Устройства для получения импульсов высоких напряжений переменного тока: катушка Румкорфа и трансформатор Тесла

Технические устройства для получения высоких напряжений

В начале XIX века ученые начали создавать приборы для получения высоких напряжений переменного тока. Генрих Герц в своих экспериментах пользовался приборами, уже имевшимися к тому времени в физической экспериментальной науке и в электротехнике.

Это были весьма характерные приборы, в которых использовались известные в физике явления, и прежде всего самоиндукция — возникновение в катушках с железным сердечником наведенной электродвижущей силы в момент резкого нарастания или быстрого разрывания протекающего по виткам электрического тока.

В 30-х годах XIX в. появились первые электрические машины, основанные на пересечении магнитных силовых линий вращающимися витками обмотки. Первыми такими машинами (1832 г.) были генераторы И. Пиксии, А. Йедлика, Б. Якоби, Д. Генри.

Очень важным событием в физике и зарождающейся электротехнике было появление индукционных машин, которые, по сути дела, являлись трансформаторами высокого напряжения.

В 1837 г. появляются индукционные машины, или «катушки», созданные французским профессором Антуаном Массоном. Эти машины работали с быстрым прерыванием тока. Использовался прерыватель в форме зубчатого колеса, которое во время вращения касалось через равные интервалы металлической щетки. Прерывание тока порождало ЭДС самоиндукции, и на выходе машины появлялись импульсы высокого напряжения и достаточно большой частоты. Эту машину Массон применял для медицинских целей.

Индукционная катушка Румкорфа

В 1848 г. известный мастер физических приборов Генрих Румкорф (имевший в Париже мастерскую по производству аппаратов для физических опытов) заметил, что напряжение в машине Массона можно значительно увеличить, если обмотку сделать с большим количеством витков и сильно увеличить частоту прерываний.

В 1852 г. он сконструировал катушку с двумя обмотками: одна — с толстым проводом и небольшим числом витков, вторая — с тонким проводом и очень большим числом витков. Первичная обмотка питалась от батареи через прерыватель вибрационного магнитного типа, при этом во вторичной наводилось напряжение большой величины. Такая катушка стала называться «индукционной» и получила имя ее создателя Румкорфа.

Это был весьма полезный физический прибор, необходимый при проведении опытов, а впоследствии ставший неотъемлемой частью первых радиосистем и рентгеновских аппаратов. Парижская академия наук высоко оценила заслугу Румкорфа и наградила его большой денежной премией имени Вольта.

Несколько раньше (в 1838 г.) американский инженер Чарльз Пейдж, также занимавшийся совершенствованием индукционных катушек, добился хороших результатов — его устройства давали достаточно высокие напряжения. Однако в Европе о работах Пейджа ничего не было известно, и исследования здесь шли самостоятельным путем.

Катушка Румкорфа (60-е годы XIX в.)

Если первые модели индукционных катушек давали напряжение, вызывавшее искры длиной около 2 см, то в 1859 г. Л. Ритчи получал искры длиной до 35 см, а Румкорф вскоре построил индукционную катушку с длиной искр до 50 см.

Индукционная катушка Румкорфа почти без каких-либо принципиальных изменений дошла до наших дней. Изменялись лишь размеры катушек, изоляция и т. д. Наибольшие изменения коснулись конструкции и принципов действия прерывателей тока в первичной цепи индукционной катушки.

Прерыватели катушки Румкорфа

Одним из первых типов прерывателей, использованных в катушках Румкорфа, был так называемый «молоточек Вагнера», или «молоточек Нефа». Этот весьма интересный прибор появился приблизительно в 40-х годах XIX в. и представлял собой электромагнит, питаемый от батареи через подвижный ферромагнитный лепесток с контактами.

При включении прибора лепесток притягивался к сердечнику электромагнита, контакт разрывал цепь питания электромагнита, после чего лепесток отходил от сердечника в первоначальное положение. Далее процесс повторялся с частотой, определяемой размерами деталей системы, жесткостью и массой лепестка и рядом других факторов.

Прибор Вагнера-Нефа впоследствии превратился в электрический звонок и представлял собой одну из первых электромеханических колебательных систем, ставшую прообразом многих электро- и радиоприборов ранней радиотехники. Кроме того, этот прибор позволял преобразовывать постоянный ток от батареи в прерывистый ток.

Примененный в катушке Румкорфа электромеханический прерыватель Вагнера-Нефа приводился в действие магнитными силами притяжения сердечника самой катушки. Он составлял с ней конструктивно одно целое. Недостатком прерывателя Вагнера-Нефа была его маломощность, т. е. неспособность прерывать большие токи, при которых контакты обгорали; кроме того, эти прерыватели не могли обеспечить высокую частоту прерывания тока.

Для разрыва больших токов в мощных индукционных катушках Румкорфа были сконструированы прерыватели иных типов. Они были основаны на разных физических принципах.

