Катушка Румкорфа

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Конструкция индукционной катушки Румкорфа
Схема индукционной катушки Румкорфа

Катушка Румкорфа, индукционная катушка — устройство для получения импульсов высокого напряжения. Представляет собой электромеханический преобразователь низкого постоянного напряжения в высокое переменное напряжение. Катушка получила название по имени немецкого изобретателя Генриха Румкорфа, который запатентовал свою первую конструкцию катушки в 1851 году и организовал её успешное производство в своей мастерской в Париже. Более ранние разработки подобного устройства другими изобретателями относятся к 1836 году.

Словосочетание «индукционная катушка» используется также для катушки, преобразующей высокочастотный переменный ток в вихревые токи для нагрева предметов, помещённых внутри (или вблизи) этой катушки, при индукционном нагреве или в оборудовании для зонной плавки.

Описание[править | править вики-текст]

Конструкция и схема подключения[править | править вики-текст]

Катушка Румкорфа состоит из двух обмоток из изолированного медного провода вокруг общего железного сердечника (B). Первичная обмотка содержит относительно малое число (десятки, сотни) витков толстого провода. Вторичная обмотка содержит большое число (тысячи) витков тонкого провода. В состав катушки входит автоматический прерыватель (V) цепи первичной обмотки (вибратор), конденсатор, а также регулируемый разрядный промежуток (E) в цепи вторичной обмотки. Прерыватель предназначен для быстрого попеременного размыкания и замыкания электрической цепи. Зазор между якорем прерывателя и сердечником катушки может регулироваться винтом.

В практической схеме катушка подключается к источнику питания постоянного тока (P), например, через телеграфный ключ (M). Показанный на схеме баллистический гальванометр (G) может быть использован[1] для измерения электрического заряда, переданного во вторичную цепь катушки при искровом разряде через разрядный промежуток (E).

Принцип действия[править | править вики-текст]

Электрические процессы в катушке без конденсатора:
i1 — первичный ток (синий);
v2 — вторичное напряжение (красный).
Контакты прерывателя:
«open» — разомкнуты;
«closed» — замкнуты.
То же, в катушке с конденсатором. Шкала для v2 на интервале «open» отличается от верхнего рисунка, здесь вторичное напряжение значительно больше

При замыкании ключом M цепи источника питания с первичной обмоткой в ней течёт нарастающий ток (см. рисунок), обусловленный индуктивным характером цепи. В магнитном поле катушки накапливается энергия W, Дж:

W = \frac{ \Psi I }{2} = \frac{ L{ {I}^{2} } }{2},

где:

\Psi = \Phi w — потокосцепление, Вб;
\Phi — магнитный поток, Вб;
w — число витков первичной обмотки, безразмерная величина;
I — ток в первичной обмотке, А;
L — индуктивность первичной обмотки, Гн.

Когда магнитный поток в сердечнике достигает определённой величины, якорь прерывателя притягивается к сердечнику, и электрическая цепь размыкается. Размыкание электрической цепи приводит к резкому уменьшению тока первичной обмотки и к уменьшению магнитного потока. Якорь прерывателя под действием пружины возвращается в исходное положение, и электрическая цепь замыкается. Магнитный поток в сердечнике снова достигает определённой величины, и электрическая цепь размыкается. Процесс размыкания-замыкания продолжается непрерывно до тех пор, пока замкнут ключ M.

Напряжение на вторичной обмотке (вторичное напряжение, v2) примерно пропорционально скорости изменения тока в первичной обмотке (первичного тока, i1). При размыкании и замыкании прерывателя напряжение на вторичной обмотке имеет разную полярность. При замыкании ток нарастает (увеличивается) сравнительно медленно; скорость нарастания тока постепенно уменьшается из‑за внутреннего сопротивления источника питания. При размыкании изменение тока в первичной обмотке более резкое. Поэтому импульсное напряжение на вторичной обмотке при размыкании гораздо больше, чем при замыкании.

Назначение конденсатора[править | править вики-текст]

При отсутствии конденсатора размыкание прерывателя приводит к образованию между его контактами электрической дуги[1], в которой расходуется энергия, запасённая в катушке. При этом скорость изменения (спада) первичного тока замедляется, и выходное напряжение уменьшается.

При наличии конденсатора (ёмкостью примерно от 0,5 до 15 мкФ) возможность образования электрической дуги в прерывателе в интервале времени разрыва цепи остаётся, но скорость изменения первичного тока при размыкании значительно возрастает. Соответственно возрастает и наведённое напряжение на вторичной обмотке. Конденсатор и первичная обмотка в интервале времени разрыва образуют колебательный контур, поэтому в первичной обмотке протекает осциллирующий затухающий синусоидальный ток, вследствие чего наводится синусоидальное напряжение на вторичной обмотке.

