อุปกรณ์สำหรับรับพัลส์กระแสสลับแรงสูง: ขดลวด Rumkorff และหม้อแปลงเทสลา

อุปกรณ์ทางเทคนิคสำหรับรับไฟฟ้าแรงสูง

ในตอนต้นของศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์เริ่มสร้างอุปกรณ์สำหรับรับไฟฟ้าแรงสูงของกระแสสลับ ไฮน์ริช เฮิรตซ์ในการทดลองของเขาใช้อุปกรณ์ที่มีอยู่แล้วในขณะนั้นในการทดลองทางวิทยาศาสตร์ทางกายภาพและในวิศวกรรมไฟฟ้า

อุปกรณ์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์ที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งใช้ปรากฏการณ์ที่รู้จักกันในฟิสิกส์และเหนือสิ่งอื่นใดคือการเหนี่ยวนำตัวเอง - การปรากฏตัวของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดที่มีแกนเหล็กในขณะที่กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วหรือการหยุดชะงักอย่างรวดเร็วของกระแสไฟฟ้า ผ่านลูป

ในช่วงทศวรรษที่ 1930 เครื่องจักรไฟฟ้าเครื่องแรกปรากฏขึ้นโดยอาศัยการข้ามเส้นแรงแม่เหล็กด้วยการหมุนของขดลวด เครื่องดังกล่าวเครื่องแรก (พ.ศ. 2375) คือเครื่องกำเนิดของ I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry

เหตุการณ์ที่สำคัญมากในฟิสิกส์และวิศวกรรมไฟฟ้าที่เกิดขึ้นใหม่คือการปรากฏตัวของเครื่องเหนี่ยวนำ ซึ่งแท้จริงแล้วคือหม้อแปลงไฟฟ้าแรงสูง

เหล่านี้เป็นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีสองขด กระแสในขดลวดแรกถูกขัดจังหวะเป็นระยะไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ในขณะที่กระแสเหนี่ยวนำปรากฏขึ้นในขดลวดที่สอง (แม่นยำยิ่งขึ้น EMF ของการเหนี่ยวนำตัวเอง). "หม้อแปลง" ตัวแรกที่พบว่าใช้งานได้จริงมีระบบแม่เหล็กวงเปิด พวกเขาอยู่ในทศวรรษที่ 70 และ 80 ของศตวรรษที่ 19 และรูปลักษณ์ของพวกเขาเกี่ยวข้องกับชื่อของ P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs และคนอื่น ๆ

ในปี พ.ศ. 2380 เครื่องเหนี่ยวนำหรือ "ขดลวด" สร้างขึ้นโดยศาสตราจารย์ชาวฝรั่งเศส Antoine Masson เครื่องเหล่านี้ทำงานด้วยการตัดไฟอย่างรวดเร็ว ใช้สวิตช์ในรูปแบบของเกียร์ซึ่งในระหว่างการหมุนให้แตะแปรงโลหะเป็นระยะ ๆ การหยุดชะงักของกระแสนำไปสู่ ​​EMF ที่เหนี่ยวนำตัวเองและพัลส์ไฟฟ้าแรงสูงที่มีความถี่สูงเพียงพอปรากฏขึ้นที่เอาต์พุตของเครื่อง แมสสันใช้เครื่องนี้ เพื่อวัตถุประสงค์ทางการแพทย์.

ขดลวดเหนี่ยวนำ Rumkorf

ในปีพ. ศ. 2391 ผู้เชี่ยวชาญด้านอุปกรณ์ทางกายภาพที่มีชื่อเสียง Heinrich Rumkorff (ซึ่งมีการประชุมเชิงปฏิบัติการในปารีสสำหรับการผลิตเครื่องมือสำหรับการทดลองทางกายภาพ) สังเกตว่าความตึงเครียดในเครื่องของ Masson อาจเพิ่มขึ้นอย่างมากหากขดลวดถูกสร้างขึ้นด้วยจำนวนรอบที่มากและ ความถี่ของการขัดจังหวะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ในปีพ.ศ. 2395 เขาได้ออกแบบขดลวดที่มีขดลวดสองขด อันหนึ่งมีลวดหนาและมีจำนวนรอบน้อย ส่วนอีกอันมีลวดบางและมีจำนวนรอบมาก ขดลวดปฐมภูมิใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ผ่านสวิตช์แม่เหล็กแบบสั่น ในขณะที่กระแสไฟฟ้าแรงสูงถูกเหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิขดลวดนี้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อ "การเหนี่ยวนำ" และได้รับการตั้งชื่อตามผู้สร้าง Rumkorf