Принцип действия одной конструкции состоял в том, что металлический, достаточно толстый стержень перемещался возвратно-поступательно в вертикальной плоскости, погружаясь в чашку со ртутью. Механический привод преобразовывал вращательное движение (от руки или посредством часового механизма или электромотора) в линейное возвратно-поступательное, поэтому частота прерываний могла изменяться в широких пределах.

В одной из ранних конструкций такого прерывателя, предложенной Ж. Фуко, привод осуществлялся с помощью электромагнита, как в молоточке Вагнера-Нефа, а твердые контакты были заменены ртутными.

К концу XIX в. наибольшее распространение получили конструкции фирм «Дюкрете» и «Мак-Коль». Эти прерыватели обеспечивали частоту прерываний порядка 1000-2000 в минуту и допускали приведение их в действие вручную. В последнем случае можно было получить однократные разряды катушки Румкорфа.

Другой тип прерывателей работал по струйному принципу и назывался иногда турбинным. Эти прерыватели действовали следующим образом.

Небольшая высокооборотная турбинка накачивала ртуть из резервуара в верхнюю часть турбины, откуда ртуть под действием центробежной силы выбрасывалась через сопло в виде вращающейся струи. На стенках прерывателя имелись электроды, расположенные через равные интервалы, которые задевала ртутная струя при ее движении. Так происходили замыкание и размыкание достаточно сильных токов.

Нашел применение и еще один тип прерывателей — электролитический, основанный на явлении, открытом русским профессором Н. П. Слугиновым в 1884 г. Принцип действия прерывателя состоял в том, что при пропускании тока через сернокислый электролит между свинцовым массивным и платиновым электродами на платиновом (положительном) электроде, который представлял собой тонкую изолированную стеклом про­ волоку с острым концом, возникали пузырьки газа, периодически препятствующие протеканию тока, и ток прерывался.

Машины переменного тока стали применяться для питания катушек Румкорфа переменным синусоидальным током, что позволяло более широко использовать явление резонанса во вторичной обмотке, а в дальнейшем и в качестве источников токов высокой частоты, которые можно было непосредственно использовать для излучения.

Одним из первых ученых, заинтересовавшихся свойствами токов высокой частоты и высокого напряжения, был Никола Тесла, внесший очень серьезный вклад в развитие всей электротехнической науки. Этому талантливому ученому и изобретателю принадлежит множество практически полезных и оригинальных нововведений.

После изобретения радио он первый сконструировал модель управляемого по радио судна, разработал газосветные лампы, сконструировал индукторную высокочастотную электрическую машину и др. Количество его патентов достигает 800. По словам американского радиотехника Эдвина Армстронга, одного только открытия многофазных токов и индукторного двигателя было бы вполне достаточно, чтобы навеки обессмертить имя Теслы.

Никола Тесла много лет вынашивал идею беспроводной передачи энергии на расстояние методом возбуждения Земли как большого колебательного контура. Он увлек этой мыслью многие умы, разработал источники высокочастотной электромагнитной энергии и ее излучатели.

Создание Теслой прибора, сыгравшего очень большую роль в развитии самых различных отраслей электротехники и получившего название «резонанс-трансформатор», или «трансформатор Теслы», относится к 1891 г.

Резонанс-трансформатор Теслы (90-е годы XIX в.). Схема включения в генераторе электромагнитных волн

От высоковольтной индукционной катушки Румкорфа происходит разряд на лейденскую банку. Последняя заряжается до высокого напряжения и затем разряжается через первичную обмотку резонанс-трансформатора. При этом на его вторичной обмотке, настроенной в резонанс с первичной, возникает очень высокое напряжение. Тесла получал высокие напряжения (около 100 кВ) с частотой около 150 кГц. Эти напряжения вызывали пробой в воздухе в форме кистевого разряда длиной до нескольких метров.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Катушка Румкорфа

Катушка Румкорфа — устройство для получения импульсов высокого напряжения. Состоит из цилиндрической части с центральным железным стержнем внутри, на которую намотана первичная обмотка из толстой проволоки. Поверх первичной обмотки наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. В эту же цепь вводится прерыватель (зуммер) и коммутатор. Назначение прерывателя состоит в быстром попеременном замыкании и размыкании цепи. Результатом этого является то, что при каждом замыкании и размыкании в первичной цепи во вторичной обмотке появляются сильные мгновенные токи: при прерывании — прямого (одинакового направления с током первичной обмотки) и при замыкании обратного.

