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" APPAREIL POUR PRODUIRE DES VARIATION$ D'ENERGIE
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DMS DES CIRCUITS ELECTRIQ,UES "
La présente invention concerne un appareil pour produire des variations d'énergie dans des circuits électriques.
Cette invention est basée sur le brevet antérieur N 602. 218 du 24 Juillet 1925 La présente demande explique l'application d'électrodes plongées dans un gaz et très rappro- chées les unes des autres de façon à empêcher normalement des
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déchargeas électriques à travers le gaz, même quand ces élec- trodes sont soumises à une grande différence de potentiel.
Cette propriété isolante de l'intervalle est assurée par le fait que les surfaces actives des électrodes soumises à une pareille différence de potentiel sont placées à une distance les unes des autres qui est de l'ordre de grandeur du trajet libre moyen des électrons, de façon à éviter entre les élec- trons et les atomes un nombre de collisions suffisant pour amorcer la conduction gazeuse.
Un intervalle ou une ampoule du genre décrit ci-dessus conduira librement avec une chute'de voltage rela- tivement faible entre les électrodes si l'on interpose entre les électrodes un champ magnétique de valeur convenable. Tou- tefois si le voltage appliqué est augmenté jusqu'à une cer- taine valeur critique ou d'interruption, l'ampoule refuse de conduire et devient subitement isolante. En insérant l'am- poule dans un circuit comportant une inductance et une ca- pacité convenablementdéterminées, en même temps que des moyens pour produire un voltage supérieur au voltage auquel l'ampoule/conduit normalement, on peut produire des courants oscillatoires dont la fréquence est déterminée en première ligne par la valeur de l'inductance et celle de la capacité en circuit.
Avec ce type de dispositif de circuit on peut produire des-oscillations sensiblement à toutes les fréquen- ces désirées, l'intervalle ou ampoule servant à transformer l'énergie provenant de la source de potentiel en énergie. d'oscillation*
Une caractéristique essentielle de la présente invention, c'est l'utilisation d'une ampoule du type décrit, ayant .la propriété ,de conduire du courant librement sous un certain voltage appliqué, mais devenant subitement isolante dès que le voltage appliqué augmente jusqu'à une valeur critique.
Une autre caractéristique de l'invention consiste
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dans l'insertion d'une ampoule du type décrit dansun circuit électrique comportant une inductance et une capacité, en même temps.que des moyens pour appliquer à l'ampoule un voltage sèn- siblement supérieur au voltage auquel l'ampoule conduit libre- ment.
Il est certainement évident pour l'homme de l'art que la présente ampoule fonctionne d'une façon toute différen- te de celle de n'importe quel moyen connu ou utilisé jusqu'ici pour la production de courants oscillatoires. La différence la plus frappante entre'le fonctionnement de la présente construc- tion et celui des constructions connues précédemment, c'est peut être l'extrême rapidité avec laquelle et la façon extrê- mement complète dont l'ampoule suivant la présente construction change d'état pour passer de l'état conducteur à l'état isolant.
Sous ce rapport la présente ampoule dépasse de beaucoup , tout appareil électrique connu jusqu'ici et elle constitue une mé- thode particulièrement efficace pour produire des oscillations de haute fréquence.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention l'intensité du champ magnétique est telle qu'elle fait que l'ampoule conduit normalement le courant librement dans un sens ' et isole relativement à une différence de potentiel existant en sens inverse.
Le dessin ci-joint représente le mode de réalisa- tion préféré de l'invention6 La fig. 1 est une coupe verticale d'un type d'ampoule pouvant être utilisé conjointement avec un circuit approprié pour produire des oscillations électriques, et la fig. 2 représente un circuit oscillant typique avec l'ampoule montée sur ce circuit.
Dans le mode de réalisation de l'invention que représente le dessin, une! ampoule du type précité est représen- tée en 10 et munie de moyens indiqués en 11 pour créer un
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champ magnétique d'intensité sensiblement constante dans la région comprise entre les électrodes et où a lieu la conduc- tion gazeuse. Cette ampoule estmontée sur un circuit 13 comportant une génératrice14' capable de fournir environ qua- tre dixièmes d'ampère sous 1500 volts. Le circuit comporte aussi une grande inductance 16 en série avec l'ampoule et une capacité 18 relativement''faible en dérivation sur l'induc- tance.
