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 телеграф: при нажатии кнопки сигнал шёл через провод длиной в милю, свёрнутый бухтой, управляя притяжением электромагнита. В результате последний удерживал либо опускал груз массой свыше 300 кг.

Что касается русскоязычных источников, заслуги создания реле (без описания принципа действия) приписываются Шиллингу. 21 октября 1832 года в питерской квартире он демонстрирует воплощённую в жизнь идею Ампера об индикации алфавита посредством мультипликаторов – измерительных приборов постоянного тока с поворотной рамой. В телеграфе применялся электромагнитный взвод часового механизма звонка, относившийся к разряду изобретений в области реле.

Схема устройства

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 определению Шиллинг и описанное изобретение Джозефа Генри допускается классифицировать, как реле, а вдобавок:

Ориентирующаяся по магнитному полю Земли рамка Ампера (1820-1821 год) является магнитоэлектрическим реле, указывающим наличие в цепи тока по пространственной ориентации.
Провод Араго (1820 год), притягивающий металлические опилки считается индикатором-реле наличия тока в цепи.
Стрелка Эрстеда (1820 год), ориентирующаяся в пространстве по магнитному полю прямого проводника, является электромагнитным реле, первым из продемонстрированных научной общественности.
Мультипликатор Швейггера (1820 год) является многопозиционным электромагнитным поляризационным реле, показывающим наличие тока в цепи.
Наблюдаемое в 1802 году Джованни Романьози действие проводника с током на ферромагнитный материал является первым из изобретённых электромагнитных реле.
Сигналы индейцев соседнему племени вполне допустимо назвать костро-дымовым реле, первым из известных человечеству.

Несложно привести массу примеров, к примеру, магнит Стерджена, опускающий и поднимающий груз на расстоянии от источника, первый практичный электростатический телеграф 1816 года, доказывая золотое правило: «Пределов маразму спорящих сторон не существует».

Из приведённых примеров легко понять, что термин из англоязычных словарей неточный, расплывчатый. Согласно тому толкованию в реле превращаются дверной звонок, люстра освещения, электродрель, электрическая дуга и прочее. Понятно, что вещи не соответствуют сути рассматриваемого предмета.

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

Теперь перечисленные выше предметы обихода не подходят под определение реле, как новинки 1831 и 1832 года от Генри и Шиллинга, описанные выше. Назовём их 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.

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:

В электромагнитном реле якорь (подвижная часть установки) является ферромагнитным сплавом. У Генри это подвесная площадка, заставленная гирями.
В магнитоэлектрическом реле якорем служит обмотка. Понятно, что Ампер не сумел 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). Прибор представляет собой сдвоенное магнитоэлектрическое самовозвратное реле. Суть конструкции:

Двигатель смонтирован на станине из плотной древесины в виде прямоугольника.
Стоящие 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.
Поверх плоских контактных площадок элементов питания стоят чаши-колпачки. На первом скрине пустые, установку ещё не готовили к работе. Позднее сюда наливается вода из-под крана, являющаяся неплохим проводником. В 30-е годы XIX века использовали и ртуть, как в устройствах Майкла Фарадея.
Края элементов питания по центру соединяет стальная балка, покоящаяся на двух опорах. Это неподвижная часть реле.
Коромысло перекинуто через ось на двух А-образных опорах, находящуюся ровно по центру.
По каждому плечу коромысла намотан электромагнит из лакированной медной проволоки, питающийся контактами, находящимися с противоположной стороны.
Вдоль края станины (подставки) расположен электрический ключ в виде длинного отреза латунного стержня, поворачивающегося вокруг оси, находящейся на конце.

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

Заслуга Генри – учёный показал возможность прерывания пути движения электрического тока. Прежде ртуть (возможно, и воду) использовали часто. Это проделал Майкл Фарадей осенью 1821 года, создав первый электрический двигатель. Его опыт (после доклада, услышанного 11 сентября 1821 года) повторил в декабре Ампер. О чем доложил (Академии) 7 января 1822 года. Называются и прочие примеры использования жидких контактов, начало использованию которых положил сэр Хампфри Дэви в начале 1800-х годов, открыв электролиз. Первым, обнаружившим проводимость, считают великого Алессандро Вольту, повторившего опыты Луиджи Гальвани.

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

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

В означенной 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. По словам учёного, это работа, в отличие от предыдущих изысканий не опубликована в журнале Silliman`s Journal либо прочей прессе. Выходит, Джозеф Генри является изобретателем концепции электромагнитных (и магнитоэлектрических) реле. Учёный реализовал задумки и на практике на базе школьной лаборатории, признавая собственные опыты мало известными общественности и плохо задокументированными, Джозеф Генри говорит:

До меня известны электрические магниты, никто не пытался ими управлять с дальней дистанции.
Я первый сумел управлять большой силы магнитом на расстоянии. Потребовалось существенно изменить конструкции существующих на то время изделий. К примеру, применялось параллельное включение множества обмоток для увеличения тока.
Первым сумел намагнитить кусок мягкой стали на расстоянии и привлёк внимание общественности к тому, что передача подобного влияния на дальние дистанции допустима к использованию в телеграфах.
Первым заставил зазвонить колокольчик с дальней дистанции.
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: в начале апреля 1837 года Джозеф Генри пребывал в Европе, где встретился с профессором Витстоном и профессором Бачем (Bache). Учёные мужи обсудили идеи телеграфа, где оказалось, что ими созданы две идеи реализации одинаковой концепции реле в сфере связи на дальние дистанции:

Витстон объяснил, что хочет сделать поворотное реле для дистанционного управления цепью, размыкающее и замыкающее контакты местного источника питания. Что позволит резко снизить требования к передатчику. Вновь сконструированное реле относилось к классу электромагнитных и брало принцип действия от мультипликатора.
Тогда Генри сообщил, что уже много лет обдумывает иную конструкцию, аналогичную по действию. В его видении контакты должен замыкать и размыкать движущийся поступательно якорь электромагнита. Этот принцип сегодня используется подавляющим большинством электрических автоматов защиты.

Таким образом, названных выше людей считают наиболее вероятными изобретателями электромагнитного реле. Магнитоэлектрическое совершенно точно изготовлено профессором Генри, как сказано выше по тексту. Что касается соотечественника, к великому сожалению, его мнение остаётся неизвестным по причине отсутствия исторических документов на официальных российских сайтах.