При замыкании первичной обмотки через неё течёт нарастающий ток. Катушка Румкорфа накапливает энергию в сердечнике в виде магнитного поля. Энергия магнитного поля равна:

Когда магнитное поле достигает определённой величины, якорь притягивается, и цепь размыкается. При размыкании цепи в обеих обмотках возникает бросок напряжения (противоЭДС), прямо пропорциональный числу витков обмоток, большой по величине даже в первичной обмотке, а во вторичной ещё больше, высокое напряжение которого пробивает воздушный промежуток между выводами вторичной обмотки (пробивное напряжение воздуха приблизительно равно 3кВ на 1мм). ПротивоЭДС в первичной обмотке через низкое сопротивление батареи химических элементов заряжает конденсатор C.

Разница напряжений прямого и обратного может использоваться для получения постоянного тока. Для этого подбирается размер искрового промежутка, который играет роль «выпрямителя». Нагрузка подключается последовательно.

Катушку Румкорфа, названную по имени немецкого физика Генриха Румкорфа, использовали в своих опытах с электромагнитными волнами Генрих Герц, А. С. Попов, Гульельмо Маркони и др. [1]

Источник

Самодельная индукционная катушка Румкорфа

Для проведения опытов с электричеством и для постройки некоторых приборов, будет необходим, кроме понижающего, и мощный повышающий трансформатор, каким является катушка Румкорфа — индукционная катушка.

Желательно построить катушку, которая давала бы искру длиной в 10—15 сантиметров. Это в значительной степени облегчило бы постройку таких приборов, как, например, рентгеновский аппарат.

Но особенно увлекаться большой мощностью индукционной катушки не следует, так как изоляция провода может не выдержать слишком высокого напряжения и катушка сгорит.

При наличии же материалов, имеющихся в продаже, вполне возможно построить индукционную катушку с искрой в 8—10 сантиметров. А этого для начала будет вполне достаточно.

Принцип действия индукционной катушки в точности такой же, как и трансформатора, поэтому мы не будем останавливаться на этом вопросе.

Катушку Румкорфа для нас вполне может заменить бобина от автомашины. Но если такой не окажется в нашем распоряжении, то индукционную катушку придется изготовить самим.

Детали катушки Румкорфа

Сердечник

Сердечник катушки делается из железной проволоки, которая употребляется для упаковки ящиков, или жести от консервных банок. Проволоку или жесть, предназначенную для сердечника, необходимо отжечь, то есть накалить в печи до тёмно-красного накала и затем медленно остудить в горячей золе. После этого с проволоки надо тщательно счистить окалину и покрыть проволоку спиртовым лаком, или, лучше, шеллаком.

После того как проволока просохнет, ее складывают в пучок и крепко обматывают изоляционной лентой. Поверх изоляционной ленты на сердечник следует намотать еще слоя четыре пропарафиненной бумаги.

Готовый сердечник и его размеры показаны на рисунке: Рисунок 1: а — сердечник для катушки Румкорфа, б — секции для вторичной обмотки, в — футляр для катушки Румкорфа с разрядником.

После этого можно приступить к изготовлению обмоток.

Обмотка сердечника

Обмотка сердечника производится в той же последовательности, как и у всякого трансформатора, то есть сначала наматывается первичная обмотка и на нее — вторичная, повышающая обмотка.

Так как большинство аккумуляторов и батарей накала имеет в среднем напряжение 4 вольта, то и нам лучше сделать индукционную катушку, которая работала бы от 4 вольт.

Для этого на первичную обмотку нам потребуется медный изолированный провод, желательно с двойной шелковой изоляцией, диаметром 1,5 мм. Такой проволоки нам потребуется 25 метров.

Закрепив конец провода ниткой на расстоянии 40 мм от торца сердечника и оставив конец провода длиной в 100 мм, намотку производят по часовой стрелке, с плотной укладкой витка к витку. Когда таким образом сердечник будет обмотан одним слоем провода по длине 220 мм, делается петля длиной в 100 мм, провод снова закрепляется ниткой и ведется второй слой намотки в том же направлении.

Намотав второй слой, конец обмотки нужно прочно закрепить с помощью суровой нитки и всю обмотку залить горячим парафином.

Средний отвод от первичной обмотки позволит нам применять в работе напряжение в 2 вольта, а следовательно, вдвое повысить коэффициент трансформации и в конечном итоге увеличить длину искры. Использованием же одновременно обеих секций, параллельно включенных, мы сможем подать на первичную обмотку повышенный ток и тем самым еще несколько увеличить мощность искры.

Вторичную обмотку катушки необходимо сделать многосекционной. Многосекционная обмотка облегчит ее исправление в случае повреждения. Ведь перемотать одну поврежденную секцию значительно легче, чем перематывать всю обмотку, состоящую из многих тысяч витков тончайшего провода.

Для вторичной обмотки нам придется изготовить 10 таких секций, которые нанизываются на сердечник одна за другой. Каждая секция изготовливается из картона толщиной в 1 мм, предварительно проваренного в парафине. Это необходимо для повышения изоляционных качеств картона. Лучше, конечно, если вы сделаете катушки из тонкой фибры.