มันเป็นอุปกรณ์ทางกายภาพที่มีประโยชน์มากที่จำเป็นสำหรับการทดลอง และต่อมาได้กลายเป็นส่วนสำคัญของระบบวิทยุและเครื่องเอ็กซ์เรย์เครื่องแรก Paris Academy of Sciences ชื่นชมผลงานของ Rumkorff เป็นอย่างมาก และมอบรางวัลเป็นเงินก้อนโตให้กับเขาในนามของ Volta

ก่อนหน้านี้เล็กน้อย (ในปี พ.ศ. 2381) Charles Page วิศวกรชาวอเมริกันซึ่งมีส่วนร่วมในการปรับปรุงขดลวดเหนี่ยวนำด้วยก็ได้ผลลัพธ์ที่ดี - อุปกรณ์ของเขาให้แรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างสูง อย่างไรก็ตาม ในยุโรปไม่มีใครทราบเกี่ยวกับงานและการวิจัยของ Page ที่นี่ยังคงดำเนินต่อไป เส้นทางที่เป็นอิสระ

รอก Rumkorf (1960s)

หากขดลวดเหนี่ยวนำรุ่นแรกให้แรงดันไฟฟ้าที่ทำให้เกิดประกายไฟยาวประมาณ 2 ซม. ในปี 1859 L. Ritchie ได้รับประกายไฟยาวถึง 35 ซม. และในไม่ช้า Rumkorff ก็สร้างขดลวดเหนี่ยวนำที่มีประกายไฟยาวถึง 50 ซม.

ขดลวดเหนี่ยวนำ Rumkorf รอดชีวิตมาได้โดยแทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงพื้นฐาน ขนาดของขดลวด ฉนวน ฯลฯ เท่านั้นที่มีการเปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงที่ใหญ่ที่สุดส่งผลกระทบต่อโครงสร้างและหลักการทำงานของเบรกเกอร์วงจรในวงจรปฐมภูมิของขดลวดเหนี่ยวนำ

Rumkorf ขดลวด

เซอร์กิตเบรกเกอร์ประเภทแรกประเภทหนึ่งที่ใช้ในขดลวด Rumkorf คือ "วากเนอร์แฮมเมอร์" หรือ "เนฟฟ์แฮมเมอร์" อุปกรณ์ที่น่าสนใจนี้ปรากฏขึ้นในช่วงปี 1840 และเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ผ่านกลีบแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกที่เคลื่อนที่ได้พร้อมหน้าสัมผัส

เมื่อเปิดอุปกรณ์ กลีบจะถูกดึงดูดไปที่แกนกลางของแม่เหล็กไฟฟ้า หน้าสัมผัสจะขัดจังหวะวงจรจ่ายของแม่เหล็กไฟฟ้า หลังจากนั้นกลีบดอกจะเคลื่อนออกจากแกนไปยังตำแหน่งเดิม กระบวนการนี้จะถูกทำซ้ำตามความถี่ที่กำหนดโดยขนาดของชิ้นส่วนของระบบ ความแข็งและมวลของกลีบดอก และปัจจัยอื่นๆ อีกหลายประการ

ต่อมาอุปกรณ์ Wagner-Nef กลายเป็นกระดิ่งไฟฟ้าและเป็นหนึ่งในระบบสั่นแบบเครื่องกลไฟฟ้าระบบแรกที่กลายเป็นต้นแบบสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าและวิทยุจำนวนมากของวิศวกรรมวิทยุยุคแรก นอกจากนี้ อุปกรณ์นี้ยังทำให้สามารถแปลงกระแสตรงจากแบตเตอรี่เป็นกระแสสลับได้

