13-4. Гидравлический таран и индукционная катушка
В 1796 г. французский изобретатель Жозеф-Мишель Монгольфье1 построил гидравлический прибор, который довольно широко применялся в прошлом веке в сельском хозяйстве для подъема воды. В этом приборе, получившем название «гидравлический таран», многоводный, но текущий под низким напором поток преобразуется в маловодную, но с высоким давлением струю. Это преобразование происходит вследствие периодических резких остановок водяного потока (рис. 13-3).
Резкая остановка водяного потока вызывает явление гидравлического удара: проявляется инерция водяного потока, стремление его сохранить свое движение. Часто гидравлические удары вызывают нежелательные вредные последствия. Полное объяснение процессов, происходящих при гидравлическом ударе, было дано Николаем Егоровичем Жуковским — «отцом русской авиации», как его называл В. И. Ленин.
В 1897 г. строители нового московского водопровода столкнулись с частыми разрывами труб. Чтобы объяснить это явление, был приглашен профессор Московского высшего технического училища Η. Е. Жуковский. Он провел опыты над ударами воды в водопроводных трубах.
«Эти опыты дали интересные результаты, — писал Жуковский, — которые, насколько мне известно, до сих пор еще не указаны в технической литературе. Оказалось, что явления при гидравлическом ударе объясняются возникновением и распространением в трубах ударной волны, происходящей от сжатия воды и от расширения стенок. Инженеры, которые занимались этой задачей, не обратили внимания на то, что при весьма быстром закрытии задвижки вода останавливается, давление повышается, и это состояние воды передается по трубе по закону распространения волнообразного движения».
Рис. 13-3. Преобразователи мощности и времени действия с динамическим запасанием энергии.
Когда выпускной клапан гидравлического тарана открыт, водяной поток в подводящей трубе движется с нарастающей скоростью и накапливает энергию. Закрытие клапана вызывает резкую остановку водяного потока. В подводящей трубе происходит гидравлический удар. Пружина стремится держать выпускной клапан открытым, а вода, текущая по трубе, стремится клапан закрыть. Пружина так подобрана, что выпускной клапан захлопывается, лишь когда вытекающая вода приобретает максимальную скорость. Вследствие гидравлического удара давление воды резко повышается. Под действием этого давления открывается впускной клапан, и вода поднимается в приемный резервуар.
Избыточное давление существует в подводящей трубе только короткое время, пока не израсходуется запасенная водяным потоком энергия движения. Затем давление спадает, впускной клапан захлопывается под давлением столба воды, а выпускной клапан под действием пружины открывается. Водяной поток в подводящей трубе снова начинает набирать скорость и накапливать энергию движения. А когда скорость нарастет до предельного значения, произойдет новый гидравлический удар, и т. д.
Аналогично тарану работает индукционная катушка. При замкнутом прерывателе нарастает ток в первичной обмотке и запасается энергия в электромагнитном поле катушки. При размыкании прерывателя электромагнитная инерция стремится поддерживать ток и создает высокое напряжение в обмотках катушки. Кинетическая энергия переходит в потенциальную.
Конденсатор, включенный параллельно контактам прерывателя, действует подобно запасу воздуха в воздушном колпаке гидравлического тарана. Их назначение — смягчать слишком резкие толчки при остановке водяного потока или обрыве в цепи электрического тока.
1 Жозеф-Мишель Монгольфье известен тем, что в 1783 г. со своим младшим братом Жак-Этьеном построил воздушный шар, поднимавшийся нагретым воздухом.
Теперь в водопроводных системах делают винтовые краны, которые закрываются не резко, а постепенно. Это предотвращает возникновение гидравлических ударов. Простые пробковые краны (такие, как в самоварах) применяются только в системах с низким давлением и малым расходом жидкости.
Гидравлический удар — это проявление механической инерции движения. Аналогичным образом проявляет себя электрическая инерция при резком прерывании электрического тока. На явлении электрической инерции основано действие так называемых индукционных катушек, часто применяемых для преобразования низкого напряжения в высокое.
При изменении силы электрического тока во всяком проводнике возникает электродвижущая сила самоиндукции; она противодействует изменению тока. Как при ударе молота о наковальню возникают большие механические силы, так и при резком прерывании тока возникают большие электрические напряжения. Электрическое напряжение при резком прекращении тока может во много раз превосходить напряжение, действовавшее в электрической цепи до обрыва тока (напряжение источника питания).
Индуктивность — электрическая инерция проводника — возрастает, если проводник свернуть в спираль, а также поместить внутрь этой спирали ферромагнитный сердечник.
Индукционная катушка отличается от простого механического или гидравлического тарана тем, что в ней не прямо используется инерция первичной цепи, а есть еще вторичная обмотка, в которой число витков больше, чем в первичной. Поэтому и напряжение вторичной обмотки получается больше напряжения первичной обмотки. Индукционная катушка — это, если так можно выразиться, своеобразное электрическое сочетание тарана с рычагом 1.
1 Одна из первых удачных конструкций индукционной катушки была создана в 1852 г. Генрихом Румкорфом (1803—1877), владельцем механической мастерской в Париже. Румкорф получил большую премию Французской Академии наук. Его катушки сразу же стали одним из самых распространенных приборов в физических лабораториях.
В прошлом веке изготавливались индукционные катушки колоссальных размеров со вторичной обмоткой длиной в несколько сотен километров. Они давали искру более метра, т. е. развивали напряжение в сотни тысяч вольт. При помощи индукционных катушек были проведены многочисленные исследования электрических разрядов в газах; были открыты Рентгеном лучи, названные его именем. Первые рентгеновские установки в медицинских кабинетах также работали с индукционными катушками. Изобретатель радио А. С. Попов применял индукционные катушки для питания высоким напряжением искровых разрядников своих передатчиков.
Отдаваемое индукционными катушками напряжение неустойчиво. Прерыватели тока для катушек ненадежны и требуют тщательного ухода. Поэтому большие индукционные катушки теперь не применяются. В промышленности и в лабораториях для получения высоких напряжений используют более надежные и удобные источники, например повышающие напряжение трансформаторы для тока из силовых сетей (переменного тока с частотой 50 Гц). Малые индукционные катушки часто служат в школьных физических кабинетах для показа опытов с высоким напряжением.
В настоящее время индукционные катушки широко применяются в системах зажигания автомобильных и других бензиновых двигателей. Один конец высоковольтной обмотки катушки соединяется с корпусом двигателя (на «массу»), второй конец выведен через высоковольтный изолятор и подается на центральные электроды «свечей», ввинченных в головки рабочих цилиндров двигателя. Прерыватель тока в первичной цепи индукционной катушки приводится в действие механически через передачу от главного вала двигателя.
Чтобы поджечь горючую смесь бензиновых паров с воздухом в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, достаточно электрической искры мощностью менее тысячной доли ватта. В четырехцилиндровом двигателе, который делает три тысячи оборотов в минуту, катушка должна дать сто искр в секунду (по одной искре на каждый цилиндр за каждые два оборота главного вала). Полная мощность, которую катушка отдает на зажигание двигателя, меньше одной десятой доли ватта. Но в первичной цепи индукционная катушка потребляет несколько десятков ватт. Электрический к. п. д. индукционной катушки системы зажигания меньше 0,1%.
