Dispositifs de réception d'impulsions de courant alternatif haute tension : bobine de Rumkorff et transformateur Tesla
Dispositifs techniques de réception haute tension
Au début du XIXe siècle, les scientifiques ont commencé à créer des dispositifs permettant d'obtenir de hautes tensions de courant alternatif. Heinrich Hertz a utilisé dans ses expériences les appareils déjà disponibles à l'époque en science physique expérimentale et en génie électrique.
Il s'agissait de dispositifs très caractéristiques dans lesquels des phénomènes connus en physique étaient utilisés, et surtout l'auto-induction - l'apparition d'une force électromotrice induite dans des bobines à noyau de fer au moment d'une forte augmentation ou d'une interruption rapide du courant électrique passant à travers les boucles.
Dans les années 1930. apparaissent les premières machines électriques, basées sur le croisement de lignes de force magnétiques au moyen de bobines en rotation. Les premières machines de ce type (1832) étaient les générateurs de I. Pixii, A. Jedlik, B. Jacobi, D. Henry.
Un événement très important en physique et en génie électrique émergent a été l'apparition des machines à induction, qui étaient en fait des transformateurs à haute tension.
Il s'agissait d'électroaimants à deux bobines. Le courant dans la première bobine est interrompu périodiquement d'une manière ou d'une autre, tandis qu'un courant induit apparaît dans la seconde bobine (plus précisément, CEM d'auto-induction). Les premiers "transformateurs" qui ont trouvé une utilisation pratique avaient un système magnétique en boucle ouverte. Ils appartiennent aux années 70 et 80 du XIXe siècle et leur apparence est associée aux noms de P. Yablochkov, I. Usagin, L. Golyar, E. Gibbs et autres.
En 1837, apparaissent les machines à induction ou "bobines", créées par le professeur français Antoine Masson. Ces machines fonctionnaient avec une coupure de courant rapide. Un interrupteur en forme d'engrenage a été utilisé qui, pendant la rotation, touchait la brosse métallique à intervalles réguliers. L'interruption du courant a conduit à une auto-induction EMF, et des impulsions haute tension avec une fréquence suffisamment élevée sont apparues à la sortie de la machine. Masson utilise cette machine à des fins médicales.
Bobine d'induction Rumkorf
En 1848, le célèbre maître des appareils physiques Heinrich Rumkorff (qui avait un atelier à Paris pour la fabrication d'appareils pour les expériences physiques) remarqua que la tension dans la machine de Masson pouvait être augmentée de manière significative si la bobine était faite avec un grand nombre de spires et la fréquence des interruptions augmente considérablement.
En 1852, il conçoit une bobine à deux bobines : l'une avec un fil épais et un petit nombre de spires, l'autre avec un fil fin et un très grand nombre de spires. La bobine primaire est alimentée par une batterie via un interrupteur magnétique vibrant, tandis qu'une haute tension est induite dans le secondaire.Cette bobine est devenue connue sous le nom "d'induction" et a été nommée d'après son créateur Rumkorf.
C'était un appareil physique très utile nécessaire pour mener des expériences, et est devenu plus tard une partie intégrante des premiers systèmes radio et appareils à rayons X. L'Académie des sciences de Paris a hautement apprécié le mérite de Rumkorff et lui a décerné un grand prix monétaire au nom de Volta.
Un peu plus tôt (en 1838), l'ingénieur américain Charles Page, également impliqué dans l'amélioration des bobines d'induction, obtint de bons résultats - ses appareils donnaient des tensions assez élevées. En Europe, cependant, on ne savait rien des travaux de Page et les recherches se poursuivaient ici sur un chemin indépendant.
Moulinet Rumkorf (années 1960)
Si les premiers modèles de bobines d'induction donnaient une tension qui provoquait des étincelles d'environ 2 cm de long, alors en 1859 L. Ritchie obtint des étincelles jusqu'à 35 cm de long et Rumkorff construisit bientôt une bobine d'induction avec des étincelles jusqu'à 50 cm de long.
La bobine d'induction Rumkorf a survécu presque sans changements fondamentaux. Seules les dimensions des bobines, l'isolation, etc. ont été modifiées. Les changements les plus importants affectent la construction et les principes de fonctionnement des disjoncteurs dans le circuit primaire de la bobine d'induction.
Bobines Rumkorf
L'un des premiers types de disjoncteurs utilisés dans les bobines de Rumkorf était le soi-disant "marteau Wagner" ou "marteau Neff". Cet appareil très intéressant est apparu vers les années 1840. et était un électroaimant alimenté par une batterie via un lobe ferromagnétique mobile avec des contacts.
Lorsque l'appareil a été allumé, le pétale a été attiré par le noyau de l'électroaimant, le contact a interrompu le circuit d'alimentation de l'électroaimant, après quoi le pétale s'est éloigné du noyau pour retrouver sa position d'origine. Le processus est ensuite répété à une fréquence déterminée par la taille des pièces du système, la rigidité et la masse du pétale, et un certain nombre d'autres facteurs.
L'appareil Wagner-Nef est devenu plus tard la cloche électrique et a été l'un des premiers systèmes oscillants électromécaniques qui est devenu le prototype de nombreux appareils électriques et radio des débuts de l'ingénierie radio. De plus, ce dispositif permettait de convertir le courant continu de la batterie en courant intermittent.