สวิตช์ระบบเครื่องกลไฟฟ้าของ Wagner-Neff ที่ใช้ในคอยล์ Rumkorf ขับเคลื่อนโดยแรงดึงดูดของแม่เหล็กในขดลวดเอง เขาเป็นหนึ่งเดียวกับเธออย่างสร้างสรรค์ ข้อเสียของเบรกเกอร์ Wagner-Neff คือพลังงานต่ำนั่นคือไม่สามารถขัดจังหวะกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่หน้าสัมผัสถูกเผาไหม้ ยิ่งไปกว่านั้น เบรกเกอร์วงจรเหล่านี้ไม่สามารถให้ความถี่สูงของการหยุดชะงักในปัจจุบันได้

เซอร์กิตเบรกเกอร์ประเภทอื่นๆ ได้รับการออกแบบมาเพื่อขัดขวางกระแสขนาดใหญ่ในขดลวดเหนี่ยวนำอันทรงพลังของ Rumkorf พวกเขาขึ้นอยู่กับหลักการทางกายภาพที่แตกต่างกัน

หลักการทำงานของการออกแบบหนึ่งคือแท่งโลหะที่ค่อนข้างหนาเคลื่อนที่ไปมาในระนาบแนวตั้งจมลงในถ้วยปรอท ระบบขับเคลื่อนเชิงกลจะแปลงการเคลื่อนที่แบบหมุน (ด้วยมือหรือกลไกนาฬิกาหรือมอเตอร์ไฟฟ้า) ให้เป็นการเคลื่อนที่แบบลูกสูบเชิงเส้น ดังนั้นความถี่ของการหยุดชะงักจึงแตกต่างกันไปอย่างมาก

หนึ่งในการออกแบบเบรกเกอร์ในยุคแรก ๆ ซึ่งเสนอโดย J. Foucault การกระตุ้นดำเนินการโดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้า เช่นเดียวกับในค้อน Wagner-Neff และหน้าสัมผัสแข็งถูกแทนที่ด้วยปรอท

จนถึงสิ้นศตวรรษที่สิบเก้า ที่แพร่หลายที่สุดคือการออกแบบของ บริษัท "Dukret" และ "Mak-Kol" เบรกเกอร์เหล่านี้ให้ความเร็วทำลาย 1,000-2,000 ต่อนาที และสามารถใช้งานได้ด้วยตนเอง ในกรณีที่สองสามารถรับการปลดปล่อยเพียงครั้งเดียวบนขดลวด Rumkorf

เบรกเกอร์อีกประเภทหนึ่งทำงานบนหลักการเจ็ต และบางครั้งเรียกว่าเทอร์ไบน์ เบรกเกอร์วงจรเหล่านี้ทำงานดังนี้

กังหันความเร็วสูงขนาดเล็กจะสูบฉีดปรอทจากอ่างเก็บน้ำไปยังด้านบนของกังหัน จากจุดที่ปรอทถูกขับออกมาแบบแรงเหวี่ยงผ่านหัวฉีดในรูปของไอพ่นหมุน บนผนังของเบรกเกอร์มีอิเล็กโทรดอยู่เป็นระยะ ๆ ซึ่งไอพ่นปรอทสัมผัสระหว่างการเคลื่อนที่ ดังนั้นการปิดและเปิดของกระแสน้ำที่แรงเพียงพอจึงเกิดขึ้น

มีการใช้สวิตช์ประเภทอื่น - อิเล็กโทรไลต์ตามปรากฏการณ์ที่ค้นพบโดยศาสตราจารย์ชาวรัสเซีย N.P. Sluginov ในปี พ.ศ. 2427 หลักการทำงานของสวิตช์ประกอบด้วยความจริงที่ว่าเมื่อกระแสผ่านอิเล็กโทรไลต์ที่มีกรดซัลฟิวริกระหว่างตะกั่วจำนวนมากและ อิเล็กโทรดแพลตตินัมของอิเล็กโทรดแพลตตินัม (บวก) ซึ่งเป็นลวดฉนวนแก้วบางที่มีปลายแหลม มีฟองแก๊สปรากฏขึ้น ขัดขวางการไหลของกระแสเป็นระยะ และกระแสถูกขัดจังหวะ