En plus de l'inductance et de la capacité déjà décrites, une capacité additionnelle 20 est montée en travers du circuit et elle est destinée à fournir un chemin pour le courant qui passe quand l'ampoule ferme le passage dès que le voltage critique est atteint. Le courant de la génératrice est mainte- nu sensiblement constant et on empêche les oscillations de grande fréquence de passer à travers la génératrice,en'utili- sant des bobines de- réaction 21 et 22 montées sur des bran-' ches opposées du circuit et fonctionnant de la façon usuelle.
Dans ce genre de circuit, lorsqu'on ferme l'interrupteur 23, le courant qui traverse l'ampoule 10 augmente dé valeur et provoque une augmentation du voltage aux bornes de l'ampoule.
Le volta.ge initial auquel le courant traverse l'ampoule peut atteindre environ cent à trois cents volts. Ce voltage appli- qué à l'ampoule augmente à une allure déterminée en grande partie par l'inductance 16, jusqu'à ce que le voltage criti- que soit atteint; à ce moment/refuse subitement de conduire le courant davantage et .devient isolante. Par suite de cette transformation subite de l'ampoule qui passe de l'état conduc- teur à l'état isolant, l'énergie déjà emmagasinée dans l'in- ductance 16 fait passer un; courant à travers la capacité 18 et charge celle-ci à un potentiel élevé.
L'inductance 16 et la 'capacité 18 agissent Ensemble à la façon d'un circuit de résonance qui, lorsqu'il est isolé du reste du système par la propriété isolante de l'ampoule 10, peut osciller électri-
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quement librement de la façon usuelle, c'est à dire que l'éner- gie du circuit oscillant est d'abord emmagasinée sous forme d'énergie électrostatique 'dans le condenseur, puis sous forme d'énergie électro-magnétique'dans l'inductance.
Pendant l'os- cillation l'amplitude de la différence de potentiel aux.bornes de l'inductance 16 subit une variation sinusoïdale et on çon- -çoit qu'après une fraction de période la différence de poten- tiel entre les électrodes 'de l'ampoule 10, telle qu'elle est déterminée par le voltage de la génératrice 14 et le voltage aux bornes de l'inductance 16, sera suffisamment faible pour permettre de nouveau la conduction gazeuse, et le même jeu que ' ci-dessus recommence. L'ampoule 10 agit donc à la façon d'un dispositif de distribution automatique, et elle a pour but de distribuer de l'énergie périodiquement au circuit de réso- nance 16, 18 et d'entretenir les oscillations.
La fréquence des oscillations est déterminée par les' valeurs relatives de l'inductance 16 et de la capacité 18. Ces oscillations peuvent être utilisées de toute façon appropriée, comme par exemple par un circuit de charge comme celui qui est indiqué en 26 et qui est'couplé inductivement avec le circuit 13, comme on le voit sur la fig. 2.
Avec ce type de circuit et une génératrice à courant continu débitant environ; quatre dixièmes d'ampère sous 1500 volts,, on a produit des fréquences déterminées principalement par la période,naturelle du circuit 16, 18 et variant entre 10 et 100.000.périodes par seconde* Le voltage critique auquel l'ampoule devient isolante varie à peu près suivant le carré de l'intensité du champ magnétique appliqué à l'ampoule et on peut en conséquence le faire varier en modifiant de façon appropriée l'intensitéde ce champ.
L'ampoule utilisée effectivement dansle but d'obte- nir des oscillations a déjà été appliquée aux redresseurs.Cet-
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i te ampoule se compose d'un vase clos 30 servant de récepta- cle et contenant des électrodes cylindriques concentriques
31 et 32 en matière non magnétique, telle que'le molybdène.