Внутреннее отверстие катушек должно быть таким, чтобы они с трением надевались на сердечник с первичной обмоткой, поверх которой предварительно будет намотано еще два слоя пропарафиненной бумаги.

Когда все катушки будут готовы, можно приступить к изготовлению вторичной обмотки. Для вторичной обмотки нам потребуется изолированный провод ПЭ или ПШО, диаметром 0,1 мм. Будьте осторожны, особенно при намотке проводом ПШО, так как под шелко­вой изоляцией трудно заметить обрыв такого тонкого проводника. А если будет обрыв, то вся работа пойдет впустую.

Секции вторичной обмотки также надо наматывать аккуратно, виток к витку, и обязательно все секции должны быть намотаны в одном направлении. Следует также, намотав несколько слоев, проложить слой пропарафиненной бумаги и продолжать намотку.

Если во время намотки будет обнаружен обрыв провода, то концы его надо тщательно зачистить, скрутить между собой и обязательно спаять, а затем тщательно изолировать пропарафиненной бумагой.

Намотку каждой секции следует закончить, не доходя 5 мм до верхнего борта катушки. На этом расстоянии делается тонкий прокол в щечке катушки; провод прочно закрепляют в ней и оставляют свободный конец в 5—7 см.

Обмотку катушки сверху покрывают несколькими слоями пропарафиненной бумаги и изоляционной лентой.

Когда будут намотаны все 10 секций, первичная обмотка покрывается 2—3 слоями пропарафиненной бумаги и на нее надеваются секции второй обмотки. При этом надо следить, чтобы все катушки были надеты в последовательном порядке, то есть их обмотки составляли бы продолжение одна другой. В таком же последовательном порядке их и соединяют между собой: конец обмотки первой секции соединяется с началом обмотки второй секции, а конец второй секции — с началом третьей секции и т.д.

К началу и концу вторичной обмотки припаивается по куску толстого гибкого провода длиной по 15 см каждый; после этого вся катушка заливается парафином так, чтобы она представляла сплошную парафиновую массу. При этом надо следить, чтобы не оставалось пустот между секциями, не залитых парафином. Следовательно, катушку надо заливать постепенно. Для удобства заливки надо склеить из картона цилиндр диаметром 115 мм и длиной 240 мм.

Катушку устанавливают в цилиндре так, чтобы между ней и стенками цилиндра было одинаковое расстояние. После этого в цилиндр осторожно, не спеша, наливают расплавленный парафин. После остывания парафина цилиндр с катушки снимать не надо — он будет служить футляром. Его нужно только закрыть с торцов картонными дисками.

Механический прерыватель для катушки

Механический прерыватель для катушки можно сделать таким же, как и у электрического звонка. Поэтому, если у кого найдется старый электрический звонок, то им вполне можно воспользоваться.

Прерыватель необходим для того, чтобы из постоянного тока, который поступает от аккумулятора, получалось переменное напряжение, иначе трансформатор-катушка не будет трансформировать ток.

Для механического прерывателя надо изготовить детали, указанные на рис. 2. Якорь а вырезается из упругого железа. Лучше, конечно, сделать его из тонкой стальной пластинки, потому что он должен хорошо пружинить. Контактную пластину б можно сделать из латуни толщиной в 2 мм или из жести.

Как в якорь, так и в контактную пластину для лучшего соединения между ними при работе необходимо вклепать серебряные контакты. Их можно сделать из старинной серебряной монеты. Рис. 2. Детали прерывателя катушки Румкорфа. а — якорь прерывателя катушки Румкорфа, б — контактная пластина к якорю, в — собранный прерыватель.

Прерыватель собирается на внутренних стенках футляра катушки. На нижней стенке прикрепляется якорь так, чтобы он был на расстоянии 2—3 мм от сердечника катушки. К противоположной стенке прикрепляется контактная пластина так, чтобы она своим серебряным контактом хорошо прижималась к серебряному контакту якоря (см. рис. 2в). Конец первичной обмотки катушки присоединяется к якорю, а от контактной пластины делается отвод, к которому мы будем присоединять второй полюс аккумулятора.

Прерыватель действует так: когда мы включаем напряжение, то ток через контактную пластину, соединенную с якорем, проходит по первичной обмотке катушки. В это время сердечник намагничивается и притягивает якорь. Якорь, притянувшись к сердечнику, размыкает цепь. С отсутствием электрического тока магнитные силы исчезают из сердечника, якорь вновь возвращается в прежнее положение, то есть замыкает цепь, ток вновь поступает в катушку, сердечник опять притягивает якорь и т.д.

Таким образом в первичной обмотке нашей катушки создается переменное напряжение, которое трансформируется вторичной обмоткой и повышается в несколько сот раз.

