Thiết bị nhận xung dòng điện xoay chiều cao áp: Cuộn dây Rumkorff và biến áp Tesla

Thiết bị kỹ thuật nhận điện áp cao

Vào đầu thế kỷ 19, các nhà khoa học bắt đầu tạo ra các thiết bị để thu được điện áp cao của dòng điện xoay chiều. Heinrich Hertz trong các thí nghiệm của mình đã sử dụng các thiết bị đã có sẵn vào thời điểm đó trong khoa học thực nghiệm vật lý và kỹ thuật điện.

Đây là những thiết bị rất đặc trưng trong đó các hiện tượng đã biết trong vật lý được sử dụng, và trên hết là hiện tượng tự cảm ứng - sự xuất hiện của một suất điện động cảm ứng trong các cuộn dây có lõi sắt tại thời điểm dòng điện chạy qua tăng mạnh hoặc gián đoạn nhanh chóng. thông qua các vòng lặp.

Vào những năm 1930. những máy điện đầu tiên xuất hiện, dựa trên sự giao nhau của các đường sức từ bằng các cuộn dây quay. Những chiếc máy đầu tiên như vậy (1832) là máy phát điện của I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.

Một sự kiện rất quan trọng trong vật lý và kỹ thuật điện đang nổi lên là sự xuất hiện của máy cảm ứng, thực chất là máy biến áp cao áp.

Đây là những nam châm điện có hai cuộn dây. Dòng điện trong cuộn thứ nhất bị gián đoạn định kỳ theo cách này hay cách khác, trong khi dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn thứ hai (chính xác hơn là EMF của tự cảm ứng). "Máy biến áp" đầu tiên được sử dụng trong thực tế có hệ thống từ tính vòng hở. Chúng thuộc về những năm 70 và 80 của thế kỷ 19, và sự xuất hiện của chúng gắn liền với tên tuổi của P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs và những người khác.

Năm 1837, máy cảm ứng hay "cuộn dây" do giáo sư người Pháp Antoine Masson tạo ra đã xuất hiện. Những máy này hoạt động với tình trạng cắt điện nhanh chóng. Một công tắc ở dạng bánh răng đã được sử dụng, trong quá trình quay, nó chạm vào bàn chải kim loại đều đặn. Sự gián đoạn của dòng điện dẫn đến EMF tự cảm ứng và các xung điện áp cao với tần số đủ cao xuất hiện ở đầu ra của máy. Masson sử dụng máy này cho mục đích y tế.

Cuộn dây cảm ứng Rumkorf

Năm 1848, bậc thầy nổi tiếng về thiết bị vật lý Heinrich Rumkorff (người có xưởng sản xuất thiết bị cho các thí nghiệm vật lý ở Paris) nhận thấy rằng lực căng trong máy của Masson có thể tăng lên đáng kể nếu cuộn dây được chế tạo với số lượng lớn vòng và tần suất gián đoạn tăng lên đáng kể.

Năm 1852, ông đã thiết kế một cuộn dây có hai cuộn dây: một cuộn dây dày và số vòng quay nhỏ, cuộn dây kia có dây mảnh và số vòng quay rất lớn. Cuộn sơ cấp được cung cấp năng lượng bằng pin thông qua công tắc từ rung, trong khi điện áp cao được tạo ra ở cuộn thứ cấp.Cuộn dây này được gọi là "cảm ứng" và được đặt tên theo người tạo ra nó là Rumkorf.

Nó là một thiết bị vật lý rất hữu ích cần thiết để tiến hành các thí nghiệm, và sau đó trở thành một phần không thể thiếu của các hệ thống radio và máy X-quang đầu tiên. Viện Hàn lâm Khoa học Paris đánh giá cao công lao của Rumkorff và trao cho ông một giải thưởng tiền tệ lớn mang tên Volta.

Trước đó một chút (năm 1838), kỹ sư người Mỹ Charles Page, người cũng tham gia cải tiến cuộn dây cảm ứng, đã đạt được kết quả tốt - thiết bị của ông cho điện áp khá cao. một con đường độc lập.