Таким образом, в каждом интервале разрыва цепи прерывателя, посредством электромагнитной индукции на вторичной обмотке наводятся импульсы высокого напряжения (десятки, сотни тысяч вольт) с переменной полярностью. Каждый импульс, имеющий достаточную амплитуду, вызывает искровой разряд в разрядном промежутке.

Теоретическая схема без потерь[править | править вики-текст]

В идеальном случае, при отсутствии потерь в катушке и во всей схеме подключения, после размыкания прерывателя (без образования электрической дуги) энергия магнитного поля катушки полностью преобразуется в энергию электрического поля конденсатора. Если конденсатор до этого был полностью разряжен, то справедливо равенство:

\frac{ L { {I_{m} }^{2} } }{2} = \frac{ C { {U_{m} }^{2} } }{2},

где:

L — индуктивность первичной обмотки, Гн;
I_{m} — максимальный ток в первичной обмотке, А;
C — электрическая ёмкость конденсатора, Ф;
U_{m} — максимальное напряжение на конденсаторе, В.

В колебательном контуре максимальное переменное напряжение на конденсаторе и на катушке индуктивности равны, поэтому максимальное напряжение на первичной обмотке катушки:

U_{m} = I_{m} \sqrt{ \frac{L}{C} }.

В этой формуле нет явной зависимости от напряжения источника питания. Напряжение на первичной обмотке катушки определяется только параметрами колебательного контура и током в первичной обмотке, поэтому оно может во много раз превышать напряжение источника питания. Благодаря большому отношению числа витков вторичной и первичной обмотки выходное напряжение будет ещё больше.

Можно получить выражение для U_{m} с зависимостью от напряжения источника питания. В схеме без потерь максимальный ток в катушке индуктивности, подключённой к источнику питания с постоянным напряжением U_{p} на интервал времени t_{p}, определяется по формуле:

I_{m} = \frac{ U_{p} t_{p} }{L}.

Тогда:

U_{m} = \frac{ U_{p} t_{p} }{ \sqrt{ L C } }.

Особенности конструкции[править | править вики-текст]

Высокое напряжение, создаваемое на вторичной обмотке, накладывает определённые требования к её конструкции во избежание электрического пробоя тонкой изоляции между витками провода и искрового (или дугового) разряда между отдельными частями катушки. Для этого проводники с большой разностью потенциалов разносятся как можно дальше друг от друга. В одном широко используемом методе вторичная обмотка разделяется на изолированные узкие секции, электрически соединённые в последовательную цепь. Сначала на железный сердечник наматывается первичная обмотка, и на первичную обмотку накладывается бумажная или резиновая изоляция. Затем надевается каждая секция вторичной обмотки с изоляцией друг от друга вощёнными картонными дисками. Напряжение, создаваемое в каждой секции, недостаточно для электрического пробоя внутри секции. Значительное напряжение создаётся только через несколько последовательных секций, которые разнесены достаточно далеко. Для окончательной изоляции всей катушки её пропитывают, например, расплавленным парафином. После затвердевания катушка целиком оказывается заключённой в парафин.

Для предотвращения вихревых токов, которые вызывают потери энергии, железный сердечник делается из пучка параллельных железных проволок, покрытых шеллаком для их электрической изоляции. Поэтому наводимые в сердечнике вихревые токи, которые замыкаются в плоскости, перпендикулярной магнитной оси, блокируются слоями изоляции. Концы изолированной первичной обмотки часто торчали на несколько дюймов от обоих концов вторичной обмотки, чтобы предотвратить электрический разряд от высокого вторичного напряжения через первичную обмотку.

Ртутные и электролитические прерыватели[править | править вики-текст]

Хотя все современные индукционные катушки, применяемые в образовательных целях в физических кабинетах, используют описанный выше ударный прерыватель (вибратор), это было неприемлемым для питания больших индукционных катушек, используемых в искровых радиопередатчиках и в рентгеновских установках на рубеже XX‑го века. В мощных катушках большой первичный ток создавал электрическую дугу между контактами прерывателя, которые от этого быстро разрушались. Кроме того, поскольку каждый разрыв цепи производит импульс напряжения на катушке, то, чем больше разрывов в секунду, тем больше выходная мощность. Ударные прерыватели не обеспечивали скорость прерывания более 200 разрывов в секунду, а их использование в мощных катушках было ограничено 20—40 разрывами в секунду.

