Электромагнитное реле

Электромагнитное реле – устройство для коммутации электрических цепей, где магнит является подвижной частью, а проволочная обмотка покоится.

Термины и определения

Студенты Смитсоновского института первым электромагнитным реле называют устройство, изобретённое Джозефом Генри для демонстрации студентам на лекциях. Суть его напоминала в общем и целом телеграф: при нажатии кнопки сигнал шёл через провод длиной в милю, свёрнутый бухтой, управляя притяжением электромагнита. В результате, последний удерживал или опускал груз массой свыше 300 кг.

Что касается русскоязычных источников, то они заслуги создания реле вообще (без описания принципа действия) приписывают Шиллингу. 21 октября 1832 года в своей Питерской квартире он демонстрирует воплощённую в жизнь идею Ампера об индикации алфавита посредством мультипликаторов – измерительных приборов постоянного тока с поворотной рамой. В том же телеграфе применялся электромагнитный взвод часового механизма звонка. Что было тоже отнесено к разряду изобретений в области реле. В чем здесь кроется подводный камень?

Схема устройства

Схема устройства

Нужно сказать, что такие странные толкования возникают там, где отсутствуют педантичность, точность, правильность в терминах. Авторы убедились лично, что в англоязычном домене под реле понимаются любые ключевые устройства, управляемые электрическим током. Что в корне неверно. Согласно этому определению Шиллинг и описанное изобретение Джозефа Генри действительно можно классифицировать, как реле, а ещё в таком случае:

  1. Ориентирующаяся по магнитному полю Земли рамка Ампера (1820-1821 год) является магнитоэлектрическим реле, указывающим наличие в цепи тока по своей пространственной ориентации.
  2. Провод Араго (1820 год), притягивающий металлические опилки является индикатором-реле наличия тока в цепи.
  3. Стрелка Эрстеда (1820 год), ориентирующаяся в пространстве по магнитному полю прямого проводника, является электромагнитным реле, первым из продемонстрированных научной общественности.
  4. Мультипликатор Швейггера (1820 год) является многопозиционным электромагнитным поляризационным реле, показывающим наличие тока в цепи.
  5. Наблюдаемое в 1802 году Джованни Романьози действие проводника с током на ферромагнитный материал является первым из когда либо изобретённых электромагнитных реле.
  6. Сигналы индейцев соседнему племени вполне можно было назвать костро-дымовым реле, первым из тех, что известны человечеству. А Божья молния, разумеется, существует от начала времён.

Можно привести ещё много примеров, как например, магнит Стерджена, опускающий и поднимающий груз на расстоянии от источника, а также и первый практичный электростатический телеграф 1816 года, чтобы доказать золотое правило: «Пределов маразму спорящих сторон не существует».

Ещё Соломон свидетельствовал, что честь для человека отстать от ссоры – а всякий глупец задорен. Сказано и другое: праведен Господь и правду возлюбил, правоту видит лице Его. То есть разумность стоит все же ниже правды, как и Бог – выше человека. Потому все-таки нужно понять, кто и когда на самом деле изобрёл электромагнитное реле.

Из приведённых примеров легко понять, что термин из англоязычных словарей не совсем точный, расплывчатый. Согласно тому толкованию в реле превращаются дверной звонок, люстра освещения, электродрель, электрическая дуга и многое другое. Понятно, что эти вещи не соответствуют самой сути рассматриваемого предмета. Справедливости ради, нужно заметить, что в одном словнике все-таки было упоминание о размыкании и замыкании контактов. Но воздействующим фактором вновь признан электрический ток. Поэтому перед нами один из редких случаев, когда Рунет обошёл Америку и оставил её там, где недалёкие люди хотели бы её видеть…

Под реле понимается устройство, созданное человеком для собственных нужд, разрывающее и замыкающее электрическую цепь под управлением различного рода воздействующих факторов.

