Просмотр кода страницы Катушка Румкорфа

{{Значения|Катушка (значения)}}
[[Файл:Induction coil cutaway.jpg|thumb|270px|Конструкция индукционной катушки Румкорфа]]
[[Файл:TX Ruhmkorff 1.jpg|thumb|270px|Схема индукционной катушки Румкорфа]]
'''Катушка Румкорфа''', '''индукционная катушка''' — устройство для получения импульсов [[Высокое напряжение|высокого]] [[Электрическое напряжение|напряжения]]. Представляет собой электромеханический преобразователь низкого [[Постоянный ток|постоянного]] напряжения в высокое [[Переменный ток|переменное]] напряжение. [[Катушка индуктивности|Катушка]] получила название по имени немецкого изобретателя [[Румкорф, Генрих Даниэль|Генриха Румкорфа]]<ref>{{ВТ-МЭСБЕ|Катушка Румкорфа}}</ref>, который запатентовал свою первую конструкцию катушки в 1851 году и организовал её успешное производство в своей мастерской в [[Париж]]е. Более ранние разработки подобного устройства другими изобретателями относятся к 1836 году{{переход|История}}.

Термином ''«индукционная катушка»'' называют также катушки, преобразующие высокочастотный [[переменный ток]] в [[вихревые токи]] для нагрева предметов, помещённых внутри (или вблизи) этой катушки, при [[Индукционный нагрев|индукционном нагреве]], [[Индукционная сварка|индукционной сварке]] или в оборудовании для [[Зонная плавка|зонной плавки]].

== Описание ==

=== Конструкция и схема подключения ===
Катушка Румкорфа состоит из двух обмоток из изолированного медного провода вокруг общего [[Магнитопровод|железного сердечника]] (B). Первичная обмотка содержит относительно малое число (десятки, сотни) витков толстого провода. Вторичная обмотка содержит большое число (тысячи, десятки тысяч) витков тонкого провода. В состав катушки входит автоматический прерыватель (V) цепи первичной обмотки (вибратор), [[Электрический конденсатор|конденсатор]], а также регулируемый разрядный промежуток (E) в цепи вторичной обмотки. Прерыватель предназначен для быстрого попеременного размыкания и замыкания [[Электрическая цепь|электрической цепи]]. Зазор между якорем прерывателя и сердечником катушки может регулироваться винтом<ref name="Britannica">John Archibald Fleming {{cite encyclopedia
  | title = Induction Coil
  | encyclopedia = Encyclopædia Britannica, 11th Ed.
  | volume = 13
  | pages = 502–505
  | publisher = The Encyclopædia Britannica Co.
  | date = 1911
  | url = https://books.google.com/books?id=XFobAQAAMAAJ&pg=RA1-PA504&dq=%22induction+coil
  | id = 
  | accessdate = 2014-10-13
  | archive-date = 2020-07-04
  | archive-url = https://web.archive.org/web/20200704120226/https://books.google.com/books?id=XFobAQAAMAAJ&pg=RA1-PA504&dq=%22induction+coil%2F
  | url-status = live
  }} {{Cite web|url=https://books.google.com/books?id=XFobAQAAMAAJ&pg=RA1-PA504&dq=%22induction+coil|title=Источник|access-date=2019-02-10|archive-date=2020-07-04|archive-url=https://web.archive.org/web/20200704120226/https://books.google.com/books?id=XFobAQAAMAAJ&pg=RA1-PA504&dq=%22induction+coil%2F|deadlink=unfit}}</ref>.

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<ref name=":0">{{книга|автор=Мансуров Н. Н., Попов В. С.|заглавие=Теоретическая электротехника|место=[[Москва|М.]]|год=1968|страниц=576}}</ref> для измерения [[Электрический заряд|электрического заряда]], переданного во вторичную цепь катушки при [[Искровой разряд|искровом разряде]] через разрядный промежуток (E).