La cbnduction a lieu dans la région séparant les surfaces des deux électrodes qui se font face, ces électrodes étant soumises à une différence de potentiel et ces surfaces étant suffisamment rapprochées pour empêcher normalement la conduction gazeuse à travers l'espace qui les sépare, même sous des potentiels excessivement élevés. Un champ, magnétique dont les lignes de force sont sensiblement paral- lèlês à l'axe des électrodes peut être créé par un aimant permanent 34 placé par rapport à l'ampoule dansla position représentée par le dessin. Quant au voltage critique au- quel l'ampoule devient i's'olante, on peut le faire varier commodément en réglant le champ magnétique.
On peut effec- ,tuer facilement ce réglage du champ magnétique en dépla- çant l'aimant permanent 34,de façon à le rapprocher ou à l'écarter du récipient 50. Avec l'aimant permanent coopè- rent des tubes ou cylindres 37 et 38 en matière magnétique en contact avec les extrémités opposées du cylindre d'élec- trode 32. Ces cylindres sont reliés à l'électrode 32 et entre eux par un manchon 39 en cuivre ou autre matière semblable non^magnétique. On remarquera que l'électrode extérieure 32 est constituée par un cylindre métallique mince dont les extrémités opposées entrent dans desrainu- res ménagées sur les faces voisines des cylindres 37 et 38.
Pour que la chaleur puisse s'échapper librement de la ré- gion qui entoure l'électrode extérieure 32, le manchon connecteur 39 comporte de préférence des ouvertures ou fentes 44, comme le montre le dessin. L'électrode inté- rieure 31 est reliée, à ses extrémités opposées, à des ti- ges en fer 45 et 46, la tige 46 comportant une tête 48 faisant corps avec elle, et la tige 45 ayant son extrémité
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filetée en 49. L'électrode est de préférence réunie aux tiges par fusion ou par soudure, dé façon à former une tige continue dont la partie centrale est! en matière non magnétique, comme cela vient d'être dit.
Les extrémités extérieures des tiges 45 et 46 sont entourées par'des cylindres isolants 50 et 51, en verre ou en matière sem- blable, logés dans des évidement 52 prévus dans les cy- lindres 37 et 38 respectivement. Les cylindres isolants peuvent être maintenus en place par des colliers 54 et 55 en cuivre ou autre matière non magnétique, comportant cha- cun un col 56 pénétrant dans l'espace compris entre les tiges et les cylindres isolants 50 et 51 qui, les entou- rente Les différents éléments sont maintenus dans leurs positions relatives par un écrou 58 vissé sur l'extrémi-. té/49 et servant à serrer les colliers 54 et 55. sur les extrémités des cylindres 50 et 51.
Pour que tous les trajets à travers le diélectrique de support soumis à une différence de potentiel soient longs et que tous les trajets à travers le gaz soient courts, les extrémités extérieures des) cylindres 37 et 38 sont évidées en 60 de façon que le point de contact entre les cylindres magnétiques et les cylindres isolants soit suffisamment écarté des colliers 54 et 55 qui sont en contact avec la tige formant électrode centrale. En outre chaque collier est muni d'un rebord annulaire 62 parallèle aux parois du récipient, mais écarté de celles-ci. On conçoit, par la seule inspection du dessin, que les cylindres extérieurs . ne sont pas en contact direct avec-le récipient, mais qu'ils sont centrés à l'intérieur de celui-ci et écartés de ses parois par des anneaux ou rondelles d'écartement
65.
L'un des fils d'entrée, le fil 66, peut être utile- ment relié à la tête 48 en passant à l'extérieur à tra- vers l'extrémité de l'ampoule, .et l'autre, le fil 67, peut être relié au manchon 39, ' en passant à l'extérieur
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à travers la paroi latérale-de l'ampoule en 68.
On utilisera de préférence de l'hélium pour for- mer dans l'ampoule l'agent par lequel a lieu la conduction gazeuse, les molécules petites et légères de ce;gaz ayant certains'avantages distincts. En premier lieu les petites molécules d'hélium ont un parcours libre moyen relativement long sous une pression donnée quelconque, ce qui fait qu'il est pratiquement possible d'utiliser une pression de gaz plus élevée quel celle qui pourrait être utilisée avec un gaz dont les molécules seraient plus grandes. En outre le faible poids des molécules permet à l'ampoule de changer d'état et de'pas- ser de l'état conducteur à. l'état isolant, et réciproquement,. plus rapidement què cela ne serait possible si l'on utilisait un gaz plus lourd.
