أجهزة استقبال نبضات التيار المتردد عالي الجهد: ملف رومكورف ومحول تسلا

الأجهزة الفنية لاستقبال الجهد العالي

في بداية القرن التاسع عشر ، بدأ العلماء في إنشاء أجهزة للحصول على الفولتية العالية للتيار المتردد. استخدم هاينريش هيرتز في تجاربه الأجهزة التي كانت متاحة بالفعل في ذلك الوقت في العلوم التجريبية الفيزيائية والهندسة الكهربائية.

كانت هذه أجهزة مميزة للغاية تم فيها استخدام الظواهر المعروفة في الفيزياء ، وقبل كل شيء ، الحث الذاتي - ظهور قوة دافعة كهربائية مستحثة في ملفات ذات قلب حديدي في لحظة الزيادة الحادة أو الانقطاع السريع للتيار الكهربائي المار من خلال الحلقات.

في الثلاثينيات. ظهرت الآلات الكهربائية الأولى ، بناءً على تقاطع خطوط القوة المغناطيسية عن طريق لفائف دوارة. أول هذه الآلات (1832) كانت مولدات I. Pixii و A. Jedlik و B. Jacobi و D. Henry.

من الأحداث المهمة جدًا في الفيزياء والهندسة الكهربائية الناشئة ظهور آلات الحث ، والتي كانت في الواقع محولات عالية الجهد.

كانت هذه مغناطيسات كهربائية ذات ملفين. يتم مقاطعة التيار في الملف الأول بشكل دوري بطريقة أو بأخرى ، بينما يظهر التيار المستحث في الملف الثاني (بتعبير أدق ، EMF للحث الذاتي). أول "المحولات" التي وجدت استخدامًا عمليًا كان لها نظام مغناطيسي مفتوح الحلقة. ينتمون إلى السبعينيات والثمانينيات من القرن التاسع عشر ، ويرتبط مظهرهم بأسماء P. Yablochkov و I. Usagin و L. Golyar و E. Gibbs وآخرين.

في عام 1837 ظهرت آلات الحث أو "الملفات" التي ابتكرها الأستاذ الفرنسي أنطوان ماسون. تعمل هذه الآلات بقطع سريع للتيار الكهربائي. تم استخدام مفتاح على شكل ترس ، والذي أثناء الدوران لمس الفرشاة المعدنية على فترات منتظمة. أدى انقطاع التيار إلى EMF ذاتية الحث ، وظهرت نبضات عالية الجهد بتردد عالٍ بدرجة كافية عند إخراج الجهاز. يستخدم ماسون هذه الآلة للأغراض الطبية.

ملف التعريفي رومكورف

في عام 1848 ، لاحظ المعلم الشهير للأجهزة المادية هاينريش رومكورف (الذي كان لديه ورشة في باريس لتصنيع أجهزة للتجارب الفيزيائية) أن التوتر في آلة ماسون يمكن أن يزداد بشكل كبير إذا تم تصنيع الملف بعدد كبير من المنعطفات و يزداد تواتر الانقطاعات بشكل ملحوظ.

في عام 1852 قام بتصميم ملف بملفين: أحدهما بسلك سميك وعدد قليل من المنعطفات ، والآخر بسلك رفيع وعدد كبير جدًا من المنعطفات. يتم تشغيل الملف الأساسي بواسطة بطارية من خلال مفتاح مغناطيسي اهتزازي ، بينما يتم إحداث جهد عالٍ في المرحلة الثانوية.أصبح هذا الملف يعرف باسم "الحث" وسمي على اسم مبتكره رومكورف.

لقد كان جهازًا فيزيائيًا مفيدًا للغاية لازمًا لإجراء التجارب ، وأصبح لاحقًا جزءًا لا يتجزأ من أنظمة الراديو وأجهزة الأشعة السينية الأولى. أعربت أكاديمية باريس للعلوم عن تقديرها الشديد لجدارة رومكورف ومنحته جائزة نقدية كبيرة باسم فولتا.

قبل ذلك بقليل (في عام 1838) ، حقق المهندس الأمريكي تشارلز بيج ، الذي شارك أيضًا في تحسين ملفات الحث ، نتائج جيدة - أعطت أجهزته جهدًا عاليًا جدًا. ومع ذلك ، في أوروبا ، لم يكن هناك شيء معروف عن عمل بيج واستمر البحث هنا حول طريق مستقل.