Вот теперь перечисленные выше предметы обихода явно не подходят под определение реле, как и новинки 1831 и 1832 года от Генри и Шиллинга, описанные выше. Их можно назвать телеграфом, электромагнитом, мультипликатором, будильником, красивым фортепиано, но никак не будут они по сути своей реле. К тому же, в этом случае прерогатива внедрения магнитоэлектрических реле однозначно принадлежит Амперу, который сумел ориентировать рамку в магнитном поле Земли, подавая в контур ток. Да и Эрстед делал нечто похожее… Примечательно, что некоторые типы датчиков согласно этому определению можно отнести к реле, например, транзисторные ключи. И это опять же верно, потому за твердотельной электроникой будущее.

Читайте также:  Токопроводящая паста

Итак, устранив из определения одну неопределённость (тавтология не должна остаться незамеченной), следует дополнить и некоторые другие термины. Сейчас речь идёт об эпитетах, потому что не каждый может объяснить, почему это вдруг «реле» Ампера называется магнитоэлектрическим, а Генри – электромагнитным. По скромному мнению авторов – хотя об этом нигде прямо не говорится – дело обстоит следующим образом:

  1. В электромагнитном реле якорь (подвижная часть установки) является ферромагнитным сплавом. У Генри это подвесная площадка, заставленная гирями.
  2. В магнитоэлектрическом реле якорем служит обмотка. Понятно, что Ампер едва ли смог бы повернуть расплавленное металлическое ядро Земного шара.

Первое магнитоэлектрическое реле

Для иллюстрации первого в мире реле удобно пользоваться экспериментальной установкой Берта Сойера (Bert Sawyer), показанной на скрине (канал Ютуб: youtube.com/channel/UC—RNJLpsykDpbZDeotK3xw). Это малоизвестный в России коромысельный двигатель Джозефа Генри, датированный июлем 1831 года (American Journal of Science 20: 342). Не сложно доказать, что он представляет собой сдвоенное магнитоэлектрическое самовозвратное реле. Вот суть конструкции:

  1. Весь двигатель смонтирован на станине из плотной древесины в виде прямоугольника.
  2. Стоящий по бокам цилиндры имитируют популярные во времена Генри гальванические элементы из цинковых и медных кружков. Разумеется, у Берта Сойера там стоят преобразователи переменного напряжения питания сети промышленной частоты в постоянный ток.
  3. Поверх плоских контактных площадок элементов питания стоят чаши-колпачки. На первом скрине они пустые, потому что установку ещё не готовили к работе. Позже сюда будет налита вода из-под крана, являющаяся неплохим проводником. В 30-е годы XIX века вполне могла использоваться и ртуть, как например, в устройствах Майкла Фарадея.
  4. Края элементов питания по центру соединяет стальная балка, покоящаяся на двух опорах. В данном случае это неподвижная часть реле.
  5. Коромысло перекинуто через ось на двух А-образных опорах, находящуюся ровно по центру.
  6. По каждому плечу коромысла намотан электромагнит из лакированной медной проволоки, питающийся контактами, находящимися с противоположной стороны.
  7. Вдоль одного из краёв станины (подставки) расположен электрический ключ в виде длинного отреза латунного стержня, поворачивающегося вокруг оси, находящейся на одном из концов.

После подготовки чаш и замыкания ключа коромысло начинает склоняться поочерёдно на стороны (см. второй скрин) вокруг своей оси. Частота колебания невелика и находится в районе 2 Гц. Но этого достаточно, чтобы заявить, что перед нами собственной персоной первое в мире магнитоэлектрическое реле (магнит неподвижен). Контакты поочерёдно замыкают и размыкают собственную цепь питания обмоток обоих плеч.