Quant à la théorie suivant laquelle cette ampoule arrête subitement le passage du courant dès qu'on atteint un voltage critique, on croit qu'elle est sensiblement la suivante en plaçant deux électrodes à l'intérieur d'un récipient rempli de gaz et en réglant convenablement'leur position dans ce récipient, on empêche la conduction gazeuse entre les surfaces des électrodes, même lorsque ces électro- des sont soumises à des potentiels extrêmement élevés. Ceci est dû au fait que la distance qui sépare les surfaces acti- ves des électrodes est petite et de l'ordre de grandeur du parcours libre moyen des électrons. Par suite, en raison de la faible distance que parcourent les électrons, en pas- sant d'une électrode à l'autre, il n'y a pas de possibilité de collision suffisante entre,les électrons et lés atomes pour amorcer une décharge électrique.
Toutefois, lorsqu'un champ magnétique est interposé dans la région comprise en- tre les électrodes, le chemin parcouru -par ces électrons
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peut être suffisamment déformé pour provoquer '"-de s, collisions entre les électrons et les.atomes en nombres suffisants y
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pour amorcer la conduction gazeuse, c'est à dire pour pro- duire une ionisation sensible. Avec un champ magnétique constant, suffisant pour rendre l'ampoule conductrice, et avec un faible courant traversant cette ampoule, celle-ci sera'conductrice. Toutefois, si:le courant qui traverse l'ampoule augmente, le voltage croit, du fait que l'ampou- le a une caractéristique de voltage à courant croissant.
Ce voltage plus élevé.tend, à redresser les trajets courbes .des électrons jusqu'à un point tel que-ces trajets sont de nouveau assez courts;gour empêcher une ionisation sensible, ce qui a pour effet d'interrompre la conduction gazeuse, de sorte que l'ampoule devient subitement isolante et reste dans cet' état jusqu'à ce que le voltage qui y est appliqué retombe au-dessous du point critique.
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"APPARATUS FOR PRODUCING VARIATION $ ENERGY
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DMS OF ELECTRICAL CIRCUITS, UES "
The present invention relates to an apparatus for producing energy variations in electrical circuits.
This invention is based on the prior patent No. 602.218 of July 24, 1925 The present application explains the application of electrodes immersed in a gas and very close to each other so as to normally prevent
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electric discharges through gas, even when these electrodes are subjected to a great difference in potential.
This insulating property of the gap is ensured by the fact that the active surfaces of the electrodes subjected to such a potential difference are placed at a distance from each other which is of the order of magnitude of the average free path of the electrons, of so as to avoid a sufficient number of collisions between electrons and atoms to initiate gas conduction.
A gap or bulb of the kind described above will conduct freely with a relatively small voltage drop between the electrodes if a magnetic field of suitable magnitude is interposed between the electrodes. However if the applied voltage is increased to a certain critical or interrupted value, the bulb refuses to conduct and suddenly becomes insulating. By inserting the bulb into a circuit having a suitably determined inductance and capacitance, together with means for producing a voltage greater than the voltage at which the bulb / leads normally, one can produce oscillatory currents of which frequency is determined in the first line by the value of the inductance and that of the capacitance in circuit.
With this type of circuit device oscillations can be produced at substantially any frequency desired, with the interval or bulb serving to transform the energy from the potential source into energy. oscillation *
An essential feature of the present invention is the use of a bulb of the type described, having the property of conducting current freely under a certain applied voltage, but suddenly becoming insulating as soon as the applied voltage increases to. at a critical value.
Another characteristic of the invention consists
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in the insertion of a bulb of the type described in an electric circuit having an inductance and a capacitance, together with means for applying to the bulb a voltage substantially higher than the voltage to which the bulb freely conducts .
It is certainly obvious to those skilled in the art that the present bulb operates in a very different fashion from any means known or heretofore used for the production of oscillatory currents. Perhaps the most striking difference between the operation of the present construction and that of the previously known constructions is the extreme speed with which and the extremely complete manner in which the bulb according to the present construction changes d. 'state to pass from the conductive state to the insulating state.