Поэтому много исследований было направлено на усовершенствование прерывателей, и лучшие конструкции использовались в мощных катушках, тогда как ударные прерыватели использовались только в небольших катушках с длиной искры до 20 см. Леон Фуко (Léon Foucault) и другие разработали прерыватели, состоящие из колеблющейся иглы, помещённой в контейнер с ртутью. Ртуть была покрыта слоем спирта, который быстро гасил дугу, осуществляя более быстрое переключение. Эти прерыватели часто управлялись отдельным электромагнитом или мотором, что позволяло отрегулировать скорость прерывания и время задержки отдельно от первичного тока. Мощные катушки использовали или электролитические, или ртутные турбинные прерыватели.

Трёхэлектродный прерыватель Венельта
Ртутный турбинный прерыватель

Артур Венельт (Arthur Wehnelt) в 1899 году изобрёл электролитический прерыватель, который состоял из короткой платиновой иглы (анод), погруженной в электролит из разбавленной серной кислоты. Другой стороной цепи в электролите была свинцовая пластина (катод). Когда через него проходил ток, на игле образовывались пузырьки водорода, которые многократно разрывали цепь. Это приводило к случайному разрыву цепи со скоростью до 2000 разрывов в секунду. Такие прерыватели были предпочтительны для питания рентгеновских трубок, хотя выделяли много тепла, из-за чего водород мог взорваться.

В ртутных турбинных прерывателях струя жидкой ртути под давлением направлялась на металлические зубья быстро вращающегося колеса. Опусканием или подниманием колеса относительно струи ртути можно было изменять интервалы времени замкнутого и разомкнутого состояния электрической цепи. Эти прерыватели могли достигать скорости прерывания до 10 000 разрывов в секунду и были наиболее широко используемым типом прерывателя на беспроводных телеграфных станциях.

История[править | править вики-текст]

Первая индукционная катушка Николаса Каллана, 1836 год

В 1831 году Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, проводя эксперименты с катушками, намотанными проволокой. В 1836 году Николас Каллан (Nicholas Callan) и Чарльз Графтон Пейдж (Charles Grafton Page) независимо друг от друга изобрели индукционную катушку с ручным рычажным прерывателем. Усовершенствованием катушки занимался также Уильям Стёрджен (William Sturgeon). В 1837 году Джордж Генри Баххофнер (George Henry Bachhoffner) и Уильям Стёрджен независимо друг от друга обнаружили, что замена сплошного железного сердечника индукционной катушки пучком из железных проволок увеличивает выходное напряжение (как выяснилось позднее, из-за уменьшения потерь мощности на вихревые токи). В 1838 году Джеймс Уильям Мак Голи (James William MacGauley) изобрёл автоматический ударный прерыватель. В 1853 году Ипполит Физо (Hippolyte Fizeau) ввёл использование гасящего конденсатора.

Генрих Румкорф получал более высокое напряжение значительным увеличением длины вторичной обмотки, в некоторых катушках использовалось до 10 км провода, и создавалась искра длиной до 40 см. В начале 1850‑х годов американский изобретатель Сэмюэль Эдвард Ричи (Edward Samuel Ritchie) ввёл секционированную конструкцию вторичной обмотки для улучшения изоляции. В 2006 году Институт инженеров электротехники и электроники назвал индукционную катушку Каллана вехой в истории электротехники.

Катушка Румкорфа использовалась, чтобы обеспечить высокое напряжение для начала газового разряда, для трубок Крукса (Crookes tube) и для других высоковольтных исследований, а также для демонстрации эффектов, связанных с электричеством. Она также применялась в экспериментах, связанных с передачей и приёмом электромагнитных волн. Применение её в передатчике электромагнитных волн было обусловлено тем, что искровой разряд от высокого напряжения катушки в собственном разрядном промежутке или в другом разряднике становится источником электромагнитного излучения в широком спектре частот. Катушка Румкорфа была частью экспериментальной установки Генриха Герца, с помощью которой были исследованы свойства электромагнитных волн, а также широко использовалась в ранних практических устройствах беспроводной передачи телеграфных сигналов (см. Хронология радио).

Катушки Румкорфа широко использовались в рентгеновских аппаратах (в качестве высоковольтного источника питания) и для питания дуговых осветительных приборов в 1880—1920 годах. В настоящее время катушка Румкорфа используется в кабинетах физики для демонстрации электромагнитной индукции, а близкая по принципу действия катушка зажигания применяется в двигателях внутреннего сгорания.

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Н. Н. Мансуров, В. С. Попов. Теоретическая электротехника. — М., 1968. — 576 с.

Ссылки[править | править вики-текст]