Заслуга именно Генри в том, что он показал возможность прерывания пути движения электрического тока. Потому что до него ртуть (а может быть и воду) использовали многие. В частности, это проделал Майкл Фарадей ещё осенью 1821 года, создав первый электрический двигатель. Его опыт (после доклада, услышанного 11 сентября 1821 года) повторил в декабре Ампер. О чем также доложил (Академии) 7 января 1822 года. Имеются и другие примеры использования жидких контактов, начало использованию которых положил сэр Хампфри Дэви в начале 1800-х годов, открыв электролиз. А первым обнаружившим проводимость можно считать великого Алессандро Вольту, повторившего опыты Луиджи Гальвани.

Читайте также:  Солнечная батарея

Итак, идея автоматического размыкания и замыкания контактов (без участия человека) принадлежит Джозефу Генри. Теперь легко доказать, что именно это и было первым реле. Мысли создать новый двигатель и телеграф витали в голове изобретателя с 1827 года. Сам Генри в ежегодном отчёте для Смитсоновского института за 1857 год свидетельствует, что знает о трёх видах телеграфа (см. скрин):

  1. Электростатический (предложенный ещё в середине XVIII века – см. Импульсные реле).
  2. Гальванический, к которому приложил руку и сам Генри.
  3. Электромагнитный – где сигнал тревоги в приёмник поступает в виде вращающейся стрелки, либо сигнала звонка.

В этой же бумаге Генри свидетельствует, что (до ноября 1832 года) разработал метод управления слабым сигналом большими мощностями на значительном расстоянии: электромагнит питается через реле от местного источника. Но, по словам учёного, это работа, в отличие от его предыдущих изысканий не была опубликована в журнале Silliman`s Journal или где-либо ещё. Таким образом, именно Джозеф Генри является изобретателем концепции электромагнитных (и магнитоэлектрических тоже) реле. В то время учёный реализовал свои задумки и на практике на базе школьной лаборатории. Таким образом, признавая свои опыты мало известными общественности и плохо задокументированными, Джозеф Генри говорит следующее:

  1. До меня были известны электрические магниты, но никто не пытался ими управлять с дальней дистанции.
  2. Я был первым, кто сумел управлять большой силы магнитом на расстоянии. Для этого потребовалось существенно изменить конструкции существующих на то время изделий. В частности, применялось параллельное включение множества обмоток для увеличения тока.
  3. Я первым сумел намагнитить кусок мягкой стали на расстоянии и привлёк внимание общественности к тому, что передача подобного влияния на дальние дистанции может быть использовано в телеграфах.
  4. Я первым заставил зазвонить колокольчик с дальней дистанции.
  5. Мои неопубликованные наработки помогли мистеру Гейлу адаптировать телеграф Морзе для работы на дальних расстояниях.

Дословная речь из дела Морзе против О`Райли приведена на скрине. Из неё следует, что в начале апреля 1837 года Джозеф Генри был в Европе, где встретился с профессором Витстоном и профессором Бачем (Bache). Там они обсудили идеи телеграфа, где оказалось, что ими созданы две идеи реализации одной и той же концепции реле в сфере связи на дальние дистанции:

  1. Витстон объяснил, что хочет сделать поворотное реле для дистанционного управления цепью, которое размыкало бы и замыкало контакты местного источника питания. Что позволило бы резко снизить требования к передатчику. Понятно, что вновь сконструированное реле относилось к классу электромагнитных и брало свой принцип действия от мультипликатора.
  2. Тогда Генри сообщил о том, что уже много лет обдумывает иную конструкцию, которая делала бы то же самое. В его видении контакты должен замыкать и размыкать движущийся поступательно якорь электромагнита. Этот принцип и сегодня используется подавляющим большинством электрических автоматов защиты.

Таким образом, названных выше людей можно считать наиболее вероятными изобретателями электромагнитного реле. Тогда как магнитоэлектрическое совершенно точно было изготовлено профессором Генри, о чем уже сказано выше по тексту. Что касается нашего соотечественника, то, к великому сожалению, его мнение остаётся неизвестным по причине того, что исторические документы на официальных российских сайтах найти не представляется возможным. Если их вообще кто-то удосужился выставить на всеобщее обозрение.