Dispositius per rebre polsos de corrent altern d'alta tensió: bobina Rumkorff i transformador Tesla
Dispositius tècnics de recepció d'alta tensió
A principis del segle XIX, els científics van començar a crear dispositius per obtenir altes tensions de corrent altern. Heinrich Hertz en els seus experiments va utilitzar els dispositius que ja estaven disponibles en aquell moment en la ciència experimental física i en l'enginyeria elèctrica.
Es tractava d'aparells molt característics en els quals s'utilitzaven fenòmens coneguts en física i, sobretot, l'autoinducció: l'aparició d'una força electromotriu induïda en bobines amb nucli de ferro en el moment d'un fort augment o una interrupció ràpida del pas del corrent elèctric. a través dels bucles.
A la dècada de 1930. van aparèixer les primeres màquines elèctriques, basades en l'encreuament de línies magnètiques de força mitjançant bobines giratòries. Les primeres màquines d'aquest tipus (1832) van ser els generadors de I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.
Un esdeveniment molt important en la física i l'emergent enginyeria elèctrica va ser l'aparició de les màquines d'inducció, que en realitat eren transformadors d'alta tensió.
Aquests eren electroimants amb dues bobines. El corrent a la primera bobina s'interromp periòdicament d'una manera o altra, mentre que a la segona bobina apareix un corrent induït (més precisament, EMF d'autoinducció). Els primers "transformadors" que van trobar un ús pràctic tenien un sistema magnètic de bucle obert. Pertanyen als anys 70 i 80 del segle XIX, i el seu aspecte s'associa amb els noms de P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs i altres.
El 1837 van aparèixer les màquines d'inducció o "bobines", creades pel professor francès Antoine Masson. Aquestes màquines funcionaven amb un tall ràpid de corrent. Es va utilitzar un interruptor en forma d'engranatge, que durant la rotació tocava el raspall metàl·lic a intervals regulars. La interrupció del corrent va provocar EMF d'auto-inducció i a la sortida de la màquina van aparèixer polsos d'alta tensió amb una freqüència prou alta. Masson utilitza aquesta màquina amb finalitats mèdiques.
Bobina d'inducció Rumkorf
El 1848, el famós mestre d'aparells físics Heinrich Rumkorff (que tenia un taller a París per a la fabricació d'aparells per a experiments físics) es va adonar que la tensió a la màquina de Masson es podria augmentar significativament si la bobina es feia amb un gran nombre de voltes i la freqüència de les interrupcions augmenta significativament.
L'any 1852 va dissenyar una bobina amb dues bobines: una amb fil gruixut i un nombre reduït de voltes, l'altra amb fil prim i un nombre molt gran de voltes. La bobina primària és alimentada per una bateria mitjançant un interruptor magnètic vibratori, mentre que s'indueix un alt voltatge al secundari.Aquesta bobina es va conèixer com "inducció" i va rebre el nom del seu creador Rumkorf.
Va ser un dispositiu físic molt útil necessari per dur a terme experiments, i més tard es va convertir en part integral dels primers sistemes de ràdio i màquines de raigs X. L'Acadèmia de Ciències de París va apreciar molt el mèrit de Rumkorff i li va concedir un gran premi monetari en nom de Volta.
Una mica abans (l'any 1838), l'enginyer nord-americà Charles Page, que també va participar en la millora de les bobines d'inducció, va aconseguir bons resultats: els seus dispositius donaven tensions força altes. A Europa, però, no se sabia res del treball de Page i la investigació va continuar aquí. un camí independent.
Bobina de Rumkorf (dècada de 1960)
Si els primers models de bobines d'inducció donaven una tensió que provocava espurnes d'uns 2 cm de llarg, aleshores el 1859 L. Ritchie va obtenir espurnes de fins a 35 cm de llarg i Rumkorff aviat va construir una bobina d'inducció amb espurnes de fins a 50 cm de llarg.
La bobina d'inducció Rumkorf ha sobreviscut gairebé sense canvis fonamentals. Només s'han canviat les dimensions de les bobines, aïllament, etc. Els canvis més importants afecten la construcció i els principis de funcionament dels disjuntors al circuit primari de la bobina d'inducció.
Bobines Rumkorf
Un dels primers tipus d'interruptors utilitzats a les bobines de Rumkorf va ser l'anomenat "martell de Wagner" o "martell de Neff". Aquest dispositiu tan interessant va aparèixer cap a la dècada de 1840. i era un electroimant alimentat per una bateria mitjançant un lòbul ferromagnètic mòbil amb contactes.
Quan el dispositiu es va encendre, el pètal va ser atret pel nucli de l'electroimant, el contacte va interrompre el circuit de subministrament de l'electroimant, després de la qual cosa el pètal es va allunyar del nucli a la seva posició original. Aleshores, el procés es repeteix amb una freqüència determinada per la mida de les parts del sistema, la rigidesa i la massa del pètal i una sèrie d'altres factors.
El dispositiu Wagner-Nef es va convertir més tard en la campana elèctrica i va ser un dels primers sistemes oscil·lants electromecànics que es va convertir en el prototip de molts dispositius elèctrics i de ràdio de les primeres enginyeries de ràdio. A més, aquest dispositiu va permetre convertir el corrent continu de la bateria en corrent intermitent.
