Dispositivos para receber pulsos de corrente alternada de alta tensão: bobina de Rumkorff e transformador de Tesla

Dispositivos técnicos para receber alta tensão

No início do século XIX, os cientistas começaram a criar dispositivos para obter altas tensões de corrente alternada. Heinrich Hertz em seus experimentos usou os dispositivos que já estavam disponíveis na época na ciência experimental física e na engenharia elétrica.

Eram dispositivos muito característicos nos quais eram utilizados fenômenos conhecidos da física e, acima de tudo, a auto-indução - o aparecimento de uma força eletromotriz induzida em bobinas com núcleo de ferro no momento de um aumento brusco ou interrupção rápida da passagem da corrente elétrica através dos laços.

Na década de 1930. surgiram as primeiras máquinas elétricas, baseadas no cruzamento de linhas de força magnéticas por meio de bobinas rotativas. As primeiras dessas máquinas (1832) foram os geradores de I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.

Um evento muito importante na física e na engenharia elétrica emergente foi o surgimento das máquinas de indução, que na verdade eram transformadores de alta tensão.

Estes eram eletroímãs com duas bobinas. A corrente na primeira bobina é interrompida periodicamente de uma forma ou de outra, enquanto uma corrente induzida aparece na segunda bobina (mais precisamente, EMF de auto-indução). Os primeiros "transformadores" que encontraram uso prático tinham um sistema magnético de malha aberta. Eles pertencem aos anos 70 e 80 do século 19, e sua aparência está associada aos nomes de P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs e outros.

Em 1837, surgiram as máquinas de indução ou "bobinas", criadas pelo professor francês Antoine Masson. Essas máquinas operavam com um corte rápido de energia. Foi utilizado um interruptor em forma de engrenagem, que durante a rotação tocou a escova de metal em intervalos regulares. A interrupção da corrente levou à auto-indução EMF, e pulsos de alta tensão com frequência suficientemente alta apareceram na saída da máquina. Masson usa esta máquina para fins médicos.

Bobina de indução Rumkorf

Em 1848, o famoso mestre de dispositivos físicos Heinrich Rumkorff (que tinha uma oficina em Paris para a fabricação de aparelhos para experimentos físicos) notou que a tensão na máquina de Masson poderia aumentar significativamente se a bobina fosse feita com um grande número de voltas e a frequência das interrupções aumenta significativamente.

Em 1852 ele projetou uma bobina com duas bobinas: uma com fio grosso e um pequeno número de voltas, a outra com fio fino e um número muito grande de voltas. A bobina primária é alimentada por uma bateria através de um interruptor magnético vibratório, enquanto uma alta tensão é induzida no secundário.Essa bobina ficou conhecida como "indução" e recebeu o nome de seu criador Rumkorf.

Era um dispositivo físico muito útil necessário para realizar experimentos e, posteriormente, tornou-se parte integrante dos primeiros sistemas de rádio e máquinas de raios-X. A Academia de Ciências de Paris apreciou muito o mérito de Rumkorff e concedeu-lhe um grande prêmio monetário em nome de Volta.

Um pouco antes (em 1838), o engenheiro americano Charles Page, que também estava envolvido no aprimoramento de bobinas de indução, obteve bons resultados - seus dispositivos forneciam tensões bastante altas. Na Europa, porém, nada se sabia sobre o trabalho de Page e as pesquisas aqui continuaram um caminho independente.

Carretel Rumkorf (década de 1960)

Se os primeiros modelos de bobinas de indução forneciam uma tensão que causava faíscas de cerca de 2 cm de comprimento, então em 1859 L. Ritchie obteve faíscas de até 35 cm de comprimento e Rumkorff logo construiu uma bobina de indução com faíscas de até 50 cm de comprimento.

A bobina de indução Rumkorf sobreviveu quase sem mudanças fundamentais. Apenas as dimensões das bobinas, isolamento, etc. foram alteradas. As maiores mudanças afetam a construção e os princípios de operação dos disjuntores no circuito primário da bobina de indução.

Bobinas Rumkorf

Um dos primeiros tipos de disjuntores usados ​​nas bobinas Rumkorf foi o chamado "martelo Wagner" ou "martelo Neff". Este dispositivo muito interessante apareceu por volta de 1840. e era um eletroímã alimentado por uma bateria através de um lóbulo ferromagnético móvel com contatos.

Ao ligar o aparelho, a pétala foi atraída para o núcleo do eletroímã, o contato interrompeu o circuito de alimentação do eletroímã, após o que a pétala se afastou do núcleo para sua posição original. O processo é então repetido em uma frequência determinada pelo tamanho das partes do sistema, rigidez e massa da pétala e vários outros fatores.

O dispositivo Wagner-Nef mais tarde se tornou o sino elétrico e foi um dos primeiros sistemas oscilantes eletromecânicos que se tornou o protótipo de muitos dispositivos elétricos e de rádio da engenharia de rádio inicial. Além disso, este dispositivo permitia converter a corrente contínua da bateria em corrente intermitente.