L'interrupteur électromécanique Wagner-Neff utilisé dans la bobine de Rumkorf est entraîné par les forces magnétiques d'attraction de la bobine elle-même. Il était constructivement un avec elle. L'inconvénient du disjoncteur Wagner-Neff était sa faible puissance, c'est-à-dire son incapacité à interrompre les courants importants là où les contacts étaient brûlés; de plus, ces disjoncteurs ne peuvent assurer une fréquence élevée d'interruption de courant.
D'autres types de disjoncteurs sont conçus pour interrompre les courants importants dans les puissantes bobines d'induction Rumkorf. Ils sont basés sur différents principes physiques.
Le principe de fonctionnement d'une conception est qu'une tige métallique, assez épaisse, se déplace d'avant en arrière dans un plan vertical, s'enfonçant dans une coupelle de mercure. Un entraînement mécanique convertit le mouvement rotatif (manuel, mécanique ou électrique) en mouvement alternatif linéaire, de sorte que la fréquence des interruptions peut varier considérablement.
Dans l'une des premières conceptions d'un tel disjoncteur, proposée par J. Foucault, l'actionnement était effectué au moyen d'un électroaimant, comme dans le marteau Wagner-Neff, et les contacts durs étaient remplacés par du mercure.
Jusqu'à la fin du XIXème siècle. les plus répandus sont les dessins des sociétés «Dukret» et «Mak-Kol». Ces disjoncteurs offrent une vitesse de rupture de 1 000 à 2 000 par minute et peuvent être actionnés manuellement. Dans le second cas, des décharges simples peuvent être obtenues sur la bobine de Rumkorf.
Un autre type de brise-roche fonctionne sur le principe du jet et est parfois appelé turbine. Ces disjoncteurs fonctionnaient comme suit.
Une petite turbine à grande vitesse pompe le mercure d'un réservoir vers le haut de la turbine, d'où le mercure est éjecté par centrifugation à travers une buse en forme de jet rotatif. Sur les parois du disjoncteur, il y avait des électrodes situées à intervalles réguliers, qui étaient touchées par le jet de mercure lors de son mouvement. C'est ainsi que se sont produites la fermeture et l'ouverture de courants suffisamment forts.
Un autre type d'interrupteur a été utilisé - électrolytique, basé sur un phénomène découvert par le professeur russe N.P. Sluginov en 1884. Le principe de fonctionnement de l'interrupteur consistait en le fait que lorsqu'un courant traverse un électrolyte avec de l'acide sulfurique entre le plomb massif et électrodes de platine de l'électrode de platine (positive), qui est un mince fil isolé de verre avec une extrémité pointue, des bulles de gaz sont apparues, empêchant périodiquement la circulation du courant, et le courant a été interrompu.
Les disjoncteurs électrolytiques offrent des vitesses de coupure allant jusqu'à 500 à 800 par seconde. Maîtriser les courants alternatifs en génie électrique au début du XXe siècle. a introduit de nouvelles possibilités dans l'arsenal de la physique et a déjà lancé la radioélectronique.
Des machines à courant alternatif ont été utilisées pour alimenter les bobines de Rumkorf courant sinusoïdal alternatif, ce qui a permis de l'utiliser plus largement phénomène de résonance dans l'enroulement secondaire, et plus tard comme sources de courants à haute fréquence directement utilisables pour le rayonnement.
Transformateur Tesla
L'un des premiers scientifiques à s'être intéressé aux propriétés des courants à haute fréquence et à haute tension était Nicolas Tesla, qui a contribué très sérieusement au développement de tout le génie électrique. Ce scientifique et inventeur talentueux possède de nombreuses innovations pratiques et originales.
Après l'invention de la radio, il a d'abord conçu un modèle de navire radiocommandé, développé des lampes à gaz, conçu une machine électrique à induction haute fréquence, etc. Le nombre de ses brevets a atteint 800. Selon l'ingénieur radio américain Edwin Armstrong , la découverte des courants polyphasés et un seul moteur à induction suffiraient amplement, pour immortaliser à jamais le nom de Tesla.
Pendant de nombreuses années, Nikola Tesla a nourri l'idée d'une transmission d'énergie sans fil à distance par la méthode d'excitation de la terre comme un grand circuit oscillant. Il a captivé de nombreux esprits avec cette pensée, a développé des sources d'énergie électromagnétique à haute fréquence et ses émetteurs.
La création de l'appareil de Tesla, qui a joué un rôle très important dans le développement de diverses branches de l'électrotechnique et s'appelait le "transformateur résonnant" ou "transformateur Tesla", remonte à 1891.
Transformateur résonnant de Tesla (années 1990). Circuit de commutation dans le générateur d'ondes électromagnétiques
La bobine d'induction haute tension de Rumkorf est déchargée dans le bocal Leyden. Ce dernier est chargé à une haute tension puis déchargé à travers l'enroulement primaire du transformateur résonnant. Dans le même temps, une très haute tension se produit sur son enroulement secondaire accordé en résonance avec le primaire. Tesla reçoit des hautes tensions (environ 100 kV) avec une fréquence d'environ 150 kHz. Ces tensions ont provoqué une percée dans l'air sous la forme d'une décharge en brosse pouvant atteindre plusieurs mètres de long.