=== Принцип действия ===
[[Файл:Induction coil waveforms ru.svg|thumb|Электрические процессы в катушке без конденсатора:<br>
<math>i_1</math> — первичный ток (синий);<br>
<math>u_2</math> — вторичное напряжение (красный).]]
[[Файл:Induction coil waveforms with capacitor-ru.svg|thumb|То же, в катушке с конденсатором. Шкала для <math>u_2</math> на интервале «разомкнут» отличается от верхнего рисунка, здесь амплитуда вторичного напряжения значительно больше]]
При замыкании ключом M цепи источника питания с первичной обмоткой в ней течёт нарастающий ток (см. рисунок), обусловленный индуктивным характером цепи. В [[Магнитное поле|магнитном поле]] катушки накапливается энергия {{math|''W''}}, [[Джоуль|Дж]]:

: {{s|<math>W = \frac{ \Psi I }{2} = \frac{ L{ {I}^{2} } }{2},</math>}}
где
: <math>\Psi = \Phi w</math> — [[потокосцепление]], [[Вебер (единица измерения)|Вб]];
: <math>\Phi</math> — [[магнитный поток]], [[Вебер (единица измерения)|Вб]];
: <math>w</math> — число витков первичной обмотки, [[безразмерная величина]];
: <math>I</math> — ток в первичной обмотке, [[Ампер (единица измерения)|А]];
: <math>L</math> — [[индуктивность]] первичной обмотки, [[Генри (единица измерения)|Гн]].

Когда магнитный поток в сердечнике достигает величины, достаточной для примагничивания якоря прерывателя к сердечнику, электрическая цепь первичной обмотки размыкается<ref>{{Cite web|url=https://studfiles.net/preview/3494044/page:30/|title=3.12. Явления при замыкании и размыкании тока. Энергия магнитного поля|publisher=StudFiles|accessdate=2018-01-12}}</ref>. Размыкание 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, <math>u_2</math>) примерно пропорционально скорости изменения тока в первичной обмотке (первичного тока, <math>i_1</math>). При размыкании и замыкании прерывателя напряжение на вторичной обмотке имеет разную полярность. При замыкании ток нарастает (увеличивается) сравнительно медленно, причём скорость нарастания тока постепенно уменьшается из‑за [[Активное сопротивление|активного сопротивления]] цепи первичной обмотки и [[Внутреннее сопротивление|внутреннего сопротивления]] источника питания. При размыкании прерывателя изменение тока в первичной обмотке более резкое. Поэтому импульсное напряжение на вторичной обмотке при размыкании гораздо больше, чем при замыкании.

Таким образом, в каждом интервале разрыва цепи прерывателя, посредством [[Электромагнитная индукция|электромагнитной индукции]] на вторичной обмотке наводятся импульсы высокого напряжения (десятки, сотни тысяч вольт). Каждый импульс, имеющий достаточную амплитуду для электрического пробоя, вызывает [[искровой разряд]] в разрядном промежутке.

=== Назначение конденсатора ===
При отсутствии конденсатора размыкание прерывателя сопровождается появлением между его контактами значительной [[ЭДС]] [[Самоиндукция|самоиндукции]]. Это приводит к ионизации воздушного зазора между контактами и образованию [[Электрическая дуга|электрической дуги]]<ref name=":0"/>, в которой расходуется энергия, запасённая в катушке. При этом скорость изменения (спада) первичного тока замедляется, и выходное напряжение уменьшается. Вдобавок, дуга разрушает контакты прерывателя.

При наличии конденсатора ([[Электрическая ёмкость|ёмкостью]] примерно {{s|от 0,5}} {{s|до 15 [[Микро-|мк]][[Фарад|Ф]]}}) электрическое напряжение между контактами прерывателя в момент размыкания оказывается равным напряжению на конденсаторе, то есть близким к нулю. Поэтому электрическая дуга не образуется, и скорость изменения первичного тока при размыкании прерывателя 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 затухающий переменный ток, вследствие чего на вторичной обмотке наводится переменное напряжение.

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

: {{s|<math>\frac{ L { {I_{m} }^{2} } }{2} = \frac{ C { {U_{m} }^{2} } }{2},</math>}}
где
: <math>L</math> — [[индуктивность]] первичной обмотки, [[Генри (единица измерения)|Гн]];
: <math>I_{m}</math> — максимальный ток в первичной обмотке, [[Ампер (единица измерения)|А]];
: <math>C</math> — [[электрическая ёмкость]] конденсатора, [[Фарад|Ф]];
: <math>U_{m}</math> — максимальное напряжение на конденсаторе, [[Вольт (единица измерения)|В]].