A chave eletromecânica Wagner-Neff usada na bobina de Rumkorf é acionada pelas forças magnéticas de atração da própria bobina. Ele era construtivamente um com ela. A desvantagem do disjuntor Wagner-Neff era sua baixa potência, ou seja, a incapacidade de interromper grandes correntes onde os contatos estavam queimados; além disso, esses disjuntores não podem fornecer uma alta frequência de interrupção de corrente.

Outros tipos de disjuntores são projetados para interromper grandes correntes em poderosas bobinas de indução Rumkorf. Eles são baseados em diferentes princípios físicos.

O princípio de operação de um projeto é que uma haste de metal, bastante grossa, se move para frente e para trás em um plano vertical, afundando em um copo de mercúrio. Um acionamento mecânico converte o movimento rotativo (manual, mecânico ou motor elétrico) em movimento recíproco linear, de modo que a frequência das interrupções pode variar amplamente.

Em um dos primeiros projetos desse tipo de disjuntor, proposto por J. Foucault, o acionamento era feito por meio de um eletroímã, como no martelo de Wagner-Neff, e os contatos duros eram substituídos por mercúrio.

Até o final do século XIX. os mais difundidos são os designs das empresas «Dukret» e «Mak-Kol». Esses disjuntores fornecem uma velocidade de quebra de 1.000 a 2.000 por minuto e podem ser operados manualmente. No segundo caso, descargas simples podem ser obtidas na bobina de Rumkorf.

Outro tipo de disjuntor opera no princípio do jato e às vezes é chamado de turbina. Esses disjuntores funcionavam da seguinte maneira.

Uma pequena turbina de alta velocidade bombeia mercúrio de um reservatório para o topo da turbina, de onde o mercúrio é ejetado centrifugamente através de um bocal na forma de um jato rotativo. Nas paredes do disjuntor havia eletrodos localizados em intervalos regulares, que eram tocados pelo jato de mercúrio durante seu movimento. Foi assim que aconteceu o fechamento e a abertura de correntes suficientemente fortes.

Outro tipo de interruptor foi usado - eletrolítico, com base em um fenômeno descoberto pelo professor russo N.P. Sluginov em 1884. O princípio de operação do interruptor consistia no fato de que quando uma corrente passa por um eletrólito com ácido sulfúrico entre o chumbo maciço e eletrodos de platina do eletrodo de platina (positivo), que é um fio fino isolado de vidro com ponta afiada, surgiram bolhas de gás, impedindo periodicamente o fluxo de corrente, e a corrente foi interrompida.

Os disjuntores eletrolíticos fornecem velocidades de interrupção de até 500 - 800 por segundo. Dominar correntes alternadas em engenharia elétrica no início do século XX. introduziu novas possibilidades no arsenal da física e já deu início à rádio eletrônica.

Máquinas de corrente alternada foram usadas para alimentar as bobinas de Rumkorf corrente senoidal alternada, o que possibilitou seu uso mais amplo fenômeno de ressonância no enrolamento secundário e, posteriormente, como fontes de correntes de alta frequência que podem ser usadas diretamente para radiação.

transformador de tesla

Um dos primeiros cientistas interessados ​​nas propriedades das correntes de alta frequência e alta voltagem foi Nikola Tesla, que deu uma contribuição muito séria para o desenvolvimento de toda a engenharia elétrica. Este talentoso cientista e inventor tem muitas inovações práticas e originais.

Após a invenção do rádio, ele primeiro projetou um modelo de navio controlado por rádio, desenvolveu lâmpadas a gás, projetou uma máquina elétrica de indução de alta frequência, etc. O número de suas patentes chegou a 800. De acordo com o engenheiro de rádio americano Edwin Armstrong , a descoberta de correntes multifásicas e apenas um motor de indução seria suficiente , para imortalizar o nome de Tesla para sempre.

Por muitos anos, Nikola Tesla alimentou a ideia de transmissão sem fio de energia à distância pelo método de excitar a Terra como um grande circuito oscilante. Ele cativou muitas mentes com esse pensamento, desenvolveu fontes de energia eletromagnética de alta frequência e seus emissores.

A criação do dispositivo de Tesla, que desempenhou um papel muito importante no desenvolvimento de vários ramos da engenharia elétrica e foi chamado de "transformador ressonante" ou "transformador de Tesla", remonta a 1891.

Transformador ressonante de Tesla (década de 1990). Circuito de comutação no gerador de ondas eletromagnéticas

A bobina de indução de alta voltagem de Rumkorf é descarregada na jarra de Leyden. Este último é carregado com uma alta tensão e depois descarregado através do enrolamento primário do transformador ressonante. Ao mesmo tempo, uma tensão muito alta ocorre em seu enrolamento secundário sintonizado em ressonância com o primário. Tesla recebe altas tensões (cerca de 100 kV) com uma frequência de cerca de 150 kHz. Essas tensões causaram uma ruptura no ar na forma de uma descarga em escova de vários metros de comprimento.