých výsledků americký inženýr Charles Page, který se také zabýval zlepšováním indukčních cívek – jeho zařízení produkovala poměrně vysoká napětí. O Pageově působení v Evropě však nebylo nic známo a výzkum zde probíhal samostatně.
Naviják Ruhmkorff (60. léta XNUMX. století)
Jestliže první modely indukčních cívek produkovaly napětí způsobující jiskry dlouhé asi 2 cm, pak v roce 1859 L. Ritchie získal jiskry dlouhé až 35 cm a Ruhmkorff brzy postavil indukční cívku s jiskrami o délce až 50 cm.
Indukční cívka Ruhmkorff přežila dodnes téměř bez zásadních změn. Změnily se pouze rozměry cívek, izolace atd. Největší změny se dotkly konstrukce a principů činnosti proudových zhášedel v primárním okruhu indukční cívky.
Ruhmkorffovy přerušovače cívek
Jedním z prvních typů přerušovačů používaných v Ruhmkorffových cívkách bylo takzvané „Wagnerovo kladivo“ nebo „Neefovo kladivo“. Toto velmi zajímavé zařízení se objevilo kolem 40. let XNUMX. století. a byl to elektromagnet napájený baterií přes pohyblivý feromagnetický plátek s kontakty.
Když bylo zařízení zapnuto, okvětní lístek byl přitahován k jádru elektromagnetu, kontakt přerušil napájecí obvod elektromagnetu, načež se okvětní lístek vzdálil od jádra do své původní polohy. Proces se poté opakoval s frekvencí určenou velikostí součástí systému, tuhostí a hmotností okvětního lístku a řadou dalších faktorů.
Wagner-Neefovo zařízení se později změnilo v elektrický zvon 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-Neefův elektromechanický přerušovač použitý v Ruhmkorffově cívce byl poháněn magnetickými přitažlivými silami jádra samotné cívky. Tvořil s ní konstruktivní celek. Nevýhodou zhášedla Wagner-Nef byl malý výkon, t. j. neschopnost přerušit velké proudy, při kterých se spálily kontakty; Navíc tyto jističe nemohly zajistit vysokou frekvenci přerušení proudu.
Pro přerušení velkých proudů ve výkonných Ruhmkorffových indukčních cívkách byly navrženy jiné typy přerušovačů. Byly založeny na různých fyzikálních principech.
Funkční princip jednoho návrhu spočíval v tom, že se kovová, poměrně tlustá tyč pohybovala tam a zpět ve vertikální rovině a ponořila se do misky rtuti. Mechanický pohon převáděl rotační pohyb (ručně nebo pomocí hodinového mechanismu nebo elektromotoru) na lineární vratný pohyb, takže frekvence přerušení se mohla měnit v širokých mezích.
V jednom z raných návrhů takového jističe, navrženém J. Foucaultem, byl pohon prováděn pomocí elektromagnetu jako u Wagner-Neefova kladiva a pevné kontakty byly nahrazeny rtuťovými.
Do konce 1000. stol. Nejrozšířenějšími návrhy byly návrhy firem Ducreté a Mac-Col. Tyto jističe poskytovaly frekvenci přerušení asi 2000-XNUMX za minutu a mohly být ovládány ručně. V druhém případě bylo možné získat jednotlivé výboje Ruhmkorffovy cívky.
Jiný typ přerušovače pracoval na proudovém principu a někdy se mu říkalo turbína. Tyto jističe fungovaly následovně.
Malá, vysokorychlostní turbína pumpovala rtuť z rezervoáru do horní části turbíny, kde byla vytlačována tryskou odstředivou silou jako rotující proud. Na stěnách zhášedla byly ve stejných intervalech umístěny elektrody, kterých se proud rtuti při pohybu dotýkal. Tak došlo k uzavření a otevření docela silných proudů.
Uplatnění našel i další typ zhášedla – elektrolytický typ, založený na jevu objeveném ruským profesorem N. P. Sluginovem v roce 1884. Princip činnosti zhášedla spočíval v tom, že při průchodu proudu elektrolytem kyseliny sírové mezi masivní olověnou a platinovou elektrodou se na platinové (kladné) elektrodě, což byl tenký proud s ostrým zakončením, přerušovaný proud tvořil drát s přerušovaným proudem, se objevily bublinky plynu.
Elektrolytické přerušovače poskytovaly frekvenci přerušení až 500–800 za sekundu. Vývoj střídavých proudů v elektrotechnice na počátku XNUMX. století. zavedl nové možnosti do arzenálu fyziky a již vznikající radioelektroniky.
Pro napájení Ruhmkorffových cívek střídavým sinusovým proudem se začaly používat střídavé stroje, které umožnily širší využití rezonančního jevu v sekundárním vinutí a později i jako zdroje vysokofrekvenčních proudů, které bylo možné přímo využít pro záření.
Tesla Transformer
Jedním z prvních vědců, kteří se zajímali o vlastnosti vysokofrekvenčních a vysokonapěťových proudů, byl Nikola Tesla, který velmi významně přispěl k rozvoji celé elektrotechnické vědy. Tento talentovaný vědec a vynálezce má na svědomí mnoho prakticky užitečných a originálních inovací.
