מכשירים לקליטת זרם חילופין במתח גבוה: סליל רומקורף ושנאי טסלה
מכשירים טכניים לקליטת מתח גבוה
בתחילת המאה ה-19 החלו מדענים ליצור מכשירים להשגת מתחים גבוהים של זרם חילופין. היינריך הרץ בניסויים שלו השתמש במכשירים שכבר היו זמינים באותה תקופה במדע הניסויים הפיזיקליים ובהנדסת חשמל.
אלה היו מכשירים מאוד אופייניים שבהם נעשה שימוש בתופעות ידועות בפיזיקה, ומעל לכל, השראה עצמית - הופעה של כוח אלקטרו-מוטורי מושרה בסלילים עם ליבת ברזל ברגע של עלייה חדה או הפסקה מהירה של הזרם החשמלי העובר. דרך הלולאות.
בשנות ה-30. המכונות החשמליות הראשונות הופיעו, המבוססות על חציית קווי כוח מגנטיים באמצעות סלילים מסתובבים. המכונות הראשונות מסוג זה (1832) היו המחוללים של I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.
אירוע חשוב מאוד בפיזיקה ובהנדסת חשמל מתפתחת היה הופעתן של מכונות אינדוקציה, שהיו למעשה שנאי מתח גבוה.
אלו היו אלקטרומגנטים עם שני סלילים. הזרם בסליל הראשון מופסק מעת לעת בצורה כזו או אחרת, בעוד שזרם מושרה מופיע בסליל השני (ליתר דיוק, EMF של אינדוקציה עצמית). ל"שנאים" הראשונים שמצאו שימוש מעשי הייתה מערכת מגנטית עם לולאה פתוחה. הם שייכים לשנות ה-70 וה-80 של המאה ה-19, והמראה שלהם קשור בשמותיהם של פ' יבלוצ'קוב, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs ואחרים.
בשנת 1837 הופיעו מכונות אינדוקציה או "סלילים", שנוצרו על ידי הפרופסור הצרפתי אנטואן מאסון. מכונות אלו פעלו עם הפסקת חשמל מהירה. נעשה שימוש במתג בצורת גלגל שיניים, שבמהלך הסיבוב נגע במברשת המתכת במרווחים קבועים. הפסקת הזרם הובילה להשראת EMF עצמית, ופולסים במתח גבוה בתדר גבוה מספיק הופיעו במוצא המכונה. מאסון משתמש במכונה הזו למטרות רפואיות.
סליל אינדוקציה של רומקורף
בשנת 1848, האמן המפורסם של המכשירים הפיזיקליים היינריך רומקורף (שהיה לו בית מלאכה בפריז לייצור מכשירים לניסויים פיזיקליים) שם לב שניתן להגביר את המתח במכונה של מאסון במידה ניכרת אם הסליל נעשה עם מספר גדול של סיבובים. תדירות ההפרעות עולה באופן משמעותי.
בשנת 1852 הוא עיצב סליל עם שני סלילים: אחד עם תיל עבה ומספר קטן של סיבובים, השני עם תיל דק ומספר גדול מאוד של סיבובים. הסליל הראשוני מופעל על ידי סוללה באמצעות מתג מגנטי רוטט, בעוד מתח גבוה מושרה במשני.סליל זה נודע בשם "אינדוקציה" ונקרא על שם יוצרו רומקורף.
זה היה מכשיר פיזי שימושי מאוד הדרוש לביצוע ניסויים, ומאוחר יותר הפך לחלק בלתי נפרד ממערכות הרדיו ומכונות הרנטגן הראשונות. האקדמיה למדעים של פריז העריכה מאוד את הכשרון של רומקורף והעניקה לו פרס כספי גדול בשם וולטה.
קצת קודם לכן (בשנת 1838), המהנדס האמריקני צ'ארלס פייג', שהיה מעורב גם בשיפור סלילי האינדוקציה, השיג תוצאות טובות - המכשירים שלו נתנו מתחים גבוהים למדי. באירופה, לעומת זאת, לא היה ידוע דבר על עבודתו של פייג' והמחקר כאן נמשך על דרך עצמאית.
סליל רומקורף (שנות ה-60)
אם הדגמים הראשונים של סלילי אינדוקציה נתנו מתח שגרם לניצוצות באורך של כ-2 ס"מ, אז בשנת 1859 ל' ריצ'י השיג ניצוצות באורך של עד 35 ס"מ ורומקורף בנה במהרה סליל אינדוקציה עם ניצוצות באורך של עד 50 ס"מ.
סליל האינדוקציה של Rumkorf שרד כמעט ללא שינויים מהותיים. רק מידות הסלילים, הבידוד וכו' שונו. השינויים הגדולים ביותר משפיעים על המבנה ועל עקרונות הפעולה של מפסקי החשמל במעגל הראשוני של סליל האינדוקציה.
סלילי רוקורף
אחד הסוגים הראשונים של מפסקים ששימשו בסלילי רומקורף היה מה שנקרא "האמר וגנר" או "האמר נף". המכשיר המעניין מאוד הזה הופיע בסביבות שנות ה-40. והיה אלקטרומגנט שהופעל על ידי סוללה באמצעות אונה פרומגנטית ניתנת להזזה עם מגעים.
כשהמכשיר הופעל, עלה הכותרת נמשך לליבה של האלקטרומגנט, המגע קטע את מעגל האספקה של האלקטרומגנט, ולאחר מכן עלה הכותרת התרחק מהליבה למיקומו המקורי. לאחר מכן התהליך חוזר על עצמו בתדירות הנקבעת על פי גודל חלקי המערכת, קשיחות ומסה של עלה הכותרת ומספר גורמים נוספים.
מכשיר וגנר-נף הפך מאוחר יותר לפעמון החשמלי והיה לאחת ממערכות הנדנוד האלקטרו-מכניות הראשונות שהפכו לאב-טיפוס למכשירי חשמל ורדיו רבים של הנדסת רדיו מוקדמת. בנוסף, מכשיר זה איפשר להמיר זרם ישר מהסוללה לזרם לסירוגין.
המתג האלקטרומכני של Wagner-Neff המשמש בסליל Rumkorf מונע על ידי כוחות המשיכה המגנטיים של הסליל עצמו. מבחינה בונה הוא היה אחד איתה. החיסרון של מפסק המעגל של וגנר-נף היה הספק הנמוך שלו, כלומר, חוסר היכולת לקטוע זרמים גדולים במקום בו נשרפו המגעים; יתר על כן, מפסקי זרם אלו אינם יכולים לספק תדירות גבוהה של הפסקת זרם.
סוגים אחרים של מפסקי זרם נועדו לקטוע זרמים גדולים בסלילי אינדוקציה חזקים של Rumkorf. הם מבוססים על עקרונות פיזיקליים שונים.
עקרון הפעולה של עיצוב אחד הוא שמוט מתכת, עבה למדי, נע קדימה ואחורה במישור אנכי, שוקע לתוך כוס כספית. כונן מכני ממיר תנועה סיבובית (ביד או שעון או מנוע חשמלי) לתנועה הדדית ליניארית, כך שתדירות ההפרעות יכולה להשתנות במידה רבה.
באחד העיצובים המוקדמים של מפסק כזה, שהוצע על ידי ג'יי פוקו, ההפעלה בוצעה באמצעות אלקטרומגנט, כמו בפטיש וגנר-נף, והמגעים הקשים הוחלפו בכספית.
עד סוף המאה ה- XIX. הנפוצים ביותר הם העיצובים של החברות «Dukret» ו- «Mak-Kol». מפסקים אלו מספקים מהירות פריצה של 1000-2000 לדקה וניתנים להפעלה ידנית. במקרה השני, ניתן לקבל פריקות בודדות על סליל Rumkorf.
סוג אחר של מפסק פועל על עיקרון הסילון ונקרא לפעמים טורבינה. מפסקים אלו פעלו כדלקמן.
טורבינה קטנה במהירות גבוהה שואבת כספית ממאגר לראש הטורבינה, משם הכספית נפלטת בצנטריפוגלי דרך פייה בצורת סילון מסתובב. על דפנות המפסק היו אלקטרודות הממוקמות במרווחים קבועים, שסילון הכספית נגע בהן במהלך תנועתו. כך התרחשה סגירה ופתיחה של זרמים חזקים מספיק.
נעשה שימוש בסוג אחר של מתג - אלקטרוליטי, המבוסס על תופעה שהתגלתה על ידי הפרופסור הרוסי N.P. Sluginov בשנת 1884. עקרון הפעולה של המתג היה מורכב מכך שכאשר עובר זרם דרך אלקטרוליט עם חומצה גופרתית בין העופרת המאסיבית לבין אלקטרודות פלטינה של אלקטרודת פלטינה (חיובית), שהיא חוט דק מבודד זכוכית עם קצה חד, בועות גז הופיעו, מנעו מעת לעת את זרימת הזרם, והזרם הופסק.
מפסקים אלקטרוליטיים מספקים מהירויות שבירה של עד 500 - 800 לשנייה. שליטה בזרמי חילופין בהנדסת חשמל בתחילת המאה העשרים. הכניס אפשרויות חדשות לארסנל הפיזיקה וכבר התחיל את האלקטרוניקה ברדיו.
מכונות זרם חילופין שימשו להנעת סלילי רומקורף זרם סינוסואיד לסירוגין, מה שאפשר לעשות בו שימוש נרחב יותר תופעת תהודה בפיתול המשני, ובהמשך כמקורות לזרמים בתדר גבוה שניתן להשתמש בהם ישירות לקרינה.
שנאי טסלה
אחד המדענים הראשונים שהתעניינו בתכונותיהם של זרמים במתח גבוה בתדר גבוה היה ניקולה טסלה, שתרם תרומה רצינית מאוד לפיתוח כל הנדסת החשמל. למדען וממציא מוכשר זה יש חידושים מעשיים ומקוריים רבים.
לאחר המצאת הרדיו, הוא תכנן לראשונה דגם של ספינה מבוקרת רדיו, פיתח מנורות גז, עיצב מכונה חשמלית בתדר גבוה אינדוקציה ועוד. מספר הפטנטים שלו הגיע ל-800. לפי מהנדס הרדיו האמריקני אדווין ארמסטרונג , הגילוי של זרמים רב-פאזיים ורק מנוע אינדוקציה אחד יספיק בהחלט, כדי להנציח את שמו של טסלה לנצח.
במשך שנים רבות, ניקולה טסלה טיפח את הרעיון של העברה אלחוטית של אנרגיה למרחקים בשיטת ריגוש כדור הארץ כמעגל נדנוד גדול. הוא כבש מוחות רבים במחשבה זו, פיתח מקורות של אנרגיה אלקטרומגנטית בתדר גבוה ופולטותיה.
יצירת המכשיר של טסלה, שמילא תפקיד חשוב מאוד בפיתוחם של ענפים שונים של הנדסת חשמל ונקרא "שנאי תהודה" או "שנאי טסלה", החל משנת 1891.
שנאי התהודה של טסלה (שנות ה-90). מעגל מיתוג במחולל גלים אלקטרומגנטיים
סליל האינדוקציה במתח גבוה של רומקורף נפרק לתוך צנצנת ליידן. האחרון נטען למתח גבוה ולאחר מכן משוחרר דרך הפיתול הראשוני של השנאי התהודה. במקביל, מתח גבוה מאוד מתרחש על הפיתול המשני שלו המכוון בתהודה עם הראשוני. טסלה קולטת מתחים גבוהים (כ-100 קילו-וולט) בתדר של כ-150 קילו-הרץ. מתחים אלו גרמו לפריצת דרך באוויר בצורה של פריקת מברשת באורך של עד כמה מטרים.