Из сказанного выше нетрудно понять, что если у кого-нибудь найдется повышающий трансформатор, то его легко можно переделать в катушку Румкорфа. Для этого придется только сменить сердечник—сделать его прямым, не замыкающимся, как у обычных трансформаторов, и устроить прерыватель.

Искра такой катушки будет зависеть от соотношения витков первичной и вторичной обмоток. У кого найдется понижающий трансформатор с напряжением в 4—6 вольт, тот может использовать катушку Румкорфа как повышающий трансформатор, включив в нее переменный ток в 4—6 вольт, и снять то же напряжение с повышающей обмотки, как и от аккумуляторов. Только в этом случае включать напряжение надо прямо в первичную обмотку катушки, минуя прерыватель.

Разрядник

Разрядник устроен очень просто. Он состоит из двух стоек с контактами, к которым присоединяются концы вторичной обмотки катушки. На вершинах стоек укреплены два стержня, направленных друг к другу.

Если стержни будут сдвинуты на такое расстояние, которое может покрыть искра, вырабатываемая нашей катушкой, то между стержнями образуется сплошная дуга из электрических искр.

Стойки устанавливаются на крышке деревянного футляра катушки на расстоянии 150 мм. Их можно изготовить из сухого дерева или изоляционных материалов — фибры, эбонита, карболита. Стойки делаются длиной 150 мм и диаметром 20 мм. На расстоянии 30 мм от одного торца в стойках просверливаются сквозные отверстия для стержней, а с торцов просверливаются отверстия по центру до пересечения стержневых отверстий. В них будут ввертываться крепящие винты.

Если стойки будут сделаны из дерева, то в торцы можно просто ввернуть шурупы. Рядом со стойками ввертываются две клеммы, к которым снизу крышки присоединяются начало и конец вторичной обмотки, если катушка будет работать от переменного тока.

Если же она будет работать от аккумулятора, то нужно будет изготовить еще и прерыватель. Тогда соединение будет иным. Готовый и установленный разрядник показан на рис. 1в. Для лучшего предохранения катушки от всяких случайных повреждений надо сделать деревянный футляр. Размеры его показаны на рис. 1в.

Источник

Генератор электрических искр – генератор новых идей

Генератор электрических искр – генератор новых идей

Трудно переоценить значение индукционной катушки – первого электротехнического прибора, нашедшего широкое применение в практической деятельности человека. Однако история создания и усовершенствования этого устройства таит в себе немало загадок и драматических коллизий. Почему прибор называется «катушкой Румкорфа»?

И только ли Румкорф причастен к ее созданию? Какую роль сыграл этот прибор в истории науки?

В чем уникальность катушки – этого изобретения долгожителя? Ведь в неизменном виде она просуществовала полторы сотни лет.

Ответы на эти и многие другие вопросы читатель найдет в предлагаемом очерке.

Премия, посеявшая раздоры

15 июня 1802 г. во Франции, в то время одной из самых передовых в научном отношении стран, учреждается государственная премия в виде золотой медали и солидной денежной суммы «тому, кто своими открытиями, подобно Вольте и Франклину, продвинет вперед науку об электричестве и магнетизме». Отдавший это распоряжение первый консул, будущий император Наполеон I, заканчивает свое указание пророческими словами: «Моя цель состоит в поощрении, в привлечении внимания физиков к этому отделу физики, представляющему, как мне чувствуется, путь к великим открытиям» [1].

Первым этой награды был удостоен в 1806 г. Гемфри Дэви, талантливейший ученый, основоположник электрохимии, действительно много сделавший для развития науки об электричестве. Нелишним будет напомнить, что французская премия была вручена англичанину именно в тот момент, когда эти страны находились в состоянии войны. «Один из величайших гениев, когда-либо бывших», как называет Наполеона I академик А.Н. Крылов, в апогее своей славы мог себе это позволить. Никаких возмущений со стороны общественности не последовало. Это действительно был поступок, достойный подражания. Однако в дальнейшем Наполеон, уже будучи императором, заботился не столько о благе науки и народа, сколько об укреплении своего деспотизма и становлении династии. И о премии просто забыли.

Через годы потрясений и смуты во Франции, реставраций и революций пришедший к власти путем государственного переворота Наполеон III решил эту премию возродить. Исключительно для поддержания авторитета власти. Ученых и науку во Франции любили. Император артистически разыгрывал роль мецената и покровителя науки и искусств. Он и сам не гнушался пописывать статейки и брошюрки по экономике.

Итак, в конце 1864 г. согласно рекомендации комитета из 13 членов во главе с известным химиком Ж.Б. Дюма император Франции постановил наградить премией имени Вольты парижского изготовителя приборов Генриха Румкорфа «за изобретение индукционной катушки». Премия была исключительно щедрой – 50 000 франков. Отметим, что изготовленный прибор заслуживал большего. Однако ряд обстоятельств омрачал приятное событие.