เบรกเกอร์วงจรไฟฟ้าให้ความเร็วในการทำลายสูงถึง 500 - 800 ต่อวินาที การเรียนรู้กระแสสลับในวิศวกรรมไฟฟ้าเมื่อต้นศตวรรษที่ยี่สิบ นำความเป็นไปได้ใหม่ๆ มาสู่คลังแสงของฟิสิกส์และเริ่มใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์วิทยุแล้ว

เครื่องจักรกระแสสลับถูกใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับขดลวด Rumkorf กระแสสลับไซน์ซึ่งทำให้สามารถใช้งานได้อย่างแพร่หลายมากขึ้น ปรากฏการณ์เสียงสะท้อน ในขดลวดทุติยภูมิ และต่อมาเป็นแหล่งของกระแสความถี่สูงที่สามารถนำไปใช้เพื่อการแผ่รังสีได้โดยตรง

หม้อแปลงเทสลา

นักวิทยาศาสตร์กลุ่มแรกๆ ที่สนใจคุณสมบัติของความถี่สูงและกระแสไฟฟ้าแรงสูงคือ นิโคลา เทสลาผู้มีส่วนสนับสนุนอย่างจริงจังในการพัฒนาวิศวกรรมไฟฟ้าทั้งหมด นักวิทยาศาสตร์และนักประดิษฐ์ที่มีความสามารถนี้มีนวัตกรรมที่ใช้งานได้จริงและเป็นต้นฉบับมากมาย

หลังจากการประดิษฐ์วิทยุ เขาได้ออกแบบโมเดลเรือบังคับวิทยุเป็นครั้งแรก พัฒนาตะเกียงแก๊ส ออกแบบเครื่องไฟฟ้าความถี่สูงแบบเหนี่ยวนำ ฯลฯ จำนวนสิทธิบัตรของเขาถึง 800 ฉบับ ตามที่วิศวกรวิทยุชาวอเมริกัน เอ็ดวิน อาร์มสตรอง การค้นพบกระแสหลายเฟสและมอเตอร์เหนี่ยวนำเพียงตัวเดียวก็เพียงพอที่จะทำให้ชื่อของเทสลาเป็นอมตะตลอดไป

เป็นเวลาหลายปีที่ Nikola Tesla หล่อเลี้ยงแนวคิดในการส่งพลังงานแบบไร้สายในระยะไกลด้วยวิธีการที่น่าตื่นเต้นของโลกเป็นวงจรสั่นขนาดใหญ่ เขาทำให้หลายคนหลงใหลในความคิดนี้ พัฒนาแหล่งที่มาของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงและตัวปล่อยพลังงาน

การสร้างอุปกรณ์ของเทสลาซึ่งมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาวิศวกรรมไฟฟ้าสาขาต่าง ๆ และเรียกว่า "หม้อแปลงเรโซแนนซ์" หรือ "หม้อแปลงเทสลา" มีอายุย้อนไปถึงปี พ.ศ. 2434

หม้อแปลงเรโซแนนซ์ของเทสลา (ปี 1990) วงจรสวิตชิ่งในการกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ขดลวดเหนี่ยวนำไฟฟ้าแรงสูงของ Rumkorf ถูกปล่อยลงโถ Leyden หลังถูกชาร์จด้วยไฟฟ้าแรงสูงแล้วปล่อยผ่านขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงเรโซแนนซ์ ในเวลาเดียวกัน แรงดันไฟฟ้าที่สูงมากจะเกิดขึ้นบนขดลวดทุติยภูมิที่ปรับเสียงสะท้อนกับขดลวดปฐมภูมิ เทสลาได้รับไฟฟ้าแรงสูง (ประมาณ 100 kV) ด้วยความถี่ประมาณ 150 kHz แรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ทำให้เกิดความก้าวหน้าในอากาศในรูปแบบของการปล่อยแปรงที่มีความยาวหลายเมตร