In this respect the present bulb is far beyond any electrical apparatus known hitherto and constitutes a particularly effective method of producing high frequency oscillations.
In the preferred embodiment of the invention the strength of the magnetic field is such that the bulb normally conducts current freely in one direction and insulates relative to a potential difference existing in the opposite direction.
The accompanying drawing shows the preferred embodiment of the invention. FIG. 1 is a vertical section of a type of bulb which can be used in conjunction with a suitable circuit to produce electrical oscillations, and FIG. 2 shows a typical oscillating circuit with the bulb mounted on this circuit.
In the embodiment of the invention shown in the drawing, a! bulb of the aforementioned type is represented at 10 and provided with means indicated at 11 to create a
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magnetic field of substantially constant intensity in the region between the electrodes and where gas conduction takes place. This bulb is mounted on a circuit 13 comprising a generator 14 'capable of supplying about four tenths of an ampere at 1500 volts. The circuit also has a large inductor 16 in series with the bulb and a relatively low shunt capacitor 18 on the inductor.
In addition to the inductance and capacitance already described, an additional capacitor 20 is mounted across the circuit and is intended to provide a path for the current which passes when the bulb closes the passage as soon as the critical voltage is reached. . The generator current is kept substantially constant and high frequency oscillations are prevented from passing through the generator by using feedback coils 21 and 22 mounted on opposite branches of the circuit and. operating in the usual way.
In this type of circuit, when the switch 23 is closed, the current flowing through the bulb 10 increases in value and causes an increase in the voltage at the terminals of the bulb.
The initial volta.ge at which current flows through the bulb can reach about one hundred to three hundred volts. This voltage applied to the bulb increases at a rate determined largely by inductance 16, until the critical voltage is reached; at this time / suddenly refuses to conduct more current and becomes insulating. As a result of this sudden transformation of the bulb which passes from the conducting state to the insulating state, the energy already stored in the inductance 16 causes one to pass; current through capacitor 18 and charges it to a high potential.
Inductance 16 and capacitor 18 act together like a resonance circuit which, when isolated from the rest of the system by the insulating property of bulb 10, can oscillate electrically.
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cally freely in the usual way, that is to say that the energy of the oscillating circuit is first stored in the form of electrostatic energy in the condenser, then in the form of electromagnetic energy in the condenser. inductance.
During the oscillation the amplitude of the potential difference at the terminals of inductor 16 undergoes a sinusoidal variation and it is seen that after a fraction of a period the difference in potential between the electrodes' of bulb 10, as determined by the voltage of generator 14 and the voltage across inductor 16, will be low enough to allow gas conduction again, and the same game as above begins again . The bulb 10 therefore acts in the manner of an automatic distribution device, and its object is to distribute energy periodically to the resonance circuit 16, 18 and to maintain the oscillations.
The frequency of the oscillations is determined by the relative values of inductance 16 and capacitor 18. These oscillations can be used in any suitable way, such as for example by a load circuit like that indicated at 26 and which is 'inductively coupled with circuit 13, as seen in FIG. 2.
With this type of circuit and a direct current generator delivering approximately; four tenths of an ampere under 1500 volts, we produced frequencies determined mainly by the period, natural of circuit 16, 18 and varying between 10 and 100,000. periods per second * The critical voltage at which the bulb becomes insulating varies little according to the square of the intensity of the magnetic field applied to the bulb and can therefore be varied by appropriately modifying the intensity of this field.
The bulb actually used for the purpose of obtaining oscillations has already been applied to rectifiers.
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the ampoule consists of a closed vessel 30 serving as a receptacle and containing concentric cylindrical electrodes
31 and 32 in non-magnetic material, such as molybdenum.
The induction takes place in the region between the surfaces of the two facing electrodes, these electrodes being subjected to a potential difference and these surfaces being sufficiently close together to normally prevent gas conduction through the space which separates them, even at low temperatures. excessively high potentials. A magnetic field, the lines of force of which are substantially parallel to the axis of the electrodes, can be created by a permanent magnet 34 placed relative to the bulb in the position shown in the drawing. As to the critical voltage at which the bulb becomes isolated, it can be conveniently varied by adjusting the magnetic field.
