Na tej stronie Szanowni Goście mam zamiar przedstawić ciekawe urządzenie pamiętające jeszcze czasy PRL-u, które znajdowało się w wielu szkołach podstawowych. W tym właśnie okresie mojego życia miałem okazję zobaczyć je po raz pierwszy. Urządzeniem tym jest induktor Rumkorffa, służący do generowania wysokiego napięcia na potrzeby demonstracji zjawisk fizycznych.

      Urządzenie, które udało mi się zdobyć od bardzo dawna nie było używane i stało całymi latami gdzieś w garażu (oczywiście nie moim :)). Przez ten czas uległo niewielkiemu zniszczeniu i musiałem je trochę odremontować. Na szczęście było całkowicie sprawne elektrycznie, dzięki czemu po chwili pracy mogłem je uruchomić.


Fot. 1 Induktor Rumkorffa przed remontem.

      Zacznę może najpierw od wyjaśnienia budowy i zasady działania zaprezentowanego powyżej urządzenia. Cewka rumkorffa to tak naprawdę transformator z otwartym rdzeniem indukcyjnym. Zasilany jest jednak prądem stałym o niskim napięciu. Prąd zasilający urządzenie przerywany jest w bardzo sprytny sposób. Otóż blisko rdzenia znajduje się przerywacz "napędzany" polem magnetycznym wytworzonym w rdzeniu. Wszystko dobrze widać na poniższym schemacie. Gdy zasilimy urządzenie przez zamknięty przerywacz popłynie prąd, który wytworzy w rdzeniu pole magnetyczne a to z kolei przyciągnie młoteczek i dojdzie do rozwarcia i przerwania obwodu. Wtedy pole magnetyczne zniknie a obwód znów zostanie zamknięty i tak cykl będzie się powtarzał.


Fot. 2 Schemat elektryczny induktora.

Uzwojenie pierwotne składa się z około 200 zwojów drutu o grubości 1,8 mm, nawiniętego na izolowany papierem parafinowanym rdzeń, składający się z wielu blach transformatorowych. Taka budowa rdzenia ma na celu wyeliminowanie prądów wirowych, które z kolei doprowadzały by do jego nagrzewania.
      Uzwojenie wtórne transformatora składa się ze 100.000 zwojów drutu mieszanego o średnicy zaledwie 0,1 mm. Uzwojenia wykonane są w dwóch oddzielnych sekcjach połączonych ze sobą szeregowo. Taki podział uzwojenia ma na celu jak najlepsze oddzielenie od siebie przewodów o największej różnicy potencjałów. Obie sekcje nawinięte są na osobnych karkasach, a wszystko zalane jest parafiną by jeszcze bardziej poprawić izolację. Mam jednak zastrzeżenia co do tego rodzaju izolatora, ale o tym trochę później.

Fot. 3 Widok rdzenia oraz izolacji parafinowej.

      Dzięki temu, że prąd zasilający uzwojenie pierwotne jest przerywany, w rdzeniu powstaje i zanika strumień magnetyczny, a to z kolei wzbudza w uzwojeniu wtórnym siłę elektromotoryczną. Gdy włączymy zasilanie urządzenia, prąd w obwodzie uzwojenia pierwotnego nie od razu osiąga wartość, jaka wynika z Prawa Ohma. Skutkiem indukcji, narastanie prądu odbywa się stopniowo. Wtórna siła elektromotoryczna jest proporcjonalna do szybkości zmiany natężenia prądów w obwodzie pierwotnym, a ponieważ szybkość ta przy zamykaniu obwodu nie jest wielka to i siła elektromotoryczna w obwodzie wtórnym nie osiąga dużej wartości.

Fot. 4 Widok izolowanego uzwojenia pierwotnego nawiniętego na rdzeń.

