Dispositivos para recibir pulsos de corriente alterna de alto voltaje: bobina Rumkorff y transformador Tesla
Dispositivos técnicos para recibir alta tensión.
A principios del siglo XIX, los científicos comenzaron a crear dispositivos para obtener altos voltajes de corriente alterna. Heinrich Hertz en sus experimentos utilizó los dispositivos que ya estaban disponibles en ese momento en la ciencia experimental física y en la ingeniería eléctrica.
Estos eran dispositivos muy característicos en los que se utilizaban fenómenos conocidos en física y, sobre todo, la autoinducción: la aparición de una fuerza electromotriz inducida en bobinas con un núcleo de hierro en el momento de un aumento brusco o una interrupción rápida de la corriente eléctrica que pasa. a través de los bucles.
En la década de 1930. aparecieron las primeras máquinas eléctricas, basadas en el cruce de líneas de fuerza magnéticas mediante bobinas giratorias. Las primeras máquinas de este tipo (1832) fueron los generadores de I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.
Un acontecimiento muy importante en la física y la ingeniería eléctrica emergente fue la aparición de las máquinas de inducción, que en realidad eran transformadores de alta tensión.
Estos eran electroimanes con dos bobinas. La corriente en la primera bobina se interrumpe periódicamente de una forma u otra, mientras que en la segunda bobina aparece una corriente inducida (más precisamente, EMF de autoinducción). Los primeros "transformadores" que encontraron un uso práctico tenían un sistema magnético de circuito abierto. Pertenecen a los años 70 y 80 del siglo XIX, y su aparición está asociada a los nombres de P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs y otros.
En 1837 aparecieron las máquinas de inducción o "bobinas", creadas por el profesor francés Antoine Masson. Estas máquinas operaban con un corte rápido de energía. Se utilizó un interruptor en forma de engranaje, que durante la rotación tocó el cepillo de metal a intervalos regulares. La interrupción de la corriente condujo a un EMF de autoinducción, y aparecieron pulsos de alto voltaje con una frecuencia suficientemente alta en la salida de la máquina. Masson usa esta máquina para fines médicos.
Bobina de inducción Rumkorf
En 1848, el famoso maestro de dispositivos físicos Heinrich Rumkorff (quien tenía un taller en París para la fabricación de aparatos para experimentos físicos) notó que la tensión en la máquina de Masson podía incrementarse significativamente si la bobina se hacía con un gran número de vueltas y la frecuencia de las interrupciones aumenta significativamente.
En 1852 diseñó una bobina con dos bobinas: una con alambre grueso y pocas vueltas, la otra con alambre delgado y muchas vueltas. La bobina primaria es alimentada por una batería a través de un interruptor magnético vibratorio, mientras que en la secundaria se induce un alto voltaje.Esta bobina se conoció como "inducción" y recibió el nombre de su creador Rumkorf.
Era un dispositivo físico muy útil necesario para realizar experimentos, y más tarde se convirtió en parte integral de los primeros sistemas de radio y máquinas de rayos X. La Academia de Ciencias de París apreció mucho el mérito de Rumkorff y le otorgó un gran premio monetario en nombre de Volta.
Un poco antes (en 1838), el ingeniero estadounidense Charles Page, quien también participó en la mejora de las bobinas de inducción, logró buenos resultados: sus dispositivos producían voltajes bastante altos.Sin embargo, en Europa no se sabía nada sobre el trabajo de Page y la investigación aquí continuó. un camino independiente.
Carrete Rumkorf (década de 1960)
Si los primeros modelos de bobinas de inducción daban un voltaje que provocaba chispas de unos 2 cm de largo, entonces en 1859 L. Ritchie obtuvo chispas de hasta 35 cm de largo y Rumkorff pronto construyó una bobina de inducción con chispas de hasta 50 cm de largo.
La bobina de inducción de Rumkorf ha sobrevivido casi sin cambios fundamentales. Solo se han modificado las dimensiones de las bobinas, aislamiento, etc. Los mayores cambios afectan la construcción y los principios de funcionamiento de los interruptores automáticos en el circuito primario de la bobina de inducción.
bobinas de Rumkorf
Uno de los primeros tipos de disyuntores utilizados en las bobinas de Rumkorf fue el llamado "martillo de Wagner" o "martillo de Neff". Este dispositivo muy interesante apareció alrededor de la década de 1840. y era un electroimán alimentado por una batería a través de un lóbulo ferromagnético móvil con contactos.
Cuando se encendió el dispositivo, el pétalo fue atraído por el núcleo del electroimán, el contacto interrumpió el circuito de suministro del electroimán, después de lo cual el pétalo se alejó del núcleo a su posición original. Luego, el proceso se repite a una frecuencia determinada por el tamaño de las partes del sistema, la rigidez y la masa del pétalo y una serie de otros factores.
El dispositivo Wagner-Nef más tarde se convirtió en la campana eléctrica y fue uno de los primeros sistemas oscilantes electromecánicos que se convirtió en el prototipo de muchos dispositivos eléctricos y de radio de la ingeniería de radio temprana. Además, este dispositivo hizo posible convertir la corriente continua de la batería en corriente intermitente.