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

: {{s|<math>U_{m} = I_{m} \sqrt{ \frac{L}{C} }.</math>}}

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

: {{s|<math>I_{m} = \frac{ U_{p} t_{p} }{L}.</math>}}
Тогда
: {{s|<math>U_{m} = \frac{ U_{p} t_{p} }{ \sqrt{ L C } }.</math>}}

=== Особенности конструкции ===
Высокое напряжение, создаваемое на вторичной обмотке, накладывает определённые требования к её конструкции во избежание электрического пробоя тонкой [[Изоляция (электротехника)|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 [[Последовательное и параллельное соединение проводников#Последовательное соединение|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 пропитанными воском или парафином 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 [[парафин]]ом. После затвердевания катушка целиком оказывается заключённой в парафин<ref name="Britannica"/>.

Для предотвращения [[Вихревые токи|вихревых токов]], которые вызывают потери энергии, железный сердечник делается из пучка параллельных железных проволок, покрытых [[шеллак]]ом для их электрической изоляции. Поэтому наводимые в сердечнике вихревые токи, которые замыкаются в плоскости, перпендикулярной магнитной оси, блокируются слоями изоляции. Концы изолированной первичной обмотки удаляют от обоих концов вторичной обмотки, чтобы предотвратить электрический разряд от высокого вторичного напряжения через первичную обмотку<ref name="Britannica"/>.

Вместо проволок для сердечника используются и тонкие изолированные железные пластины, при этом магнитные свойства железа используются более эффективно. В одном из описаний конструкции катушки с длиной искры 40 см приведены следующие технические параметры<ref>{{Cite web|url=http://gpntb.dlibrary.org/ru/nodes/6961-engelman-i-g-bezprovolochnyy-telegraf-spb-1905|title=Электронный архив ГПНТБ России {{!}} Энгельман И.Г. Безпроволочный телеграф. - СПб., 1905.|author=Н. П. ИнфоРост|publisher=gpntb.dlibrary.org|accessdate=2020-02-02|archive-date=2020-02-02|archive-url=https://web.archive.org/web/20200202080847/http://gpntb.dlibrary.org/ru/nodes/6961-engelman-i-g-bezprovolochnyy-telegraf-spb-1905|deadlink=no}}</ref>{{rp|29—36, 42}}:
* напряжение на первичной обмотке 100 В;
* средний ток в первичной обмотке около 5 А;
* напряжение на вторичной обмотке до {{число|200 000|В}};
* частота прерываний 10—20 Гц;
* сердечник — длина 75 см, диаметр 4,5 см;
* первичная обмотка — 430 витков провода диаметром 2,1 мм (два слоя);
* вторичная обмотка — около {{число|24 000|м}} провода диаметром 0,15 мм (80 секций по 300 м провода).

== Ртутные и электролитические прерыватели ==
[[Файл:Mercury turbine interrupter.png|thumb|250px|Ртутный турбинный прерыватель]]
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 [[Искровой радиопередатчик|искровых радиопередатчиках]] и в [[Рентгеновская трубка|рентгеновских установках]] на рубеже XX‑го века. В мощных катушках большой первичный ток создавал электрическую дугу между контактами прерывателя, которые от этого быстро разрушались<ref name="Britannica"/>. Кроме того, поскольку каждый разрыв цепи производит импульс напряжения на катушке, то с повышением частоты прерываний увеличивается выходная мощность. Ударные прерыватели не обеспечивали частоту прерываний более 200 Гц, а в мощных катушках эта частота была не более 20—40 Гц.

[[Файл:Wehnelt interrupter.png|thumb|left|130px|Трёхэлектродный прерыватель Венельта]]Вследствие этого 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 {{s|до 20 см}}. [[Фуко, Жан Бернар Леон|Леон Фуко]] и другие разработали прерыватели, состоящие из колеблющейся иглы, помещённой в контейнер со [[ртуть]]ю. Ртуть была покрыта слоем [[спирт]]а, 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<ref name="Britannica"/>.

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 частоты прерываний до {{число|10000|Гц}} и были наиболее широко используемым типом прерывателя на беспроводных телеграфных станциях<ref name="Britannica"/>.