L'interruptor electromecànic de Wagner-Neff utilitzat a la bobina de Rumkorf és impulsat per les forces magnètiques d'atracció de la bobina mateixa. Ell era constructivament un amb ella. El desavantatge de l'interruptor Wagner-Neff era la seva baixa potència, és a dir, la incapacitat d'interrompre grans corrents on es cremaven els contactes; a més, aquests interruptors no poden proporcionar una freqüència elevada d'interrupció de corrent.
Altres tipus d'interruptors estan dissenyats per interrompre grans corrents en potents bobines d'inducció Rumkorf. Es basen en diferents principis físics.
El principi de funcionament d'un disseny és que una vareta metàl·lica, força gruixuda, es mou cap endavant i cap enrere en un pla vertical, enfonsant-se en una tassa de mercuri. Un accionament mecànic converteix el moviment rotatiu (a mà, rellotge o motor elèctric) en moviment alternatiu lineal, de manera que la freqüència de les interrupcions pot variar molt.
En un dels primers dissenys d'aquest trencador, proposat per J. Foucault, l'accionament es va dur a terme mitjançant un electroimant, com en el martell Wagner-Neff, i els contactes durs van ser substituïts per mercuri.
Fins a finals del segle XIX. els més estesos són els dissenys de les empreses «Dukret» i «Mak-Kol». Aquests trencadors proporcionen una velocitat de trencament de 1000-2000 per minut i es poden accionar manualment. En el segon cas, es poden obtenir descàrregues individuals a la bobina de Rumkorf.
Un altre tipus de trencador funciona segons el principi del jet i de vegades s'anomena turbina. Aquests interruptors de circuit funcionaven de la següent manera.
Una petita turbina d'alta velocitat bombeja el mercuri des d'un dipòsit fins a la part superior de la turbina, des d'on el mercuri s'expulsa centrífugament a través d'un broquet en forma de raig giratori. A les parets del trencador hi havia elèctrodes situats a intervals regulars, que eren tocats pel raig de mercuri durant el seu moviment. Així va succeir el tancament i l'obertura de corrents prou forts.
Es va utilitzar un altre tipus d'interruptor: electrolític, basat en un fenomen descobert pel professor rus N.P. Sluginov el 1884. El principi de funcionament de l'interruptor consistia en el fet que quan un corrent passa per un electròlit amb àcid sulfúric entre el plom massiu i Els elèctrodes de platí de l'elèctrode de platí (positiu), que és un cable prim aïllat de vidre amb un extrem afilat, van aparèixer bombolles de gas, impedint periòdicament el flux de corrent i el corrent es va interrompre.
Els interruptors electrolítics proporcionen velocitats de trencament de fins a 500 - 800 per segon. Dominar els corrents alterns en l'enginyeria elèctrica a principis del segle XX. va introduir noves possibilitats a l'arsenal de la física i ja va començar la ràdioelectrònica.
Es van utilitzar màquines de corrent altern per alimentar les bobines de Rumkorf corrent sinusoïdal altern, fet que va permetre un ús més àmplia fenomen de ressonància al bobinatge secundari, i més tard com a fonts de corrents d'alta freqüència que es poden utilitzar directament per a la radiació.
Transformador de Tesla
Un dels primers científics interessats en les propietats dels corrents d'alta freqüència i alt voltatge va ser Nikola Tesla, que va fer una contribució molt seriosa al desenvolupament de tota l'enginyeria elèctrica. Aquest talentós científic i inventor té moltes innovacions pràctiques i originals.
Després de la invenció de la ràdio, va dissenyar per primera vegada un model de vaixell radiocontrolat, va desenvolupar làmpades de gas, va dissenyar una màquina elèctrica d'alta freqüència d'inducció, etc. El nombre de les seves patents va arribar a les 800. Segons l'enginyer de ràdio nord-americà Edwin Armstrong , el descobriment de corrents multifàsiques i només un motor d'inducció seria suficient, per immortalitzar el nom de Tesla per sempre.
Durant molts anys, Nikola Tesla va alimentar la idea de la transmissió sense fil d'energia a distància mitjançant el mètode d'excitar la terra com un gran circuit oscil·lant. Va captivar moltes ments amb aquest pensament, va desenvolupar fonts d'energia electromagnètica d'alta freqüència i els seus emissors.
La creació del dispositiu de Tesla, que va tenir un paper molt important en el desenvolupament de diverses branques de l'enginyeria elèctrica i que es va anomenar "transformador ressonant" o "transformador de Tesla", es remunta al 1891.
Transformador ressonant de Tesla (década de 1990). Circuit de commutació en el generador d'ones electromagnètiques
La bobina d'inducció d'alta tensió de Rumkorf es descarrega al pot de Leyden. Aquest últim es carrega a una alta tensió i després es descarrega a través del bobinatge primari del transformador ressonant. Al mateix temps, es produeix una tensió molt alta al seu bobinatge secundari sintonitzat en ressonància amb el primari. Tesla rep altes tensions (uns 100 kV) amb una freqüència d'uns 150 kHz. Aquests voltatges van provocar un avenç a l'aire en forma de descàrrega de raspall de fins a diversos metres de llarg.