بكرة رومكورف (الستينيات)

إذا أعطت النماذج الأولى من ملفات الحث جهدًا تسبب في حدوث شرارات يبلغ طولها حوالي 2 سم ، ففي عام 1859 حصل ريتشي على شرارات يصل طولها إلى 35 سم وسرعان ما قام رومكورف ببناء ملف تحريض بشرارات يصل طولها إلى 50 سم.

نجا ملف الحث Rumkorf تقريبًا بدون تغييرات أساسية. تم تغيير أبعاد الملفات والعزل وما إلى ذلك فقط. تؤثر أكبر التغييرات على بناء ومبادئ تشغيل قواطع الدائرة في الدائرة الأولية لملف الحث.

لفائف رومكورف

أحد الأنواع الأولى من قواطع الدائرة المستخدمة في ملفات رومكورف كان يسمى "مطرقة واغنر" أو "مطرقة نيف". ظهر هذا الجهاز المثير للاهتمام في حوالي أربعينيات القرن التاسع عشر. وكان مغناطيسًا كهربائيًا مدعومًا ببطارية عبر فص مغناطيسي مغناطيسي متحرك مع جهات اتصال.

عندما تم تشغيل الجهاز ، انجذبت البتلة إلى قلب المغناطيس الكهربائي ، وقطع التلامس دائرة إمداد المغناطيس الكهربائي ، وبعد ذلك ابتعدت البتلة عن القلب إلى موضعها الأصلي. ثم تتكرر العملية بتردد يحدده حجم أجزاء النظام ، وصلابة البتلة وكتلتها ، وعدد من العوامل الأخرى.

أصبح جهاز Wagner-Nef فيما بعد الجرس الكهربائي وكان من أوائل أنظمة التذبذب الكهروميكانيكية التي أصبحت نموذجًا أوليًا للعديد من الأجهزة الكهربائية والراديوية لهندسة الراديو المبكرة. بالإضافة إلى ذلك ، أتاح هذا الجهاز تحويل التيار المباشر من البطارية إلى تيار متقطع.

يتم تشغيل مفتاح Wagner-Neff الكهروميكانيكي المستخدم في ملف Rumkorf بواسطة قوى الجذب المغناطيسية للملف نفسه. كان معها بشكل بناء. كان عيب قاطع الدائرة Wagner-Neff هو قوته المنخفضة ، أي عدم القدرة على مقاطعة التيارات الكبيرة حيث تم حرق الاتصالات ؛ علاوة على ذلك ، لا يمكن لقواطع الدائرة هذه توفير تردد عالٍ لانقطاع التيار.

تم تصميم أنواع أخرى من قواطع الدائرة لمقاطعة التيارات الكبيرة في ملفات Rumkorf الحثية القوية. أنها تستند إلى مبادئ فيزيائية مختلفة.

مبدأ تشغيل أحد التصميمات هو أن قضيبًا معدنيًا ، سميكًا جدًا ، يتحرك ذهابًا وإيابًا في مستوى عمودي ، ويغرق في كوب من الزئبق. يقوم المحرك الميكانيكي بتحويل الحركة الدورانية (باليد أو آلية الساعة أو المحرك الكهربائي) إلى حركة ترددية خطية ، وبالتالي يمكن أن يختلف تواتر الانقطاعات بشكل كبير.

في أحد التصميمات المبكرة لمثل هذا القاطع ، الذي اقترحه ج. فوكو ، تم التشغيل بواسطة مغناطيس كهربائي ، كما هو الحال في مطرقة فاجنر-نيف ، وتم استبدال الملامسات الصلبة بالزئبق.

حتى نهاية القرن التاسع عشر. الأكثر انتشارا هي تصاميم شركتي «دكريت» و «ماك كول». توفر هذه القواطع سرعة كسر تتراوح من 1000 إلى 2000 في الدقيقة ويمكن تشغيلها يدويًا. في الحالة الثانية ، يمكن الحصول على تصريفات مفردة على ملف Rumkorf.