      Przerywanie prądu odbywa się w czasie znacznie krótszym niż załączanie. Prąd nie zanika jednak momentalnie bo jest podtrzymywany przez zapalającą się iskrę w przerywaczu. By ten fakt zminimalizować równolegle do przerywacza zamontowano kondensator o pojemności 4 uF, który gasi iskrę i znacznie zwiększa szybkość zaniku przepływu prądu w obwodzie.

Fot. 5 Kondensator połączony równolegle z przerywaczem.

      Dzięki zastosowaniu kondensatora po rozłączeniu styków przerywacza następuje bardzo szybki zanik prądu w obwodzie pierwotnym. Wytworzony strumień magnetyczny dąży do podtrzymania prądu, a w obwodzie wtórnym indukuje się duża siła elektromotoryczna. Zależność napięcia w obwodzie wtórnym od szybkości zmian prądu w obwodzie pierwotnym przedstawia poniższy rysunek.

Fot. 6 Zależność wtórnej SEM od szybkości zmian prądu w obwodzie pierwotnym.

      Z rysunku widać, o ile większa jest siła elektromotoryczna w chwili przerywania prądu w pierwotnym obwodzie, od siły, która powstaje w chwili gdy przerywacz załącza prąd do pierwotnego uzwojenia. Siłą ta jest na tyle duża, że wystarcza do powstania wyładowania iskrowego o długości kilku cm.

Fot. 7 Widok popękanej izolacji parafinowej.

      Na zdjęciu powyżej wydać, że z biegiem lat parafinowa izolacja pęka i zupełnie nie zdaje swojego egzaminu. Po zdjęciu tekturowej osłony zobaczyłem, że całą tę izolację należy wymienić, w przeciwnym razie mogło by dojść do przebicia i uszkodzenia uzwojeń. Naprawa była bardzo prosta i polegała na wytopieniu starej parafiny nagrzewnicą i zalaniu nowej.

Fot. 8 Induktor Rumkorffa po remoncie.

      Urządzenie po niewielkiej ilości pracy prezentuje się już znacznie lepiej i działa też bez zarzutu. Zasilanie urządzenia doprowadza się poprzez komutatorowy przełącznik, który jednocześnie zapewnia zmianę polaryzacji zasilania, co powoduje zmianę kierunku wyładowań.

Fot. 9 Wyładowania iskrowe.

      Wyładowania nie są może zbyt okazałe ale wolałem nie zasilać urządzenia maksymalnym napięciem, które wynosi 8 V z dwóch powodów. Pierwszy to obawa przed przebiciem uzwojenia a drugie to chwilowy brak porządnego zasilacza o dużej wydajności prądowej. Zasilałem induktor z cyfrowego zasilacza i przy każdym załączeniu przerywacza włączały się zabezpieczenia.

Fot. 10 Widok przerywacza i dodatkowego kondensatora.

      Postanowiłem więc dołożyć kondensator niskiego napięcia o dużej pojemności, który pełni rolę bufora prądowego. Kondensator włączyłem równolegle do zasilania uzwojenia pierwotnego przed przerywaczem, a w szereg z zasilaniem dołożyłem 5 watowy rezystor o rezystancji 50 omów. dzięki temu impulsy prądowe pobierane są z kondensatora i nie "szarpią" zasilacza.

Fot. 11 Sprawdzanie napięcia na uzwojeniu wtórnym.

      Na zdjęciu nr 11 pokazałem sprawdzanie napięcia na wyjściu przy pomocy sondy wysokiego napięcia podłączonej do multimetru cyfrowego. Przy zasilaniu induktora napięciem równym 5 V na wyjściu uzyskałem 13 KV. Oczywiście nie jest to maksymalne napięcie induktora. Jak już wcześniej wspomniałem staram się go nie przeciążać bo traktuje go raczej jako eksponat niż źródło wysokiego napięcia. Poza tym to jest napięcie impulsowe a multimetr nie ma zbyt dużej częstotliwości odświeżania, więc też pewnie trochę przekłamuje. Do takich pomiarów należało by zastosować oscyloskop. Jeszcze jeden problem z pomiarem napięcia polega na tym, że induktor nie powinien pracować bez obciążenia. Albo powinny następować cały czas wyładowania iskrowe, albo powinien być podłączony do innego odbiornika, w przeciwnym razie może dojść do wewnętrznych wyładowań i uszkodzenia.

