Dispositivi per la ricezione di impulsi di corrente alternata ad alta tensione: bobina di Rumkorff e trasformatore di Tesla
Dispositivi tecnici per la ricezione di alta tensione
All'inizio del XIX secolo, gli scienziati iniziarono a creare dispositivi per ottenere alte tensioni di corrente alternata. Heinrich Hertz nei suoi esperimenti ha utilizzato i dispositivi che erano già disponibili a quel tempo nella scienza sperimentale fisica e nell'ingegneria elettrica.
Si trattava di dispositivi molto caratteristici in cui venivano utilizzati fenomeni noti in fisica e, soprattutto, l'autoinduzione: la comparsa di una forza elettromotrice indotta in bobine con un nucleo di ferro al momento di un forte aumento o di una rapida interruzione del passaggio della corrente elettrica attraverso i loop.
Negli anni '30. apparvero le prime macchine elettriche, basate sull'incrocio di linee di forza magnetiche per mezzo di bobine rotanti. Le prime macchine di questo tipo (1832) furono i generatori di I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.
Un evento molto importante nella fisica e nell'ingegneria elettrica emergente fu la comparsa delle macchine a induzione, che in realtà erano trasformatori ad alta tensione.
Questi erano elettromagneti con due bobine. La corrente nella prima bobina viene periodicamente interrotta in un modo o nell'altro, mentre nella seconda bobina compare una corrente indotta (più precisamente, EMF di autoinduzione). I primi "trasformatori" che hanno trovato un uso pratico avevano un sistema magnetico ad anello aperto. Appartengono agli anni '70 e '80 del XIX secolo e il loro aspetto è associato ai nomi di P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs e altri.
Nel 1837 apparvero macchine ad induzione o "bobine", create dal professore francese Antoine Masson. Queste macchine funzionavano con una rapida interruzione di corrente. È stato utilizzato un interruttore a forma di ingranaggio, che durante la rotazione toccava a intervalli regolari la spazzola metallica. L'interruzione della corrente ha portato all'autoinduzione EMF e all'uscita della macchina sono comparsi impulsi ad alta tensione con una frequenza sufficientemente elevata. Masson usa questa macchina per scopi medici.
Bobina di induzione Rumkorf
Nel 1848, il famoso maestro di dispositivi fisici Heinrich Rumkorff (che aveva un laboratorio a Parigi per la fabbricazione di apparecchi per esperimenti fisici) notò che la tensione nella macchina di Masson poteva essere aumentata in modo significativo se la bobina fosse realizzata con un gran numero di spire e la frequenza delle interruzioni aumenta notevolmente.
Nel 1852 progettò una bobina a due spire: una con filo spesso e un numero ridotto di spire, l'altra con filo sottile e un numero molto elevato di spire. La bobina primaria è alimentata da una batteria tramite un interruttore magnetico a vibrazione, mentre nel secondario viene indotta un'alta tensione.Questa bobina divenne nota come "induzione" e prese il nome dal suo creatore Rumkorf.
Era un dispositivo fisico molto utile necessario per condurre esperimenti, e in seguito divenne parte integrante dei primi sistemi radio e macchine a raggi X. L'Accademia delle scienze di Parigi ha molto apprezzato il merito di Rumkorff e gli ha assegnato un grande premio in denaro a nome di Volta.
Poco prima (nel 1838), l'ingegnere americano Charles Page, che si occupava anche di migliorare le bobine di induzione, ottenne buoni risultati: i suoi dispositivi fornivano tensioni piuttosto elevate.In Europa, tuttavia, non si sapeva nulla del lavoro di Page e la ricerca qui continuò un percorso indipendente.
Mulinello Rumkorf (anni '60)
Se i primi modelli di bobine di induzione davano una tensione che provocava scintille lunghe circa 2 cm, allora nel 1859 L. Ritchie ottenne scintille lunghe fino a 35 cm e Rumkorff presto costruì una bobina di induzione con scintille lunghe fino a 50 cm.
La bobina di induzione Rumkorf è sopravvissuta quasi senza cambiamenti fondamentali. Sono state modificate solo le dimensioni delle bobine, dell'isolamento, ecc. I maggiori cambiamenti riguardano la costruzione e i principi di funzionamento degli interruttori nel circuito primario della bobina di induzione.
Bobine di Rumkorf
Uno dei primi tipi di interruttori utilizzati nelle bobine Rumkorf era il cosiddetto "martello Wagner" o "martello Neff". Questo dispositivo molto interessante è apparso intorno al 1840. ed era un elettromagnete alimentato da una batteria tramite un lobo ferromagnetico mobile con contatti.
Quando il dispositivo è stato acceso, il petalo è stato attratto dal nucleo dell'elettromagnete, il contatto ha interrotto il circuito di alimentazione dell'elettromagnete, dopodiché il petalo si è allontanato dal nucleo nella sua posizione originale. Il processo viene quindi ripetuto a una frequenza determinata dalla dimensione delle parti del sistema, dalla rigidità e dalla massa del petalo e da una serie di altri fattori.
Il dispositivo Wagner-Nef in seguito divenne il campanello elettrico e fu uno dei primi sistemi oscillanti elettromeccanici che divenne il prototipo di molti dispositivi elettrici e radio della prima ingegneria radio. Inoltre, questo dispositivo ha permesso di convertire la corrente continua dalla batteria in corrente intermittente.