Индукционная катушка – первый электротехнический прибор, нашедший широкое применение в практической деятельности челя-нибудь патентованная кофеварка. К созданию катушки причастны даже не десятки, а сотни ученых и изобретателей, воплотивших в устройстве собственные идеи и достижения науки своего времени. В почти неизменном виде эта катушка просуществовала полторы сотни лет.

Но вот во Франции с середины ХIХ века любая катушка индуктивности стала называться катушкой (или спиралью) Румкорфа, что все-таки несправедливо [2].

Личность «возродившего премию» имени Вольты не пользовалась авторитетом среди ученых. В числе заслуг «покровителя наук» было закрытие Версальского агрономического института – «самого замечательного земледельческого заведения, когда-либо существовавшего».

Ведущий ученый этого института Ж.Б. Буссенго, считавшийся в агрономии «тем же, кем Лавуазье был в химии», лишился должности. На его место был поставлен недалекий специалист и неряшливый экспериментатор Жорж Вилль. (В Париже ходили упорные слухи, что новоиспеченный профессор приходился императору сыном.) Угодья агрономического института были превращены императором в высококлассный охотничий парк [3].

Правы те, кто утверждают, что история, если и повторяется, то уже в виде фарса. Слишком много авторитетнейших ученых доказывали, что ничего принципиально нового в конструкцию катушки нынешний лауреат не внес. К вопросу о приоритете подключился Конгресс США.

Патриотизм конгрессменов, считающих все самое лучшее американским, известен с давних пор. Эти парламентарии сочли «изобретателем катушки» Чарльза Пейджа, американца по происхождению, чтобы «оградить от посягательств достижения нашей нации на путях науки». Впрочем, нашлись в США и люди, утверждавшие, что Пейдж «не изобретатель ни катушки Румкорфа, ни любой другой электрической катушки».

Политическая возня закончилась вопреки всем правилам выдачей задним числом по специальному постановлению Конгресса США «экстраординарного патента» Ч. Пейджу. Что было также несправедливо.

Кто он, лауреат премии Вольты?

Если исходить из общепринятых критериев, таких как публикации, то можно ответить, что Румкорф не был ученым. Он не имел печатных трудов, и это усложняет его жизнеописание. Но ведь за что-то ему премию выдали? Попытаемся ответить на этот вопрос.

Генрих Даниэль Румкорф (15.01.1803–20.12.1877) родился в Ганновере (Германия). Но в поисках лучшей доли, как это часто делали его соотечественники в ту пору, Румкорф выезжает во Францию, где и проживет до конца своих дней.

С 1825 г. он сотрудник парижской оптической мастерской, имеющей специализированный магазин и принадлежащей дипломированному инженеру-оптику Венсену Шевалье. Мастерская изготавливала по заказам и для продажи микроскопы, телескопы, подзорные трубы, а также камеры-обскуры, входившие тогда в моду.

Камера-обскура (от латинского – «темное помещение»), известная еще со времен Леонардо да Винчи, представляла собой затененный ящик, в передней части которого давали уменьшенное изображение. Не обладающие художественным талантом люди могли рисовать с помощью ее, как правило, пейзажные рисунки. Пользовались этим устройством топографы при съемках местности и ученые, когда требовалось в точности в любом масштабе перенести какой-нибудь рисунок на бумагу.

Во времена Румкорфа мастерская была на хорошем счету у потребителей. Именно к Шевалье обратился один из будущих изобретателей фотографии Н. Ньепс с просьбой создать нужную ему конструкцию камеры. Здесь же судьба сводит Н. Ньепса и Луи Дагера – парижского художника и декоратора парижских театров и они договариваются о совместной работе.

Даггер был богатым человеком, он владел так называемой диорамой, пользующейся большим успехом у парижан. Диорама представляла собой солидный выставочный зал картин, выполненных в специальной технике. Благодаря эффектам освещения зритель получал впечатление пространственности изображения. К тому же Дагер, имевший изобретательскую жилку, внедрил нововведение, позволяющее изменять изображения на картинах на глазах у зрителей скрытыми от них средствами. Это обстоятельство вызывало восхищение публики и горячие споры художников и богемы Парижа.

Владелец диорамы заразился идеями Ньепса, стремясь техническими средствами зафиксировать изображение, получаемое в камере-обскуре, т.е. по нынешней терминологии получить фотографическое изображение.

Не правда ли, все это очень напоминает средневековый трактат по алхимии? Вряд ли автор понимал, о чем пишет.

Понятно, что с «электрической жидкостью» у Дагера ничего не получилось, да и не могло получиться» [4] (курсив наш. – БХ).

Простим автору незнание того факта, что термин «электрическая жидкость» в физике существовал ко времени описываемых событий уже около столетия. Но мы категорически не согласны с тем, что «электрическая жидкость» у Дагера никак себя не проявляла. Мы даже утверждаем, что на светочувствительный материал «электрическая жидкость действует совер утверждаем, что опыты с электричеством будущего изобретателя фотографии были весьма продуктивными, правда в несколько другом научном направлении. И этому есть веские научные доказательства.

