Cewka Ruhmkorffa
A – uzwojenie pierwotne, B – uzwojenie wtórne, C – rdzeń, D – sprężyna stycznika, E – stycznik (przerywacz), F – kondensator, G – zasilanie, H – wyprowadzenia wysokiego napięcia
Cewka (induktor) Ruhmkorffa – urządzenie skonstruowane w 1850 roku przez Heinricha Daniela Ruhmkorffa, służące do otrzymywania wysokich napięć. Jest połączeniem transformatora o dużej liczbie zwojów w uzwojeniu wtórnym i iskrownika (takiego, jak stosowane w dzwonkach elektrycznych) przerywającego przepływ prądu w uzwojeniu pierwotnym.
Budowa i zasada działania
Głównym elementem cewki jest transformator, którego uzwojenie pierwotne ma niewielką liczbę zwojów, zaś wtórne – bardzo dużą. Oba uzwojenia nawinięte są na wspólnym rdzeniu żelaznym. Obwód magnetyczny induktora Ruhmkorffa jest otwarty. Pole magnetyczne na końcu rdzenia jest wykorzystywane do przyciągania kotwy sprężystego stycznika, którego rozłączenie przerywa obwód prądu zasilającego uzwojenie pierwotne. W wyniku przerwania obwodu, zanika pole magnetyczne odchylające stycznik, który powraca do pierwotnej pozycji, ponownie zamykając obwód. Po zamknięciu obwodu szybkość wzrostu natężania prądu elektrycznego ogranicza indukcyjność cewki, po przerwaniu obwodu natężenie prądu spada gwałtownie (ma tu wpływ iskrzenie styku). W uzwojeniu wtórnym indukuje się siła elektromotoryczna proporcjonalna do szybkości zmian strumienia pola magnetycznego, przez co napięcie uzyskiwane w uzwojeniu wtórnym ma postać krótkiego impulsu wysokiego napięcia. Gdy cewka jest obciążona, na napięcie na cewce wtórnej ma wpływ spadek napięcia na oporności cewki oraz siły elektromotoryczne indukowane przez przepływający w niej prąd.
W ten sposób, mimo zasilania ze źródła napięcia stałego, w obwodzie wtórnym płynie prąd zmienny o niesymetrycznym przebiegu, o częstotliwości od kilkunastu do kilkuset herców.
Do demonstracji wysokiego napięcia wtórnego używa się m.in. zaostrzonych elektrod, oddalonych od siebie o regulowaną odległość. Nawet przy odległości przekraczającej 10 cm, możliwe jest uzyskanie wyładowań elektrycznych w powietrzu pomiędzy elektrodami. Prąd wyładowań ma stały kierunek, ponieważ przebieg napięcia jest niesymetryczny, a niewielkie napięcie ujemne nie wywołuje przepływu prądu w gazie. Pomimo zerowej średniej wartości napięcia, krótkotrwałe skoki dodatnie mają znacznie wyższą wartość maksymalną, niż rozciągnięte w czasie skoki ujemne. Wykorzystanie tej asymetrii i nieliniowości prądu płynącego przez gaz pozwala na uzyskanie stałego napięcia i gromadzenie ładunku w kondensatorach (pierwotnie były to butelki lejdejskie).
Skala uzyskiwanych napięć
Napięcia uzyskiwane w typowej cewce indukcyjnej Ruhmkorffa sięgają 50 kV. Wyeliminowanie stycznika mechanicznego i zastąpienie go układem elektronicznym (na przykład tyrystorowym) pozwala na zwiększenie zarówno częstotliwości impulsów, jak i wartości maksymalnej napięcia. Rekordowe wartości napięć uzyskane w największych cewkach przy użyciu zewnętrznych styczników przekraczają 300 kV, co pozwala na uzyskanie wyładowania w powietrzu pomiędzy elektrodami odległymi o 40 cm. O maksymalnej odległości elektrod, przy której w suchym powietrzu samorzutnie rozpoczyna się wyładowanie, decyduje nie tylko wytworzone przez cewkę napięcie, ale także kształt elektrod. Przykładowo, aby przy napięciu 125 kV otrzymać przeskok iskry pomiędzy elektrodami kulistymi o średnicy 5 cm, trzeba te elektrody zbliżyć na odległość mniejszą niż 7 cm. Zastąpienie kulek ostrymi igłami pozwala na zwiększenie tej odległości do 20 cm (przy tym samym napięciu) lub na zmniejszenie napięcia do 61 kV (przy odległości 7 cm)[1].
Zastosowanie
Wysokie napięcia otrzymywane przy użyciu cewek Ruhmkorffa były stosowane między innymi do zasilania niskociśnieniowych lamp wyładowczych, nazywanych rurkami Geisslera. W zależności od rodzaju gazu umieszczonego w rurce, otrzymywano różne barwy światła.
Układ transformowania napięcia stałego poprzez cykliczne przerywanie prądu w uzwojeniu pierwotnym jest stosowany na przykład w układach zapłonowych silników o zapłonie iskrowym, zasilaniu kineskopów, przetwornicach napięcia.
Zobacz też
Przypisy
- ↑ George William Clarkson Kaye: X-rays. London: Longmans, Green, 1914, s. 49-66, 97-99.
Media użyte na tej stronie
Heinrich Daniel Ruhmkorff's induction coil. The mechanisms at the ends are interrupters, vibrating switches that interrupt the DC current flowing in the primary winding of the coil to create the flux changes necessary to induce high voltage in the secondary winding. This coil has two interrupters; the one at the right end is a common "hammer" interrupter with metal contacts. The one on the left is a type invented by Fizeau that uses a metal needle dipping into mercury, covered by a layer of alcohol to suppress the formation of sparks, resulting in higher voltages.
Induction coil (Ruhmkorff coil) circuit to generate high voltages. The induction coil consists of a "primary winding" A of relatively few turns of coarse insulated wire, and a "secondary winding" B of many turns of fine wire, wrapped around an iron core C. The battery G sends a DC current through the primary winding. The interrupter E is pair of vibrating switch contacts which repeatedly breaks the primary current, creating flux changes in the coil needed to induce a high voltage in the secondary coil. The interrupter has an iron armature piece on a springy arm next to the coil's core. When the current is switched on, it creates a magnetic field in the iron core. The iron interrupter arm is attracted to the core, opening the contacts. The primary current to the core is cut off, the magnetic field collapses, and the interrupter arm springs back, closing the contacts again. The primary current turns on again, and the magnetic field attracts the arm again. This cycle repeats rapidly 20 - 40 times per second. Each time the primary current "breaks" and the magnetic field collapses, it induces a voltage in the secondary winding. Since the secondary winding has many turns, the voltage is large, large enough to cause a spark to jump across the spark gap H. Small induction coils can create a 1 - 2 inch spark (40 to 80 thousand volts), while large coils can can create sparks up to 40 inches (about 1 million volts).
Autor: Chetvorno, Licencja: CC0
Waveforms of voltage and current in an induction coil without a capacitor, demonstrating how the coil's interrupter works to generate the high voltages.
Autor: Chetvorno, Licencja: CC0
Waveforms of voltage and current in an induction coil, demonstrating how the coil's interrupter works to generate the high voltages.