Все мы знаем, что под словом «трансформатор» в электротехнике понимается вполне конкретное устройство, основной задачей которого является преобразование напряжений. 

Даже далёкие от электротехники люди, наверное, «что-то там слышали», :-) — что раньше были трансформаторы на обмотках и проволоке, которые, в настоящее время, были заменены, гораздо более компактными электронными преобразователями (инверторные и т.д.). 

Однако, давайте я вам слегка разрушу эту картину мира! : -))) 

Приходило ли вам когда-либо в голову, что могут быть ещё и механические преобразователи напряжения?! 

Уверен, что большая часть, даже близко не слышала о чём-то подобном! 

Тем не менее, устройство это — весьма примечательное, и, даже, можно сказать, удивительное, вполне достойное рассказа о нём... ;-)

Начало этой разработке, было положено ещё в 1938 году, видным советским электротехником и физиком, Каплянским Александром Евсеевичем, трудами которого, была разработана теория, которая свидетельствовала о том, что возможно создание такого устройства, которое могло бы преобразовывать механическую энергию в электрическую и обратно, используя только переменную индуктивность или переменную ёмкость. 

Благодаря этой теории, были выведены уравнения, опираясь на которые и стало возможным разработать конкретноe устройство. 

Теория свидетельствовала о том, что может быть создано устройство, представляющее собой конденсатор переменной ёмкости, где при этом, возможно создание устройства, аналогичного индуктивным машинам: синхронным, асинхронным, коллекторным. 

Например, если напряжение системы постоянно, и ёмкость конденсатора переменна — то такой случай можно рассматривать, как аналогичный синхронным машинам постоянного тока. 

Если же, напряжение переменное, равно как и ёмкость конденсатора, то этот случай можно рассматривать как асинхронную машину.

В любом случае, было выявлено, что прямое и обратное преобразование механической энергии в электрическую — возможно только при изменении ёмкости.

С точки зрения конструкции, главными действующими элементами такого устройства были бы поверхности, образующие конденсатор: в варианте самой простой реализации подобного устройства, одна обкладка такого конденсатора должна быть подключена к внешнему источнику напряжения, тогда как другая, должна быть замкнута на нагрузку. 

И, как раз подобное устройство, мы и видим на картинке ниже:

Аппарат этот является изобретением Академика А.Ф.Иоффе, который и предложил наиболее простую его конструкцию. 

Как можно видеть, устройство представляет собой два ротора, один из которых, внутренний, существенно меньше по диаметру, чем внешний. 

Оба ротора расположены ассиметрично относительно друг друга, таким образом, чтобы в правой части между ними было самое минимально возможное расстояние (куда подходят стрелки U1), а в левой части, соответственно, максимально возможное (откуда исходят стрелки U2). 

Показанные на рисунке стрелки U1 — символически показывают подведение питающего напряжения для заряда ротора, где при этом, возможно два варианта:

• Если ротор выполнен из диэлектрика: устройство для заряда ротора представляет собой пластину (а лучше тонкую проволоку), натянутую вдоль всей длины ротора, в виде единой полоски/отрезка проволоки.
  
  На эту проволоку подаётся относительно высокое напряжение, что вызывает коронный разряд, и стекание зарядов на ротор, который вращается, благодаря чему, поверхность ротора на всю длину равномерно получает заряд.

• Ротор покрывается на всю длину отдельными токопроводящими пластинками (например, с помощью оклейки фольгой), с некоторыми промежутками между ними; таким образом, ротор становится «полосатым по длине».

Благодаря этому, возможно подведение заряда более простым образом — с помощью единственной щётки, касающейся токопроводящей пластины, в любом месте. 

То есть, происходит следующее: щётка коснулась пластины, передала ей заряд (который растёкся по всей токопроводящей полоске), после чего, ротор повернулся на некоторый угол, и пластина с зарядом отошла от щётки, а на ней изолировалась некоторая порция заряда, после чего начинается заряд следующей пластины и т.д.

Другими словами, наблюдается следующее: в месте, самом близком между двумя цилиндрами — происходит заряд внутреннего цилиндра в момент максимальной ёмкости, после чего, внутренний цилиндр поворачивается на некоторый угол, и ёмкость системы падает (этого участка, относительно стенки внешнего цилиндра), и, при этом, соответственно, увеличивается потенциал!

Из этого следует такой вывод, что нужно стремиться сблизить два цилиндра в точке наибольшего их приближения таким образом, чтобы для данной величины зазора, радиус кривизны цилиндров был максимальным — проще говоря, две наиболее близко расположенные стенки могли рассматриваться практически как параллельные пластины. 

Это позволит максимально увеличить ёмкость системы, и, в момент, когда производится заряд, при одном и том же напряжении, если зазор достаточно маленький, то можно будет запасти гораздо больше заряда, чтобы унести его дальше. 

Далее, как мы видим по картинке, цилиндр вращается, и переносит этот заряд на устройство съёма, помеченное стрелками U2: устройство съёма, в точности повторяет устройство заряда, где, в случае если ротор является изолятором, то устройство съёма также представлено протянутой по всей длине проволочкой, а если покрыт сегментами проводящих полосок — то каким-либо ползунком или щёточкой.

Можно увидеть, что устройство съёма находится в точке максимальной удаленности точки поверхности ротора, от точки поверхности внешнего цилиндра — другими словами, в точке максимального потенциала.

Другими словами, мы наблюдаем удивительное устройство — механический трансформатор напряжения! О_о 

Коэффициент трансформации у которого, вычисляется делением величины максимального зазора на величину минимального зазора — таким образом, можно спроектировать трансформатор на нужное напряжение!*

*Где, при практической реализации, из-за неидеальности системы, наверняка, коэффициент трансформации будет несколько ниже.

Кстати, в качестве занятной идеи: в литературе об этом в явном виде не говорится, однако, как мы видим, сама конструкция подобного трансформатора просто прямо-таки «кричит» :-) — что он легко может быть с переменным коэффициентом трансформации — просто-напросто, снимать напряжение нужно не с самой дальней точки, как сейчас показано на рисунке (U2), а, чуть ближе, т.е. конкретное положение можно выбрать любое!

Скажем, как вам трансформатор, позволяющий (плавно меняя точку съёма) получать — скажем, от одного до 50 кВ*?! :-) Ну и т.д. 

*Значение, по идее, может быть любое, зависит от физических размеров, как мы и говорили выше...

В своё время, академик А.Ф.Иоффе выдвигал идеи, что подобный трансформатор, можно построить на достаточно большие выходные мощности, измеряющиеся десятками и даже тысячами! киловатт. 

Однако, тогда же выдвигались идеи, что для построения таких машин, уже необходимо будет использовать материалы, с максимальной электрической прочностью (чтобы не было пробоя или утечек), где в число «материалов» входит и, собственно, сама среда, в которой работает подобный трансформатор. 

Был проведён ряд экспериментов, как с газовыми средами, так и, жидкими, а также вакуумом. 

В частности, была проверена работа устройства, залитого полностью керосином — в таких условиях машина смогла выдать максимальное напряжение в 1000 кВ (правда, с маленьким током, около 300 мкА). 

Ещё большие напряжения, смогли получить в условиях сжатой газовой среды, которая содержала электроотрицательные молекулы, в частности хлора — это позволило поднять выходное напряжение до 2000 кВ.

Была обнаружена следующая зависимость: повышение давления газовой среды (до определённых пределов), позволяет поднять выходную мощность установки, где, экспериментально, было проверено, что при давлении среды порядка 40 атмосфер — происходит увеличение выходной мощности в 4 раза.

Говорилось также и о повышении выходной мощности в 10 раз (не конкретизируя давление, поэтому, можно предположить, что оно составляло порядка 100 атмосфер). 

Тесты в вакууме показали достижение ещё более впечатляющих показателей, но от них отказались из-за проблем с перегревом системы и сложнорешаемыми вопросами охлаждения системы. 

Ещё любопытный момент: было отмечено, что использование проводящих полосок более предпочтительно, чем цилиндр из диэлектрика — так как гребёнки/провод коронирующего электрода нарушают форму поля, и (в излишне компактных конструкциях) могут наблюдаться паразитные искровые разряды между коронирующим электродом и поверхностью — что, в совокупности, снижает выходную мощность. 

Поэтому, предпочтительно использовать щётки, бегущие по токопроводящим полоскам... 

Кроме того, нужно озаботиться и острыми краями токопроводящих полосок, покрывающих цилиндр: необходимо их сгладить или залить смолой и т. д. — так как в противном случае, на этих острых краях будет наблюдаться максимальная напряжённость поля и, в результате, — паразитное истечение заряда в воздух, с помощью, например, самопроизвольного коронного разряда. 

И ещё один, критически важный момент: было выявлено, что, по сути, вся левая часть ротора заряжена, тогда как вся правая — разряжена (и это естественно, мы же с неё сняли заряд). 

Это означает, что вращающийся ротор, по крайней мере, своей левой частью — индуцирует на стенке внешнего цилиндра заряды, противоположного знака.

Другими словами: левую часть цилиндра сильно тянет к внешней стенке, тогда как правая сторона цилиндра вращается свободно — то есть, наблюдается возникновение эксцентрика! 

Насколько велика эта сила? Было выявлено, что, например, при напряженности электрического поля, в 300 кВ/см — она будет эквивалентна 300 атмосферам!!! О_о 

То есть, это будет «неслабая такая сила» (мягко говоря), которая очень быстро разрушит всю установку, какой прочной её не делай!

Чтобы бороться с этим негативным явлением, было придумано следующее: был добавлен третий электрод, который заряжает токопроводящие полоски или диэлектрический цилиндр — сразу после того, как с него сняли полезное напряжение! 

Заряд происходит средним значением напряжения, между U2 и U1. 

Таким образом, вся правая часть вращается также заряженной, некоторым образом уравновешивая эту силу, с левой стороны... 

Подытоживая, можно сказать, что устройство получилось очень интересным, — по сути, это своего рода «поэзия инженерной мысли» в чистом виде, так как додуматься до механического преобразования напряжения, это ещё надо было умудриться...:-)

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.