[[Венельт, Артур|Артур Венельт]] в 1899 году изобрёл электролитический прерыватель, который состоял из короткой [[Платина|платиновой]] иглы (анод), погруженной в [[электролит]] из разбавленной [[Серная кислота|серной кислоты]]. Другой стороной цепи в электролите была [[Свинец|свинцовая]] пластина (катод). Когда через него проходил ток, на игле образовывались пузырьки [[водород]]а, которые многократно разрывали цепь. Это приводило к случайному разрыву цепи со средней частотой до 2000 Гц. Такие прерыватели были предпочтительны для питания рентгеновских трубок, хотя выделяли много тепла, из-за чего водород в смеси с воздухом мог взорваться<ref name="Britannica"/>.

== История ==
[[Файл:Callan's first induction coil.jpg|thumb|upright=0.76|Первая индукционная катушка Николаса Каллана, 1836 год]]
В 1831 году [[Фарадей, Майкл|Майкл Фарадей]] открыл [[Электромагнитная индукция|электромагнитную индукцию]], проводя эксперименты с катушками, намотанными проволокой. В 1836 году {{не переведено|Николас Каллан|||Nicholas Callan}} и {{не переведено|Чарльз Графтон Пейдж|||Charles Grafton Page}} независимо друг от друга изобрели индукционную катушку с ручным рычажным прерывателем. Усовершенствованием катушки занимался также [[Стёрджен, Уильям|Уильям Стёрджен]]. В 1837 году {{не переведено|Джордж Генри Баххофнер|||George Henry Bachhoffner}}<ref name="Britannica"/> и Уильям Стёрджен независимо друг от друга обнаружили, что замена сплошного железного сердечника катушки пучком из железных проволок увеличивает выходное напряжение (как выяснилось позднее, из-за уменьшения потерь энергии на [[вихревые токи]])<ref>[https://books.google.com/?id=17sKAAAAIAAJ&pg=PA10  Fleming (1896) ''The Alternate Current Transformer in Theory and Practice, Vol. 2'', p. 10-11]</ref>. В 1838 году {{не переведено|Джеймс Уильям Мак Голи|||James William MacGauley}} изобрёл автоматический ударный прерыватель<ref name="Page">{{cite book|last=Page|first=Charles Grafton|title=History of Induction: The American Claim to the Induction Coil and Its Electrostatic Developments|publisher=Intelligencer Printing House|date=1867|location= Washington, D.C.|pages=[https://archive.org/details/bub_gb_lrzn9ZX79jAC/page/n40 26]–27, 57|url=https://archive.org/details/bub_gb_lrzn9ZX79jAC}}</ref>. Отмечено вероятное участие в постройке индукционных катушек в 1841 году [[Бреге, Луи Франсуа Клеман|Луи Франсуа Клемана Бреге]] и {{iw|Массон, Антуан Филибер|Антуана Филибера Массона|fr|Antoine Masson (physicien)}}<ref>[http://www.radiomuseum.org/forumdata/upload/020-023_Praktiker_Teil1.pdf www.radiomuseum.org — Praktiker des 19. Jahrhunderts] {{Wayback|url=http://www.radiomuseum.org/forumdata/upload/020-023_Praktiker_Teil1.pdf |date=20230130055346 }} (PDF-Datei; 296 kB)</ref>.

Индукционные катушки Массона появились в 1837 году. В них использовался прерыватель в форме зубчатого колеса, которое при вращении периодически касалось металлической щётки. Массон применял катушку для медицинских целей<ref name="Родионов">''Родионов В. М.'' Зарождение радиотехники / Отв. ред. [[Сифоров, Владимир Иванович|В. И. Сифоров]]. — М.: Наука, 1985. — 240 с. — С. 67—69.</ref>.

