Котушка Румкорфа

Котушка індуктивності Румкорфа складається з двох обмоток з ізольованого мідного дроту, розташованих навколо спільного залізного осердя (стержня). Первинна обмотка містить відносно мале число (десятки, сотні) витків товстого дроту. Вторинна обмотка містить велику кількість (тисячі) витків тонкого дроту. До складу котушки входить автоматичний переривник (V) кола первинної обмотки (вібратор), конденсатор, а також регульований розрядний проміжок (E) в колі вторинної обмотки. Призначення переривника полягає в швидкому почерговому замиканні і розмиканні електричного кола. Зазор між якорем переривника і осердям котушки може регулюватися гвинтом.

У практичній схемі котушка підключається до джерела живлення постійного струму (P), наприклад, через телеграфний ключ (M). Показаний на схемі балістичний гальванометр (G) може бути використаний[1] для вимірювання електричного заряду, переданого у вторинне коло котушки при іскровому розряді через розрядний проміжок (E).

Осцилограма в індукційній котушці без конденсатора:
i₁ — первинний струм
v₂ — вторинна напруга

Те саме, з конденсатором. Шкала для v₂ (контакти розімкнуті) відрізняється від верхнього малюнка, тут вторинна напруга значно більша

При замиканні ключем M кола джерела живлення з первинною обмоткою, в ньому тече струм, що наростає, обумовлений індуктивним характером кола. В магнітному полі котушки накопичується енергія:

${\displaystyle W={\frac {\Psi I}{2}}={\frac {L{{I}^{2}}}{2}}}$

де ${\displaystyle \Psi =\Phi w}$ — потокозчеплення, ${\displaystyle \Phi }$ — магнітний потік, ${\displaystyle w}$ — число витків первинної обмотки, ${\displaystyle I}$ — струм у первинній обмотці, ${\displaystyle L}$ — індуктивність первинної обмотки.

Коли магнітний потік в осерді досягає певної величини, якір переривника притягається, і переривник розмикається, що призводить до різкого зменшення струму первинної обмотки (і магнітного потоку) і до відпускання якоря під дією пружини. Переривник знову замикається, після чого знову розмикається. Процес триває безперервно, поки замкнуто ключ M.

Напруга на вторинній обмотці (вторинна напруга) приблизно пропорційна швидкості зміни струму в первинній обмотці (первинного струму). При розмиканні і замиканні переривника напруга на вторинній обмотці має різну полярність. При замиканні струм наростає порівняно повільно, поступово уповільнюючи швидкість наростання через внутрішній опір джерела живлення. При розмиканні зміна струму в первинній обмотці більш різка. Тому імпульсна напруга на вторинній обмотці при розмиканні набагато більша, ніж при замиканні.

При відсутності конденсатора розмикання переривника призводить до утворення між його контактами електричної дуги[1], в якій витрачається енергія, запасена в котушці. При цьому швидкість зміни (спаду) первинного струму зменшується, а отже зменшується вихідна напруга.

За наявності конденсатора (ємністю приблизно від 0,5 до 15 мкФ) можливість утворення електричної дуги в переривнику протягом часу розриву ланцюга залишається, але швидкість зміни первинного струму при розмиканні значно зростає. Відповідно зростає і напруга, наведена на вторинній обмотці. Конденсатор і первинна обмотка в інтервалі часу розриву утворюють коливальний контур, тому в первинній обмотці протікає осцилюючий згасаючий синусоїдальний струм, внаслідок чого на вторинній обмотці наводиться синусоїдальна напруга.

Таким чином, в кожному інтервалі розриву ланцюга переривника, завдяки електромагнітній індукції на вторинній обмотці наводяться імпульси високої напруги (десятки, сотні тисяч вольт) зі змінною полярністю. Кожен імпульс, що має достатню амплітуду, викликає іскровий розряд у розрядному проміжку.

В ідеальному випадку, за відсутності втрат в котушці й у всій схемі підключення, після розмикання переривника (без утворення електричної дуги) енергія магнітного поля котушки повністю перетворюється в енергію електричного поля конденсатора. Якщо конденсатор до цього був повністю розряджений, то справедлива рівність:

${\displaystyle {\frac {L{{I_{m}}^{2}}}{2}}={\frac {C{{U_{m}}^{2}}}{2}}}$

де ${\displaystyle L}$ — індуктивність первинної обмотки, ${\displaystyle I_{m}}$ — максимальний струм у первинній обмотці, ${\displaystyle C}$ — електрична ємність конденсатора, ${\displaystyle U_{m}}$ — максимальна напруга на конденсаторі.

У коливальному контурі максимальні змінні напруги на конденсаторі і на котушці індуктивності рівні, тому максимальна напруга на первинній обмотці котушки:

${\displaystyle U_{m}=I_{m}{\sqrt {\frac {L}{C}}}}$

У цій формулі немає явної залежності від напруги джерела живлення. Напруга на первинній обмотці котушки визначається тільки параметрами коливального контуру і струмом у первинній обмотці, тому вона може у багато разів перевищувати напругу джерела живлення. Завдяки великому відношенню числа витків вторинної та первинної обмоток вихідна напруга буде ще більшою.

Можна отримати вираз для ${\displaystyle U_{m}}$ із залежністю від напруги джерела живлення. У схемі без втрат максимальний струм в котушці індуктивності, підключеній до джерела живлення з постійною напругою ${\displaystyle U_{p}}$ на інтервал часу ${\displaystyle t_{p}}$, визначається за формулою:

${\displaystyle I_{m}={\frac {U_{p}t_{p}}{L}}}$

тоді:

${\displaystyle U_{m}={\frac {U_{p}t_{p}}{\sqrt {LC}}}}$

Висока напруга, створювана на вторинній обмотці, накладає певні вимоги до її конструкції щоб уникнути електричного пробою тонкої ізоляції між витками дроту і іскрового (або дугового) розряду між окремими частинами котушки. Для цього провідники з великою різницею потенціалів розносяться якнайдалі один від одного. В одному поширеному методі вторинна обмотка розділяється на ізольовані вузькі секції, електрично з'єднані у послідовний ланцюг. Спочатку на залізне осердя намотується первинна обмотка, на яку накладається паперова чи гумова ізоляція. Потім одягається кожна секція вторинної обмотки з ізоляцією одна від одної вощеними картонними дисками. Напруга, що створюється у кожній секції, недостатня для електричного пробою всередині секції. Значна напруга створюється тільки через кілька послідовних секцій, які рознесені досить далеко. Для остаточної ізоляції всієї котушки її просочують, наприклад, розплавленим парафіном. Після затвердіння котушка виявляється цілком вміщеною в парафін.

Для запобігання вихровим струмам, які викликають втрати енергії, залізне осердя робиться з пучка паралельних залізних дротів, покритих для електричної ізоляції шелаком. Тому наведені в осерді вихрові струми, які замикаються в площині, перпендикулярній магнітної осі, блокуються шарами ізоляції. Кінці ізольованої первинної обмотки часто стирчать на кілька дюймів від обох кінців вторинної обмотки, щоб запобігти електричному розряду від високої вторинної напруги через первинну обмотку.