Poté, co vynalezl rádio, jako první navrhl model rádiem řízené lodi, vyvinul plynové výbojky, navrhl indukční vysokofrekvenční elektrický stroj atd. Počet jeho patentů dosahuje 800. Podle amerického radiotechnika Edwina Armstronga by samotný objev polyfázových proudů a indukčního motoru stačil k nesmrtelnému zvěčnění Teslova jména.
Nikola Tesla po mnoho let pěstoval myšlenku bezdrátového přenosu energie na dálku vybuzením Země jako velkého oscilačního obvodu. Touto myšlenkou uchvátil mnoho myslí a vyvinul zdroje vysokofrekvenční elektromagnetické energie a její emitory.
Teslovo vytvoření zařízení, které hrálo velmi důležitou roli ve vývoji různých odvětví elektrotechniky a nazývalo se „rezonanční transformátor“ nebo „Tesla transformátor“, se datuje do roku 1891.
Teslův rezonanční transformátor (90. léta XNUMX. století). Schéma zapojení generátoru elektromagnetických vln
Na Leydenské nádobě dochází k výboji z vysokonapěťové Ruhmkorffovy indukční cívky. Ten je nabit na vysoké napětí a poté vybit přes primární vinutí rezonančního transformátoru. Na jeho sekundárním vinutí přitom vzniká velmi vysoké napětí, laděné do rezonance s primárním.
Primární obvod Teslova transformátoru (kondenzátor a cívka s malým nastavitelným počtem závitů) je periodicky nabíjen Ruhmkorffovým transformátorem (řádově desítky kV) a vybíjen v jiskřišti. V obvodu se vytváří řada tlumených vysokofrekvenčních elektrických oscilací.
Uvnitř primární cívky je sekundární cívka s velkým počtem závitů a vlastní kapacitou. Změnou indukčnosti v primárním obvodu je možné dosáhnout rezonance (stejné frekvence) elektromagnetických kmitů v primárním okruhu a elektromagnetických kmitů sekundární cívky.
Napětí indukované na sekundárním vinutí je tak velké, že na jeho koncích vzniká silný obloukový výboj. Protože sekundární cívka tvoří otevřený oscilační obvod, funguje jako anténa, ze které se šíří vysokofrekvenční elektromagnetické vlny.
Nikola Tesla pomocí svého transformátoru získal na počátku 100. století vysoká napětí (asi 150 kV) o frekvenci asi XNUMX kHz. Tato napětí způsobila průraz ve vzduchu ve formě kartáčového výboje o délce až několika metrů.
Populární ukázky Tesla Coil
1) Vliv vysokofrekvenčních proudů na lidské tělo (efekt kůže)
Demonstrátor drží kovový klíč a drží jej na konci sekundární cívky. Do objektu létají jiskry, tělem demonstrátoru procházejí vysokofrekvenční proudy, ale vzhledem k kožnímu efektu (vysokofrekvenční proudy procházejí pouze po povrchu těla a nepronikají dovnitř) to není nebezpečné. Cítíte pouze mírné brnění.
2) Vliv elektromagnetického pole sekundárního vinutí
Když demonstrátor přiblíží zářivku k sekundárnímu vinutí, aniž by se ho dotkl, zářivka se rozsvítí.
Příčinou vzplanutí je silné vysokofrekvenční elektromagnetické pole (elektrická složka), které způsobí ionizaci rtuťových par v trubici zářivky a urychlí vzniklé ionty a elektrony tak, že narazí na stěny zářivky, potažené fosforem. Dopad částic na stěnu vytváří viditelné záření.
3) Vliv elektromagnetického pole primárního vinutí
Demonstrátor přiblíží prstencovou lampu k primárnímu vinutí (sekundární vinutí je odstraněno) a natočí ji tak, aby prstenec zaujímal různé polohy vzhledem k primárnímu vinutí.
Žárovka svítí nejjasněji, když je rovina prstence rovnoběžná se závity cívky (rovina prstence je kolmá na směr magnetických indukčních čar pole cívky). Záleží také na vzdálenosti prstence od cívky.
Žárovka se rozsvítí díky indukční vazbě s primárním vinutím. Primární cívkou prochází časově proměnný proud, takže magnetické pole kolem ní se také mění s časem. Změna magnetického pole (magnetický indukční tok) způsobí, že se v prstenci (jednozávitová cívka) indukuje proud a rozsvítí se žárovka (Faradayův zákon elektromagnetické indukce).
Pokud je rovina prstence rovnoběžná se směrem magnetických indukčních čar, pak je magnetický indukční tok procházející prstencem nulový a nevzniká žádný indukovaný proud.
Indukční vazba
Oscilační obvod tvořený cívkou a kondenzátorem indukuje vynucené elektromagnetické oscilace ve sdruženém oscilačním obvodu tvořeném prstencem. Indukční vazba závisí na vzájemném natočení (úhlu os) vazebních cívek (primární cívky Teslova transformátoru a prstence) a na jejich vzdálenosti.
Když demonstrátor otočí prstenec do polohy, kdy je jeho osa kolmá k ose cívky generátoru, světlo z žárovky se ztlumí, dokud nezhasne. Vzájemná indukčnost cívek postupně klesá k nule.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře