Perangkat untuk menerima pulsa arus bolak-balik tegangan tinggi: koil Rumkorff dan transformator Tesla

Perangkat teknis untuk menerima tegangan tinggi

Pada awal abad ke-19, para ilmuwan mulai membuat perangkat untuk mendapatkan tegangan tinggi dari arus bolak-balik. Heinrich Hertz dalam eksperimennya menggunakan perangkat yang sudah tersedia pada saat itu dalam ilmu eksperimen fisika dan teknik kelistrikan.

Ini adalah perangkat yang sangat khas di mana fenomena yang dikenal dalam fisika digunakan, dan di atas segalanya, induksi diri - munculnya gaya gerak listrik yang diinduksi dalam gulungan dengan inti besi pada saat peningkatan tajam atau gangguan cepat arus listrik yang lewat melalui loop.

Di tahun 1930-an. mesin listrik pertama kali muncul, berdasarkan persilangan garis gaya magnet melalui kumparan yang berputar. Mesin pertama (1832) adalah generator I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.

Peristiwa yang sangat penting dalam fisika dan teknik kelistrikan yang baru muncul adalah kemunculan mesin induksi, yang sebenarnya adalah transformator tegangan tinggi.

Ini adalah elektromagnet dengan dua kumparan. Arus di kumparan pertama terputus secara berkala dengan satu atau lain cara, sementara arus induksi muncul di kumparan kedua (lebih tepatnya, EMF induksi diri). "Transformer" pertama yang menemukan penggunaan praktis memiliki sistem magnet loop terbuka. Mereka berasal dari tahun 70-an dan 80-an abad ke-19, dan kemunculannya dikaitkan dengan nama P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs, dan lainnya.

Pada tahun 1837, mesin induksi atau "kumparan" muncul, diciptakan oleh profesor Perancis Antoine Masson. Mesin ini beroperasi dengan pemadaman listrik yang cepat. Sakelar berupa roda gigi digunakan, yang selama putaran menyentuh sikat logam secara berkala. Gangguan arus menyebabkan EMF induksi sendiri, dan pulsa tegangan tinggi dengan frekuensi yang cukup tinggi muncul di keluaran mesin. Masson menggunakan mesin ini untuk tujuan medis.

Koil induksi Rumkorf

Pada tahun 1848, master perangkat fisik terkenal Heinrich Rumkorff (yang memiliki bengkel di Paris untuk pembuatan peralatan untuk eksperimen fisik) memperhatikan bahwa tegangan pada mesin Masson dapat meningkat secara signifikan jika koil dibuat dengan banyak putaran dan frekuensi interupsi meningkat secara signifikan.

Pada tahun 1852 ia merancang sebuah kumparan dengan dua kumparan: satu dengan kawat tebal dan sejumlah kecil lilitan, yang lain dengan kawat tipis dan sejumlah besar lilitan. Kumparan primer ditenagai oleh baterai melalui sakelar magnet yang bergetar, sedangkan tegangan tinggi diinduksi pada kumparan sekunder.Kumparan ini kemudian dikenal sebagai "induksi" dan dinamai penciptanya Rumkorf.

Itu adalah perangkat fisik yang sangat berguna yang diperlukan untuk melakukan eksperimen, dan kemudian menjadi bagian integral dari sistem radio dan mesin sinar-X pertama. Akademi Ilmu Pengetahuan Paris sangat menghargai jasa Rumkorff dan memberinya hadiah uang yang besar atas nama Volta.

Beberapa saat sebelumnya (pada tahun 1838), insinyur Amerika Charles Page, yang juga terlibat dalam peningkatan kumparan induksi, mencapai hasil yang baik - perangkatnya memberikan voltase yang cukup tinggi... Di Eropa, bagaimanapun, tidak ada yang diketahui tentang pekerjaan Page dan penelitian berlanjut di sini jalur mandiri.

Gulungan Rumkorf (1960-an)

Jika model pertama kumparan induksi memberikan tegangan yang menimbulkan bunga api sepanjang 2 cm, maka pada tahun 1859 L. Ritchie memperoleh bunga api sepanjang 35 cm dan Rumkorff segera membuat kumparan induksi dengan bunga api sepanjang 50 cm.

Kumparan induksi Rumkorf bertahan hampir tanpa perubahan mendasar. Hanya dimensi gulungan, insulasi, dll. Yang telah diubah. Perubahan terbesar mempengaruhi konstruksi dan prinsip pengoperasian pemutus sirkuit di sirkuit utama koil induksi.

gulungan Rumkorf

Salah satu jenis pemutus sirkuit pertama yang digunakan dalam gulungan Rumkorf adalah apa yang disebut "palu Wagner" atau "palu Neff". Perangkat yang sangat menarik ini muncul sekitar tahun 1840-an. dan merupakan elektromagnet yang ditenagai oleh baterai melalui lobus feromagnetik yang dapat digerakkan dengan kontak.

Saat perangkat dihidupkan, kelopak ditarik ke inti elektromagnet, kontak memutus sirkuit suplai elektromagnet, setelah itu kelopak dipindahkan dari inti ke posisi semula. Proses tersebut kemudian diulang pada frekuensi yang ditentukan oleh ukuran bagian sistem, kekakuan dan massa kelopak, dan sejumlah faktor lainnya.

Perangkat Wagner-Nef kemudian menjadi bel listrik dan merupakan salah satu sistem osilasi elektromekanis pertama yang menjadi prototipe untuk banyak perangkat listrik dan radio dari teknik radio awal. Selain itu, perangkat ini memungkinkan untuk mengubah arus searah dari baterai menjadi arus terputus-putus.

Sakelar elektromekanis Wagner-Neff yang digunakan dalam kumparan Rumkorf digerakkan oleh gaya tarik magnet dari kumparan itu sendiri. Dia secara konstruktif menyatu dengannya. Kerugian dari pemutus sirkuit Wagner-Neff adalah dayanya yang rendah, yaitu ketidakmampuan untuk mengganggu arus besar di mana kontak dibakar; selain itu, pemutus sirkuit ini tidak dapat memberikan frekuensi gangguan arus yang tinggi.

Jenis pemutus sirkuit lainnya dirancang untuk mengganggu arus besar dalam kumparan induksi Rumkorf yang kuat. Mereka didasarkan pada prinsip fisik yang berbeda.

Prinsip pengoperasian satu desain adalah batang logam, cukup tebal, bergerak bolak-balik dalam bidang vertikal, tenggelam ke dalam cangkir merkuri. Penggerak mekanis mengubah gerakan berputar (dengan tangan atau jarum jam atau motor listrik) menjadi gerakan bolak-balik linier, sehingga frekuensi interupsi dapat sangat bervariasi.

Dalam salah satu desain awal pemutus seperti itu, yang diusulkan oleh J. Foucault, penggerak dilakukan dengan menggunakan elektromagnet, seperti pada palu Wagner-Neff, dan kontak keras diganti dengan merkuri.

Sampai akhir abad XIX. yang paling tersebar luas adalah desain perusahaan «Dukret» dan «Mak-Kol». Pemutus ini memberikan kecepatan putus 1000-2000 per menit dan dapat dioperasikan secara manual. Dalam kasus kedua, pelepasan tunggal dapat diperoleh pada koil Rumkorf.

Jenis pemutus lain beroperasi dengan prinsip jet dan terkadang disebut turbin. Pemutus sirkuit ini bekerja sebagai berikut.

Turbin kecil berkecepatan tinggi memompa merkuri dari reservoir ke bagian atas turbin, dari mana merkuri dikeluarkan secara sentrifugal melalui nosel dalam bentuk jet yang berputar. Di dinding pemutus terdapat elektroda yang terletak secara berkala, yang disentuh oleh semburan merkuri selama pergerakannya. Beginilah penutupan dan pembukaan arus yang cukup kuat terjadi.

Jenis sakelar lain digunakan - elektrolitik, berdasarkan fenomena yang ditemukan oleh profesor Rusia N.P. Sluginov pada tahun 1884. Prinsip pengoperasian sakelar terdiri dari fakta bahwa ketika arus melewati elektrolit dengan asam sulfat antara timbal masif dan elektroda platinum dari elektroda platinum (positif), yang merupakan kawat berinsulasi kaca tipis dengan ujung yang tajam, gelembung gas muncul, secara berkala mencegah aliran arus, dan arus terputus.

Pemutus sirkuit elektrolit memberikan kecepatan pemutusan hingga 500 - 800 per detik. Menguasai arus bolak-balik dalam teknik kelistrikan pada awal abad kedua puluh. memperkenalkan kemungkinan baru ke dalam gudang fisika dan sudah memulai elektronik radio.

Mesin arus bolak-balik digunakan untuk menyalakan gulungan Rumkorf arus bolak-balik sinusoidal, yang memungkinkan untuk menggunakannya secara lebih luas fenomena resonansi pada belitan sekunder, dan nantinya sebagai sumber arus frekuensi tinggi yang dapat langsung digunakan untuk radiasi.

Transformator Tesla

Salah satu ilmuwan pertama yang tertarik pada sifat frekuensi tinggi, arus tegangan tinggi adalah Nikola Tesla, yang memberikan kontribusi yang sangat serius bagi pengembangan semua teknik kelistrikan. Ilmuwan dan penemu berbakat ini memiliki banyak inovasi praktis dan orisinal.

Setelah penemuan radio, ia pertama kali merancang model kapal yang dikendalikan radio, mengembangkan lampu gas, merancang mesin listrik frekuensi tinggi induksi, dll. Jumlah patennya mencapai 800. Menurut insinyur radio Amerika Edwin Armstrong , penemuan arus multifase dan hanya satu motor induksi saja sudah cukup , untuk mengabadikan nama Tesla selamanya.

Selama bertahun-tahun, Nikola Tesla memupuk gagasan transmisi energi nirkabel dari jarak jauh dengan metode menarik bumi sebagai sirkuit berosilasi besar. Dia memikat banyak pikiran dengan pemikiran ini, mengembangkan sumber energi elektromagnetik frekuensi tinggi dan pemancarnya.

Penciptaan perangkat Tesla, yang memainkan peran yang sangat penting dalam pengembangan berbagai cabang teknik kelistrikan dan disebut "transformator resonan" atau "transformator Tesla", dimulai pada tahun 1891.

Transformator resonansi Tesla (1990-an). Rangkaian switching pada generator gelombang elektromagnetik

Koil induksi tegangan tinggi Rumkorf dibuang ke tabung Leyden. Yang terakhir diisi ke tegangan tinggi dan kemudian dibuang melalui belitan utama transformator resonansi. Pada saat yang sama, tegangan yang sangat tinggi terjadi pada belitan sekundernya yang disetel beresonansi dengan primer. Tesla menerima tegangan tinggi (sekitar 100 kV) dengan frekuensi sekitar 150 kHz. Tegangan ini menyebabkan terobosan di udara berupa aliran sikat hingga beberapa meter.