В 1851 г. после появления фотографии французский чертежник, художник и график Эмиль Пино, о котором не удалось найти никаких биографических сведений, кроме адреса в Париже на 1839 г., получил изображение электрического разряда на пластинах дагеровского аппарата. А другой француз – инженер Эжен Дюкрете (1844–1915) показал в 1884 г., что люхтенберговы фигуры легко образуются при приложении напряжения к светочувствительной эмульсии фотопластинки [5]. Это явление затем широко использовалось в электротехнике ХХ века для исследований волн перенапряжений в линиях электропередач.

Так что Дагер в своих письмах ничего не придумывал, а отмечал (даже открыл!) не понятые им определенные физические проявления электрического разряда. Правда, нам не известно, каким способом он получал эти разряды. Свои опыты Н. Ньепс и Л. Дагер держали в глубокой тайне, переписка тщательно зашифровывалась. Это могли быть разряды электрических машин или лейденских банок либо даже сравнительно недавно открытых гальванических элементов. А может быть, и всего комплекса источников электричества. Об этом свидетельствует применение биметаллических пластинок в растворителях вместо пластинок из одного металла, наличие заземлений (. ) при фотографии и т. д. [6].

Для опытов Дагеру на помощь должен был прийти не оптик, а электрик. Эта роль, по всей видимости, и выпала на долю Г.Д. Румкорфа, иначе трудно объяснить, как сотрудник оптической мастерской, выйдя на самостоятельную работу, начинает принимать заказы на изготовление электрических приборов. Скорее всего, он, выполняя изобретательские фантазии Дагера, поднаторел в этом деле.

Индукционная катушка № 1

В Королевском институте Лондона установлен памятник М. Фарадею. Великий ученый увековечен в полный рост, он держит в левой руке предмет, напоминающий большой бублик. Этот тор и есть то знаменитое устройство, с помощью которого была открыта электромагнитная индукция – венец творческой деятельности Фарадея.

И все-таки тор не был первым устройством, использованным для этой цели ученым. Первое устройство представляло собой деревянный чурбак, на который были намотаны две не соединенные между собой проволочные катушки. Когда одну из них подсоединяли к гальваническому элементу, гальванометр, подключенный в цепь второй катушки, давал отклонение стрелки. Фарадей назвал ток во второй катушке индукционным, т. е. наведенным током. В дальнейших опытах исследователь обнаружил, что если использовать вместо дерева железный стержень, то эффект многократно возрастает. Фарадей делает для опытов другое устройство, где обе катушки наматываются на откованное кольцо из мягкого железа.

При опытах обнаруживается следующая закономерность. Отклонение стрелки гальванометра происходит толика и в момент выключения. Все остальное время, даже если по первой катушке продолжает идти электрический ток, стрелка остается неподвижной. Была еще одна странность. При включении стрелка гальванометра отклонялась в одну сторону, при выключении – в противоположную. Экспериментатор смог получать при таких манипуляциях даже искры, когда вместо гальванометра очень близко подводил друг к другу выводы второй катушки.

Ученый предположил, что наведение электрического тока во второй катушке происходит только в момент изменения магнитного состояния железного стержня. Как это проверить?

На прямой железный стержень Фарадей наматывает только одну катушку, в цепь которой включает гальванометр, и быстро этим стержнем замыкает полюса подковообразного магнита. Происходит то же самое. При приближении стержня к магниту стрелка отклоняется, при удалении тоже, но опять в другую сторону. Предположение подтверждается. Кстати, эта установка является моделью первого электромагнитного генератора [7].

Тор Фарадея был первым устройством, позволяющим преобразовывать постоянный электрический ток химического источника в переменный ток другого напряжения, т. е. первым электромагнитным индуктором. Правда, прерывание электрического тока приходилось делать вручную, но все остальные части устройства были налицо – магнитопровод, первичная и вторичная обмотки.

Магнитопровод состоял из мягкого железа диаметром 22 мм; согнутый в кольцо, он имел наружный диаметр 150 мм. Обмотки выполнялись медным проводом сечением 1,25 м2. Число витков катушек никто тогда не думал считать, но длина проволоки первичной составляла 7 м, вторичной – 18 м.

Описываемые события происходили в 1831 г., но уже в следующем году оказалось, что можно построить индуктор с такими же свойствами на несколько иных принципах. Любопытна история ознакомления первооткрывателя электромагнитной индукции с этими принципами.

Изучая термоэлектрические явления Зеебека, Фарадей никак не мог получить от термопары обыкновенной электрической искры. На одном из таких опытов присутствовал прибывший в Европу американский ученый Дж. Генри.