El interruptor electromecánico de Wagner-Neff utilizado en la bobina de Rumkorf es accionado por las fuerzas magnéticas de atracción de la propia bobina. Era constructivamente uno con ella. La desventaja del disyuntor Wagner-Neff era su baja potencia, es decir, la incapacidad de interrumpir grandes corrientes donde se quemaban los contactos; además, estos disyuntores no pueden proporcionar una alta frecuencia de interrupción de corriente.
Otros tipos de disyuntores están diseñados para interrumpir grandes corrientes en potentes bobinas de inducción Rumkorf. Se basan en diferentes principios físicos.
El principio de funcionamiento de un diseño es que una barra de metal, bastante gruesa, se mueve de un lado a otro en un plano vertical, hundiéndose en una copa de mercurio. Un accionamiento mecánico convierte el movimiento giratorio (manual, mecánico o eléctrico) en un movimiento alternativo lineal, por lo que la frecuencia de las interrupciones puede variar ampliamente.
En uno de los primeros diseños de un interruptor de este tipo, propuesto por J. Foucault, el accionamiento se realizaba mediante un electroimán, como en el martillo de Wagner-Neff, y los contactos duros se reemplazaban por mercurio.
Hasta finales del siglo XIX. los más difundidos son los diseños de las empresas «Dukret» y «Mak-Kol». Estos martillos proporcionan una velocidad de rotura de 1000-2000 por minuto y se pueden operar manualmente. En el segundo caso, se pueden obtener descargas individuales en la bobina de Rumkorf.
Otro tipo de rompedor funciona según el principio del chorro y, a veces, se le llama turbina. Estos disyuntores funcionaban de la siguiente manera.
Una pequeña turbina de alta velocidad bombea mercurio desde un depósito hasta la parte superior de la turbina, desde donde el mercurio se expulsa centrífugamente a través de una boquilla en forma de chorro giratorio. En las paredes del interruptor había electrodos ubicados a intervalos regulares, que fueron tocados por el chorro de mercurio durante su movimiento. Así sucedió el cierre y apertura de corrientes suficientemente fuertes.
Se utilizó otro tipo de interruptor - electrolítico, basado en un fenómeno descubierto por el profesor ruso N.P. Sluginov en 1884. El principio de funcionamiento del interruptor consistía en que cuando una corriente pasa a través de un electrolito con ácido sulfúrico entre el plomo macizo y electrodos de platino del electrodo de platino (positivo), que es un cable delgado con aislamiento de vidrio y un extremo afilado, aparecieron burbujas de gas que impedían periódicamente el flujo de corriente y la corriente se interrumpía.
Los disyuntores electrolíticos proporcionan velocidades de corte de hasta 500 - 800 por segundo. El dominio de las corrientes alternas en la ingeniería eléctrica a principios del siglo XX. introdujo nuevas posibilidades en el arsenal de la física y ya inició la radioelectrónica.
Se utilizaron máquinas de corriente alterna para alimentar bobinas Rumkorf corriente sinusoidal alterna, lo que hizo posible su uso más amplio fenómeno de resonancia en el devanado secundario, y posteriormente como fuentes de corrientes de alta frecuencia que pueden utilizarse directamente para la radiación.
transformador tesla
Uno de los primeros científicos interesados en las propiedades de las corrientes de alta tensión y alta frecuencia fue Nikola Tesla, quien hizo una contribución muy seria al desarrollo de toda la ingeniería eléctrica. Este talentoso científico e inventor tiene muchas innovaciones prácticas y originales.
Después de la invención de la radio, primero diseñó un modelo de un barco controlado por radio, desarrolló lámparas de gas, diseñó una máquina eléctrica de inducción de alta frecuencia, etc. El número de sus patentes llegó a 800. Según el ingeniero de radio estadounidense Edwin Armstrong. , el descubrimiento de las corrientes multifásicas y de un solo motor de inducción sería suficiente para inmortalizar el nombre de Tesla para siempre.
Durante muchos años, Nikola Tesla alimentó la idea de la transmisión inalámbrica de energía a distancia mediante el método de excitar la tierra como un gran circuito oscilante. Cautivó muchas mentes con este pensamiento, desarrolló fuentes de energía electromagnética de alta frecuencia y sus emisores.
La creación del dispositivo de Tesla, que desempeñó un papel muy importante en el desarrollo de varias ramas de la ingeniería eléctrica y se denominó "transformador resonante" o "transformador de Tesla", se remonta a 1891.
Transformador resonante de Tesla (década de 1990). Circuito de conmutación en el generador de ondas electromagnéticas.
La bobina de inducción de alto voltaje de Rumkorf se descarga en la botella de Leyden. Este último se carga a alto voltaje y luego se descarga a través del devanado primario del transformador resonante. Al mismo tiempo, se produce un voltaje muy alto en su devanado secundario sintonizado en resonancia con el primario. Tesla recibe altos voltajes (unos 100 kV) con una frecuencia de unos 150 kHz. Estos voltajes provocaron un avance en el aire en forma de descarga de cepillo de hasta varios metros de largo.