L'interruttore elettromeccanico Wagner-Neff utilizzato nella bobina Rumkorf è azionato dalle forze magnetiche di attrazione della bobina stessa. Era costruttivamente tutt'uno con lei. Lo svantaggio dell'interruttore Wagner-Neff era la sua bassa potenza, cioè l'incapacità di interrompere grandi correnti dove i contatti erano bruciati; inoltre, questi interruttori non possono fornire un'elevata frequenza di interruzione di corrente.
Altri tipi di interruttori automatici sono progettati per interrompere grandi correnti in potenti bobine di induzione Rumkorf. Si basano su diversi principi fisici.
Il principio di funzionamento di un progetto è che un'asta di metallo, piuttosto spessa, si muove avanti e indietro su un piano verticale, affondando in una tazza di mercurio. Un azionamento meccanico converte il movimento rotatorio (a mano o a orologeria o motore elettrico) in movimento alternativo lineare, quindi la frequenza delle interruzioni può variare notevolmente.
In uno dei primi progetti di tale demolitore, proposto da J. Foucault, l'azionamento era effettuato per mezzo di un elettromagnete, come nel martello di Wagner-Neff, ei contatti duri erano sostituiti dal mercurio.
Fino alla fine del XIX secolo. i più diffusi sono i design delle società «Dukret» e «Mak-Kol». Questi demolitori forniscono una velocità di rottura di 1000-2000 al minuto e possono essere azionati manualmente. Nel secondo caso si possono ottenere scariche singole sulla Rumkorf coil.
Un altro tipo di demolitore funziona secondo il principio del getto ed è talvolta chiamato turbina. Questi interruttori hanno funzionato come segue.
Una piccola turbina ad alta velocità pompa il mercurio da un serbatoio alla parte superiore della turbina, da dove il mercurio viene espulso in modo centrifugo attraverso un ugello a forma di getto rotante. Sulle pareti del demolitore erano posti degli elettrodi posti ad intervalli regolari, che venivano toccati dal getto di mercurio durante il suo movimento. È così che è avvenuta la chiusura e l'apertura di correnti sufficientemente forti.
È stato utilizzato un altro tipo di interruttore: elettrolitico, basato su un fenomeno scoperto dal professore russo N.P. Sluginov nel 1884. Il principio di funzionamento dell'interruttore consisteva nel fatto che quando una corrente passa attraverso un elettrolita con acido solforico tra il piombo massiccio e elettrodi di platino dell'elettrodo di platino (positivo), che è un sottile filo isolato in vetro con un'estremità affilata, sono comparse bolle di gas che impedivano periodicamente il flusso di corrente e la corrente è stata interrotta.
Gli interruttori elettrolitici forniscono velocità di interruzione fino a 500 - 800 al secondo. Padroneggiare le correnti alternate nell'ingegneria elettrica all'inizio del ventesimo secolo. ha introdotto nuove possibilità nell'arsenale della fisica e ha già avviato l'elettronica radio.
Le macchine a corrente alternata sono state utilizzate per alimentare le bobine di Rumkorf corrente sinusoidale alternata, che ne ha permesso un uso più ampio fenomeno di risonanza nell'avvolgimento secondario e successivamente come sorgenti di correnti ad alta frequenza direttamente utilizzabili per l'irraggiamento.
Trasformatore Tesla
Uno dei primi scienziati interessati alle proprietà delle correnti ad alta frequenza e ad alta tensione è stato Nicola Tesla, che ha dato un contributo molto serio allo sviluppo di tutta l'ingegneria elettrica. Questo talentuoso scienziato e inventore ha molte innovazioni pratiche e originali.
Dopo l'invenzione della radio, progettò per la prima volta un modello di nave radiocomandata, sviluppò lampade a gas, progettò una macchina elettrica ad induzione ad alta frequenza, ecc. Il numero dei suoi brevetti raggiunse gli 800. Secondo l'ingegnere radiofonico americano Edwin Armstrong , la scoperta di correnti multifase e di un solo motore a induzione sarebbe abbastanza, per immortalare per sempre il nome di Tesla.
Per molti anni Nikola Tesla ha nutrito l'idea della trasmissione wireless di energia a distanza mediante il metodo dell'eccitazione della terra come un grande circuito oscillante. Ha affascinato molte menti con questo pensiero, ha sviluppato fonti di energia elettromagnetica ad alta frequenza e i suoi emettitori.
La creazione del dispositivo di Tesla, che ha svolto un ruolo molto importante nello sviluppo di vari rami dell'ingegneria elettrica ed è stato chiamato "trasformatore risonante" o "trasformatore di Tesla", risale al 1891.
Il trasformatore risonante di Tesla (anni '90). Circuito di commutazione nel generatore di onde elettromagnetiche
La bobina di induzione ad alta tensione di Rumkorf viene scaricata nella bottiglia di Leida. Quest'ultimo viene caricato ad alta tensione e poi scaricato attraverso l'avvolgimento primario del trasformatore risonante. Allo stesso tempo, si verifica una tensione molto elevata sul suo avvolgimento secondario sintonizzato in risonanza con il primario. Tesla riceve tensioni elevate (circa 100 kV) con una frequenza di circa 150 kHz. Queste tensioni hanno causato uno sfondamento nell'aria sotto forma di una scarica a pennello lunga fino a diversi metri.