Fot. 12 Bańka neonowa sygnalizująca obecność wysokiego napięcia.

      Induktor Rumkorffa stosowany jest w szkołach i na uczelniach, wszędzie tam, gdzie potrzebne jest wysokie napięcie. Zastępuje on maszynę elektrostatyczną, którą znacznie przewyższa pod względem natężenia prądu. Induktora używa się do demonstracji iskry elektrycznej, do wyładować w rurach próżniowych, do demonstracji prądów Tesli, do fal elektromagnetycznych, do zasilania rur Roentgena, do rezonansu elektrycznego i jeszcze wielu innych doświadczeń. Na zdjęciu nr 12 przymocowałem do wyjścia bańkę zawierającą neon i hel pod zmniejszonym ciśnieniem. Bańkę tą dostałem w prezencie podczas wycieczki do jednej z elektrowni. Stosuje się je jako sygnalizatory obecności wysokiego napięcia na liniach energetycznych przy wyjściach z generatorów.

Fot. 13 Intensywne świecenie gazu w bańce sygnalizuje obecność wysokiego napięcia.

      Inne zastosowanie, jak już wspomniałem to zasilanie przeróżnych rur próżniowych demonstrujących przeróżne zjawiska. Jedna z takich rur znajduje się już w mojej kolekcji. Jest to rura do demonstracji odchylania strumienia elektronów polem magnetycznym.

Fot. 14 Rura próżniowa z ekranem pokrytym luminoforem.

      Rura składa się z dwóch elektrod: katody po lewej stronie, która wykonana jest jako małe, płaskie kółko i anody, która wykonana jest w postaci długiej blaszki ułożonej pod pewnym kontem w pozostałej długości rury. Elektroda ta, pokryta jest luminoforem, który świeci na niebiesko, gdy uderzają w niego elektrony. Anoda ma jeszcze szczelinę, która wpuści na ekran tylko wąski strumień elektronów tak by można było zaobserwować ich późniejsze odchylanie.

Fot. 15 Świecenie ekranu bombardowanego elektronami z katody.

      Jak widać wpadające przez szczelinę elektrony wywołują intensywne świecenie ekranu tylko w miejscu nie zacieniowanym przez szczelinę. Dowodzi to, że elektrony rozchodzą się po liniach prostych. Z podobnym zjawiskiem mamy do czynienia w ekranach kineskopowych.

Fot. 16 Odchylanie strumienia elektronów polem magnetycznym.

      A to zdjęcie wykonano w momencie, gdy na rurze położyłem magnes. Strumień elektronów został mocno zakrzywiony. Podobnie dzieje się w kineskopie, gdzie pole magnetyczne zakrzywia ukształtowaną odpowiednio wiązkę elektronów, a ta rysuje na pokrytym luminoforem ekranie obrazy, które oglądamy. I tak od cewki wysokiego napięcia zawędrowaliśmy aż do kineskopów telewizyjnych. Można by tak wędrować jeszcze bardzo długo, a wracając do samej cewki Rumkorffa to jej zmodyfikowana wersja znajduje się w większości silników spalinowych. Cewka zapłonowa działa w identyczny sposób.

Materiał opracowano korzystając z instrukcji do urządzenia Fabryki Pomocy Naukowych w Poznaniu.
Induktor Rumkorffa został zatwierdzony przez Ministerstwo Oświaty w dniu 8 września 1951r. do użytku szkolnego.

Odwiedź nas na Allegro: PaneleAllegro.pl

Komentarze

PaneleAllegro.pl darmowe panele allegro