В 1848 году [[Румкорф, Генрих Даниэль|Генрих Румкорф]] заметил, что напряжение в катушке Массона можно значительно увеличить, если увеличить число витков вторичной обмотки и частоту прерываний. Одним из первых типов прерывателей в катушках Румкорфа был так называемый «молоточек Вагнера—Нефа», который появился приблизительно в 1840-х годах и представлял собой электромагнит, питаемый от батареи через подвижный ферромагнитный лепесток с контактами<ref name="Родионов"/>. Таким образом, в 1851—1852 годах Румкорф усовершенствовал катушку Массона<ref>''Коротков К. Г., Шустов М. А.'' [https://www.bio-well.com/assets/files/papers/Other-languages/Russian/2017-Korotkov%20K.G.%2C%20Shustov%20M.A.%20Kirlian%20effect%20-%20history%20and%20present.pdf Эффект Кирлиан — прошлое и современность]. — Санкт-Петербург-Томск, 2017. — 144 с. — С. 19.</ref>. Удачная конструкция получила имя своего создателя<ref>[https://reepe.mpei.ru/abstracts/Documents/Blok_doklad_2022_fin+.pdf Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцать восьмая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. 17—19 марта 2022 г. Москва: Тезисы докладов]. — М.: ООО «Центр полиграфических услуг „Радуга“», 2022. — 1000 с. — С. 846.</ref>.

В 1853 году [[Физо, Арман Ипполит Луи|Ипполит Физо]] ввёл использование гасящего конденсатора<ref name="Britannica"/>. Первые индукционные катушки давали напряжение, вызывавшее искры длиной около 2 см. В начале 1850‑х годов американский изобретатель {{не переведено|Сэмюэль Эдвард Ричи|||Edward Samuel Ritchie}} ввёл секционированную конструкцию вторичной обмотки для улучшения изоляции и в 1859 году получал искры длиной до 35 см. Румкорф вскоре построил индукционную катушку с длиной искр до 50 см<ref name="Родионов"/>.

Катушка Румкорфа использовалась, чтобы обеспечить высокое напряжение для начала [[Газовый разряд|газового разряда]] и для трубок [[Крукс, Уильям|Крукса]] (см. {{не переведено|Трубка Крукса|||Crookes tube}}), а также для других высоковольтных исследований (см. [[Катодные лучи]]) и для демонстрации эффектов, связанных с электричеством. Она также применялась в экспериментах, связанных с передачей и приёмом [[Электромагнитное излучение|электромагнитных волн]]. Катушка Румкорфа была частью экспериментальной установки [[Герц, Генрих Рудольф|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]])<ref name="Britannica"/>.

Катушка Румкорфа широко использовалась 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 образовательных целях в кабинетах физики, а близкая по принципу действия [[катушка зажигания]] применяется в [[Двигатель внутреннего сгорания|двигателях внутреннего сгорания]].

В 2006 году [[Институт инженеров электротехники и электроники]] назвал индукционную катушку Каллана вехой в истории электротехники<ref>{{cite web|url=http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Milestones:Callan%27s_Pioneering_Contributions_to_Electrical_Science_and_Technology,_1836|title=Milestones:Callan's Pioneering Contributions to Electrical Science and Technology, 1836|work=IEEE Global History Network|publisher=IEEE|accessdate=2011-07-26|archive-date=2011-10-21|archive-url=https://web.archive.org/web/20111021152118/http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Milestones:Callan%27s_Pioneering_Contributions_to_Electrical_Science_and_Technology,_1836|deadlink=no}}</ref>.

== См. также ==
{{Div col|2}}
* [[Обратноходовой преобразователь]]
* [[Соленоид]]
* [[Вибропреобразователь]]
* [[Трансформатор Теслы]]
{{Div col end}}

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* {{книга|заглавие=Большой Энциклопедический словарь|часть=РУМКОРФ (Ruhmkorff) Генрих Даниэль|год=2000|автор=|язык=ru}}. Большой Энциклопедический словарь. 2000. Словари и энциклопедии на Академике.

== Ссылки ==
* [https://web.archive.org/web/20080403060225/http://www.home-edu.ru/user/f/00000951/biograf/rumkorf.htm Румкорф Генрих Даниэль (15.1.1803-20.12.1877) — изобретатель.]
* [http://www.edu.delfa.net/Interest/biography/r/ruhmkorff.htm Румкорф Генрих Даниэль (Ruhmkorff Heinrich Daniel) (15.I.1803 — 20.XII.1877) — изобретатель.] {{Wayback|url=http://www.edu.delfa.net/Interest/biography/r/ruhmkorff.htm|date=20180311142522}} Кабинет физики СПбАППО.

{{Внешние ссылки}}
{{Генераторы высокого напряжения}}

[[Категория:Трансформаторы]]
[[Категория:Электромеханика]]
[[Категория:Оборудование для физических экспериментов]]