Ruy băng Rumkorf (thập niên 1960)

Nếu như những mẫu cuộn dây cảm ứng đầu tiên cho điện áp gây ra tia lửa điện dài khoảng 2 cm thì đến năm 1859 L. Ritchie thu được tia lửa điện dài tới 35 cm và Rumkorff đã sớm chế tạo cuộn dây cảm ứng có tia lửa điện dài tới 50 cm.

Cuộn dây cảm ứng Rumkorf đã tồn tại hầu như không có những thay đổi cơ bản. Chỉ có kích thước của cuộn dây, cách điện, v.v. đã được thay đổi. Những thay đổi lớn nhất ảnh hưởng đến cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cầu dao ở mạch sơ cấp của cuộn dây cảm ứng.

cuộn dây Rumkorf

Một trong những loại bộ ngắt mạch đầu tiên được sử dụng trong cuộn dây Rumkorf là ​​cái gọi là "búa Wagner" hoặc "búa Neff". Thiết bị rất thú vị này xuất hiện vào khoảng những năm 1840. và là một nam châm điện chạy bằng pin thông qua thùy sắt từ có thể di chuyển được với các tiếp điểm.

Khi thiết bị được bật, cánh hoa bị hút vào lõi của nam châm điện, tiếp điểm làm gián đoạn mạch cung cấp của nam châm điện, sau đó cánh hoa di chuyển ra khỏi lõi về vị trí ban đầu. Sau đó, quá trình này được lặp lại với tần suất được xác định bởi kích thước của các bộ phận trong hệ thống, độ cứng và khối lượng của cánh hoa và một số yếu tố khác.

Thiết bị Wagner-Nef sau này trở thành chuông điện và là một trong những hệ thống dao động cơ điện đầu tiên trở thành nguyên mẫu cho nhiều thiết bị điện và vô tuyến của kỹ thuật vô tuyến sơ khai. Ngoài ra, thiết bị này có thể chuyển đổi dòng điện trực tiếp từ pin thành dòng điện không liên tục.

Công tắc cơ điện Wagner-Neff được sử dụng trong cuộn dây Rumkorf được điều khiển bởi lực hút từ của chính cuộn dây. Anh ấy là một người xây dựng với cô ấy. Nhược điểm của cầu dao Wagner-Neff là công suất thấp, tức là không có khả năng ngắt dòng điện lớn khi các tiếp điểm bị cháy; hơn nữa, những bộ ngắt mạch này không thể cung cấp tần suất ngắt dòng điện cao.

Các loại cầu dao khác được thiết kế để ngắt dòng điện lớn trong cuộn dây cảm ứng Rumkorf mạnh mẽ. Chúng dựa trên các nguyên tắc vật lý khác nhau.

Nguyên lý hoạt động của một thiết kế là một thanh kim loại, khá dày, di chuyển qua lại trong một mặt phẳng thẳng đứng, chìm trong cốc thủy ngân. Bộ truyền động cơ học chuyển đổi chuyển động quay (bằng tay hoặc đồng hồ hoặc động cơ điện) thành chuyển động tịnh tiến tịnh tiến, vì vậy tần suất gián đoạn có thể rất khác nhau.

Trong một trong những thiết kế ban đầu của thiết bị ngắt như vậy, do J. Foucault đề xuất, quá trình truyền động được thực hiện bằng nam châm điện, như trong búa Wagner-Neff, và các điểm tiếp xúc cứng được thay thế bằng thủy ngân.

Cho đến cuối thế kỷ XIX. phổ biến nhất là thiết kế của các công ty «Dukret» và «Mak-Kol». Những bộ ngắt này cung cấp tốc độ ngắt 1000-2000 mỗi phút và có thể được vận hành bằng tay. Trong trường hợp thứ hai, có thể thu được các lần xả đơn trên cuộn Rumkorf.

Một loại máy cắt khác hoạt động theo nguyên tắc phản lực và đôi khi được gọi là tuabin. Các bộ ngắt mạch này hoạt động như sau.