Экспериментатору он объяснил, что может вызвать искру. Не откажем себе в удовольствии процитировать А.М. Уилсона, американского физика и писателя, бывшего ассистента Э. Ферми, – настолько красочен этот рассказ: «Американец стал наматывать на палец проволоку плотной спиралью. Затем он просто присоединил эту спираль, надетую на небольшой железный стержень, к одному из проводов термопары. На этот раз при разъединении концов проволоки можно было совершенно отчетливо видеть искру. Фарадей восхищенно зааплодировал и воскликнул:

– Ура эксперименту янки! Но что же вы такое сделали?

И Джозефу Генри пришлось объяснять самоиндукцию ученому, который был известен на весь мир как человек, открывший индукцию» [8].

Действительно, все оказалось не таким уж и сложным. Обмотка, навитая на железный сердечник, нржня резко падала, что и наводило в этой же катушке значительный электрический потенциал, в сотни раз превышавший напряжение питания. Этот электрический импульс и пробивал воздушный промежуток между выводами. Возникала искра.

Как ни странно, но именно открытие Генри сразу же нашло практическое применение. Еще в 1815 г. Г. Дэви изобрел безопасную рудничную осветительную лампу. Широко известно, что открытый огонь под землей часто вызывает взрывы присутствующего там метана. Чтобы этого не случалось, Дэви оградил огонь светильника металлической сеткой. Этого оказалось достаточно для решения вопроса. Но зажигать такой светильник все равно надо было на поверхности.

С изобретением индукционной катушки устройство для зажигания такой лампы можно было легко поместить также под защитной сеткой и в нужный момент зажечь (рис. 1). Кнопку для зажигания можно вывести из-под сетки. Интересно отметить, что в настоящее время, когда существуют взрывобезопасные шахтерские электрические светильники, лампа Дэви продолжает нести свою охранную службу. Правда, в несколько иной роли. Электрический фонарь в канализационном колодце будет гореть, даже если колодец напрочь наполнен углекислым газом, что тоже смертельно опасно. А вот керосиновая лампа Дэви потухнет и этим даст сигнал о прекращении работ.

Сегодня мы завершаем публикацию очерка об истории создания и усовершенствования индукционной катушки, о ее практическом применении, а также о судьбах ученых, внесших свой вклад в становление и развитие электротехники.

Сотни ученых и энтузиастов электричества по обе стороны Атлантики повторяют опыты Фарадея. Каждому из них приходится самостоятельно изготавливать магнитопроводы и катушки. Ведь никаких специалистов по электротехнике нет, как не существует и самой электротехники. Катушки делаются из подручных материалов.

Трудно найти металлическое кольцо, да и на такое, как у Фарадея, не совсем удобно навивать провод. Поэтому сейчас сложно точно сказать, кто первым начал навивать витки катушек на прямой железный сердечник. Говорят, что это был английский пастор Галлан, одновременно предложивший наматывать первичную обмотку толстым проводом, а вторичную – тонким (как в воду глядел!), хотя трудно сказать, чем он при этом руководствовался.

Но, оказывается, и такую конструкцию можно улучшить. Немецкий профессор Буххофнер делает свою катушку, наматывая обмотки на пакет простых обрезков железной проволоки. Эта катушка работает даже лучше, чем с массивным сердечником. Выясняется, что так и надо делать, ибо в цельном магнитопроводе при изменении магнитного потока тоже наводятся токи, которые, ухудшая работу катушки, только нагревают стержень. Этим явлениям вскоре посвятит свои исследования Ж. Фуко и научно обоснует причину этого (токи Фуко). В дальнейшем магнитопроводы будут делать составными (шихтоваными) [9]. Короче говоря, улучшение параметров индукционной катушки идет методом проб и ошибок.

Американский физик Чарльз Пейдж предложил конструкцию катушки, в которой используется одна обмотка, но с питанием, подводимым только к части витков, где, по современной технологии, используется принцип автотрансформации (рис. 1).

Катушки индуктивности начинают использовать в лечебной практике врачи-физиотерапевты. Ведь переменный ток действует на организм человека при прочих равных условиях гораздо эффективней. Самым первым в этом списке следует назвать Антуана Массона (1806–1868), профессора из Парижа. Он пытается механизировать процесс замыкания и размыкания цепи питания первичной обмотки. Ведь никаких выключателей еще не существует. В лучшем случае, это чашечки со ртутью и опущенными в них проводниками.

Его прерыватель цепи представляет собой металлическую шестеренку, зубья которой при вращении шестерни периодически контактируют со специальным токопроводящим лепестком. Вращать шестеренку приходится вручную. Несмотря на примитивизм такой конструкции, Массон подмечает очень важную закономерность. Чем с большей скоростью вращать прерыватель, тем длиннее искру можно получить. Следовательно, пациент получает большее электрическое воздействие.

Источник