This adjustment of the magnetic field can be easily effected by moving the permanent magnet 34 so as to bring it closer to or away from the container 50. Tubes or cylinders 37 cooperate with the permanent magnet. 38 of magnetic material in contact with opposite ends of electrode cylinder 32. These cylinders are connected to electrode 32 and to each other by a sleeve 39 of copper or other similar non-magnetic material. It will be noted that the outer electrode 32 is constituted by a thin metal cylinder, the opposite ends of which enter into grooves formed on the neighboring faces of the cylinders 37 and 38.
In order that heat can escape freely from the region surrounding the outer electrode 32, the connector sleeve 39 preferably has openings or slits 44, as shown in the drawing. The inner electrode 31 is connected at its opposite ends to iron rods 45 and 46, the rod 46 having a head 48 integral with it, and the rod 45 having its end
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threaded at 49. The electrode is preferably joined to the rods by fusion or by welding, so as to form a continuous rod whose central part is! in non-magnetic matter, as has just been said.
The outer ends of rods 45 and 46 are surrounded by insulating cylinders 50 and 51, of glass or the like, housed in recesses 52 provided in cylinders 37 and 38 respectively. The insulating cylinders can be held in place by collars 54 and 55 made of copper or other non-magnetic material, each comprising a neck 56 penetrating into the space between the rods and the insulating cylinders 50 and 51 which surround them. annuity The various elements are held in their relative positions by a nut 58 screwed onto the extremity. tee / 49 and used to tighten collars 54 and 55. on the ends of cylinders 50 and 51.
In order that all paths through the potential differentiated carrier dielectric are long and all paths through gas are short, the outer ends of cylinders 37 and 38 are recessed at 60 so that the point of contact between the magnetic cylinders and the insulating cylinders is sufficiently spaced from the collars 54 and 55 which are in contact with the rod forming the central electrode. In addition, each collar is provided with an annular rim 62 parallel to the walls of the container, but spaced from them. It can be seen, by inspection of the drawing alone, that the outer cylinders. are not in direct contact with the container, but that they are centered inside the latter and separated from its walls by spacing rings or washers
65.
One of the input wires, wire 66, can be usefully connected to head 48 by passing outward through the end of the bulb, and the other, wire 67 , can be connected to sleeve 39, 'passing outside
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through the sidewall of the bulb at 68.
Helium will preferably be used to form in the ampoule the agent by which gas conduction takes place, the small and light molecules of this gas having certain distinct advantages. In the first place the small helium molecules have a relatively long mean free path under any given pressure, which makes it practically possible to use a higher gas pressure than that which could be used with a gas whose the molecules would be larger. In addition, the low weight of the molecules allows the bulb to change state from conductive state to. the insulating state, and vice versa ,. faster than would be possible if a heavier gas was used.
As for the theory according to which this bulb suddenly stops the flow of current as soon as a critical voltage is reached, it is believed to be substantially the following by placing two electrodes inside a container filled with gas and adjusting Properly, their position in this container prevents gas conduction between the surfaces of the electrodes, even when these electrodes are subjected to extremely high potentials. This is due to the fact that the distance which separates the active surfaces of the electrodes is small and of the order of magnitude of the mean free path of the electrons. Consequently, because of the small distance which the electrons travel, while passing from one electrode to another, there is not sufficient possibility of collision between, the electrons and the atoms to initiate an electric discharge. .
However, when a magnetic field is interposed in the region comprised between the electrodes, the path traveled by these electrons
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can be distorted enough to cause collisions between electrons and atoms in sufficient numbers y
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to initiate gas conduction, ie to produce substantial ionization. With a constant magnetic field, sufficient to make the bulb conductive, and with a low current flowing through this bulb, it will be 'conductive. However, if: the current flowing through the bulb increases, the voltage increases, because the bulb has a voltage-to-rising characteristic.
This higher voltage tends to straighten the curved paths of the electrons to such a point that these paths are again quite short; to prevent substantial ionization, which has the effect of interrupting the gas conduction, of so that the bulb suddenly becomes insulating and remains in this state until the voltage applied to it drops below the critical point.