Một tuabin nhỏ tốc độ cao bơm thủy ngân từ một bể chứa lên đỉnh tuabin, từ đó thủy ngân được đẩy ra ly tâm qua một vòi phun dưới dạng một tia quay. Trên thành của cầu dao có các điện cực nằm cách đều nhau, các điện cực này bị tia thủy ngân chạm vào trong quá trình di chuyển. Đây là cách đóng và mở các dòng điện đủ mạnh đã xảy ra.

Một loại công tắc khác đã được sử dụng - điện phân, dựa trên hiện tượng được phát hiện bởi giáo sư người Nga N.P. Sluginov vào năm 1884. Nguyên tắc hoạt động của công tắc bao gồm thực tế là khi dòng điện chạy qua chất điện phân có axit sunfuric giữa dây dẫn lớn và các điện cực bạch kim của điện cực bạch kim (dương), là một sợi dây cách điện bằng thủy tinh mỏng có đầu nhọn, bọt khí xuất hiện, định kỳ ngăn dòng điện chạy qua và dòng điện bị gián đoạn.

Bộ ngắt mạch điện phân cung cấp tốc độ ngắt lên tới 500 - 800 mỗi giây. Nắm vững dòng điện xoay chiều trong kĩ thuật điện đầu thế kỉ XX. đã giới thiệu những khả năng mới vào kho vũ khí vật lý và đã bắt đầu thiết bị điện tử vô tuyến.

Máy điện xoay chiều được sử dụng để cung cấp năng lượng cho cuộn dây Rumkorf dòng điện xoay chiều hình sin, giúp nó có thể được sử dụng rộng rãi hơn hiện tượng cộng hưởng trong cuộn thứ cấp và sau đó là nguồn của dòng điện tần số cao có thể được sử dụng trực tiếp cho bức xạ.

máy biến áp Tesla

Một trong những nhà khoa học đầu tiên quan tâm đến tính chất của dòng điện cao áp, tần số cao là Nikola Tesla, người đã đóng góp rất nghiêm túc cho sự phát triển của toàn bộ ngành kỹ thuật điện. Nhà khoa học và nhà phát minh tài năng này có nhiều sáng kiến ​​​​thực tế và độc đáo.

Sau khi phát minh ra đài phát thanh, lần đầu tiên ông thiết kế mô hình tàu điều khiển bằng sóng vô tuyến, phát triển đèn khí đốt, thiết kế máy điện cao tần cảm ứng, v.v. Số lượng bằng sáng chế của ông lên tới 800. Theo kỹ sư radio người Mỹ Edwin Armstrong , việc phát hiện ra dòng điện nhiều pha và chỉ một động cơ cảm ứng sẽ là khá đủ để làm tên tuổi của Tesla trở nên bất tử mãi mãi.

Trong nhiều năm, Nikola Tesla đã nuôi dưỡng ý tưởng truyền năng lượng không dây ở khoảng cách xa bằng phương pháp kích thích trái đất dưới dạng một mạch dao động lớn. Ông đã thu hút nhiều tâm trí với suy nghĩ này, phát triển các nguồn năng lượng điện từ tần số cao và các nguồn phát của nó.

Việc tạo ra thiết bị của Tesla, đóng một vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện khác nhau và được gọi là "máy biến áp cộng hưởng" hay "máy biến áp Tesla", có từ năm 1891.

Máy biến áp cộng hưởng của Tesla (những năm 1990). Mạch chuyển mạch trong máy phát sóng điện từ

Cuộn dây cảm ứng điện áp cao của Rumkorf được xả vào bình Leyden. Cái sau được sạc ở điện áp cao và sau đó phóng điện qua cuộn sơ cấp của máy biến áp cộng hưởng. Đồng thời, một điện áp rất cao xuất hiện trên cuộn thứ cấp của nó, được điều chỉnh cộng hưởng với cuộn sơ cấp. Tesla nhận điện áp cao (khoảng 100 kV) với tần số khoảng 150 kHz. Những điện áp này gây ra sự đột phá trong không khí dưới dạng phóng điện chổi than dài tới vài mét.