نوع آخر من الكسارة يعمل على مبدأ النفث ويسمى أحيانًا التوربينات. تعمل قواطع الدائرة هذه على النحو التالي.

يضخ التوربينات الصغيرة عالية السرعة الزئبق من الخزان إلى قمة التوربين ، حيث يُقذف الزئبق بالطرد المركزي عبر فوهة على شكل نفاثة دوارة. على جدران القاطع كانت هناك أقطاب كهربائية تقع على فترات منتظمة ، والتي تم لمسها بواسطة نفاثة الزئبق أثناء حركتها. هذه هي الطريقة التي حدث بها إغلاق وفتح تيارات قوية بما فيه الكفاية.

تم استخدام نوع آخر من المفاتيح - التحليل الكهربي ، استنادًا إلى ظاهرة اكتشفها البروفيسور الروسي ن.ب.سلوجينوف في عام 1884. يتمثل مبدأ تشغيل المفتاح في حقيقة أنه عندما يمر تيار عبر إلكتروليت بحمض الكبريتيك بين الرصاص الهائل و قطب بلاتينيوم من قطب البلاتين (موجب) ، وهو سلك رقيق معزول بالزجاج بنهاية حادة ، ظهرت فقاعات غاز تمنع تدفق التيار بشكل دوري ، وانقطع التيار.

توفر قواطع الدائرة الكهربائية سرعات كسر تصل إلى 500-800 في الثانية. إتقان التيارات المتناوبة في الهندسة الكهربائية في بداية القرن العشرين. أدخلت إمكانيات جديدة في ترسانة الفيزياء وبدأت بالفعل في الإلكترونيات الراديوية.

تم استخدام آلات التيار المتردد لتشغيل ملفات Rumkorf التيار الجيبي المتناوب، مما جعل من الممكن استخدامه على نطاق أوسع ظاهرة الرنين في الملف الثانوي ، وبعد ذلك كمصادر للتيارات عالية التردد التي يمكن استخدامها مباشرة للإشعاع.

محول تسلا

كان من أوائل العلماء المهتمين بخصائص التيارات عالية التردد والجهد العالي نيكولا تيسلا، الذي قدم مساهمة جادة للغاية في تطوير جميع الهندسة الكهربائية. هذا العالم والمخترع الموهوب لديه العديد من الابتكارات العملية والأصلية.

بعد اختراع الراديو ، صمم أولاً نموذجًا لسفينة يتم التحكم فيها عن طريق الراديو ، وطور مصابيح غازية ، وصمم آلة كهربائية عالية التردد ، وما إلى ذلك. بلغ عدد براءات اختراعه 800. وفقًا لمهندس الراديو الأمريكي إدوين أرمسترونج ، فإن اكتشاف التيارات متعددة الأطوار ومحرك حثي واحد فقط سيكون كافياً ، لتخليد اسم تسلا إلى الأبد.

لسنوات عديدة ، عزز نيكولا تيسلا فكرة النقل اللاسلكي للطاقة عن بعد بطريقة إثارة الأرض كدائرة متذبذبة كبيرة. لقد أسر العديد من العقول بهذا الفكر ، وطور مصادر للطاقة الكهرومغناطيسية عالية التردد وبواعثها.

يعود تاريخ إنشاء جهاز Tesla ، الذي لعب دورًا مهمًا للغاية في تطوير مختلف فروع الهندسة الكهربائية وكان يُطلق عليه "محول الرنين" أو "محول تسلا" ، إلى عام 1891.

محول تسلا الرنان (التسعينيات). تبديل الدائرة في مولد الموجات الكهرومغناطيسية

يتم تفريغ ملف الحث عالي الجهد الخاص بشركة Rumkorf في جرة Leyden. يتم شحن الأخير بجهد عالي ثم يتم تفريغه من خلال الملف الأولي لمحول الرنين. في الوقت نفسه ، يحدث جهد عالي جدًا في ملفه الثانوي الذي يتم ضبطه بالرنين مع الابتدائي. تستقبل تسلا الفولتية العالية (حوالي 100 كيلو فولت) بتردد حوالي 150 كيلو هرتز. تسببت هذه الفولتية في حدوث اختراق في الهواء على شكل تفريغ بالفرشاة يصل طوله إلى عدة أمتار.