Кочнева Л.С. (г. Пермь, МБОУ «Гимназия № 17»)
1. Пиштало В. Никола Тесла. Портрет среди масок. – М: Азбука-классика, 2010.
2. Ржонсницкий Б.Н. Никола Тесла. Жизнь замечательных людей. Серия биографий. Выпуск 12. – М: Молодая гвардия, 1959.
3. Фейгин О. Никола Тесла: Наследие великого изобретателя. – М.: Альпина нон-фикшн, 2012.
4. Тесла и его изобретения. http://www.374.ru/index.php?x=2007-11-19-20.
5. Цверава Г. К. Никола Тесла, 1856-1943. – Ленинград. Наука. 1974.
6. Википедия https://ru.wikipedia.org/wiki/?%D0?%A2?%D0?%B5?%D1?%81?%D0?%BB?%D0?%B0,_?%D0?%9D?%D0?%B8?%D0?%BA?%D0?%BE?%D0?%BB?%D0?%B0.
7. Никола Тесла: биография http://www.people.su/107683.
О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель...
А.С. Пушкин
Актуальность темы
Экспериментальная физика имеет огромное значение в развитии науки. Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Никто не будет спорить с тем, что эксперимент - это мощный импульс к пониманию сущности явлений в природе.
В наше время остро стоит вопрос о передаче энергии на расстояние, в частности передача энергии беспроводным способом. Здесь можно вспомнить идеи великого ученого Николы Тесла, который занимался этими вопросами еще в 1900х годах и добился внушительного успеха, построив свой знаменитый резонансный трансформатор - катушку Тесла. Вот и я решил разобраться в этом вопросе самостоятельно, попытавшись повторить эти эксперименты.
Цели исследовательской работы
Собрать действующие катушки Тесла по транзисторной технологии (Class-E SSTC) и по ламповой технологии (VTTC)
Пронаблюдать образование различных видов разрядов и выяснить, насколько они опасны.
Передать энергию беспроводным способом, при помощи катушки Тесла
Изучить свойства электромагнитного поля, генерируемого катушкой Тесла
Изучить практическое применение катушки Тесла
Предмет исследования
Две катушки Тесла, собранные по разным технологиям, поля и разряды, генерируемые этими катушками.
Методы исследования:
Эмпирические: наблюдение высокочастотных электрических разрядов, исследование, эксперимент.
Теоретические: конструирование катушки Тесла, анализ литературы и возможных электрических схем сборки катушки.
Этапы исследования
Теоретическая часть. Изучение литературы по проблеме исследования.
Практическая часть. Изготовление трансформаторов Тесла и проведение опытов с построенным оборудованием.
Теоретическая часть
Изобретения Николы Тесла
Никола Тесла - изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. Родился и вырос в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США.
Также он известен как сторонник существования эфира: известны многочисленные его опыты и эксперименты, целью которых было показать наличие эфира как особой формы материи, поддающейся использованию в технике. Именем Н. Тесла названа единица измерения плотности магнитного потока. Современники-биографы считали Тесла «человеком, который изобрёл XX век» и «святым заступником» современного электричества. Ранние работы Тесла проложили путь современной электротехнике, его открытия раннего периода имели инновационное значение.
В феврале 1882 года Тесла придумал, как можно было бы использовать в электродвигателе явление, позже получившее название вращающегося магнитного поля. В свободное время Тесла работал над изготовлением модели асинхронного электродвигателя, а в 1883 году демонстрировал работу двигателя в мэрии Страсбурга.
В 1885 году Никола представил 24 разновидности машины Эдисона, новый коммутатор и регулятор, значительно улучшающие эксплуатационные характеристики.
В 1888-1895 годах Тесла занимался исследованиями магнитных полей и высоких частот в своей лаборатории. Эти годы были наиболее плодотворными, именно тогда он запатентовал большинство своих изобретений.
В конце 1896 года Тесла добился передачи радиосигнала на расстояние 48 км.
В Колорадо Спрингс Тесла организовал небольшую лабораторию. Для изучения гроз Тесла сконструировал специальное устройство, представляющее собой трансформатор, один конец первичной обмотки которого был заземлён, а второй соединялся с металлическим шаром на выдвигающемся вверх стержне. К вторичной обмотке подключалось чувствительное самонастраивающееся устройство, соединённое с записывающим прибором. Это устройство позволило Николе Тесле изучать изменения потенциала Земли, в том числе и эффект стоячих электромагнитных волн, вызванный грозовыми разрядами в земной атмосфере. Наблюдения навели изобретателя на мысль о возможности передачи электроэнергии без проводов на большие расстояния.
Следующий эксперимент Тесла направил на исследование возможности самостоятельного создания стоячей электромагнитной волны. На огромное основание трансформатора были намотаны витки первичной обмотки. Вторичная обмотка соединялась с 60-метровой мачтой и заканчивалась медным шаром метрового диаметра. При пропускании через первичную катушку переменного напряжения в несколько тысяч вольт во вторичной катушке возникал ток с напряжением в несколько миллионов вольт и частотой до 150 тысяч герц.
При проведении эксперимента были зафиксированы грозоподобные разряды, исходящие от металлического шара. Длина некоторых разрядов достигала почти 4,5 метров, а гром был слышен на расстоянии до 24 км.
На основании эксперимента Тесла сделал вывод о том, что устройство позволило ему генерировать стоячие волны, которые сферически распространялись от передатчика, а затем с возрастающей интенсивностью сходились в диаметрально противоположной точке земного шара, где-то около островов Амстердам и Сен-Поль в Индийском океане.
В 1917 году Тесла предложил принцип действия устройства для радиообнаружения подводных лодок.
Одним из его самых знаменитых изобретений является трансформатор (катушка) Тесла.
Трансформатор Тесла, также катушка Тесла - устройство, изобретённое Николой Тесла и носящее его имя. Является резонансным трансформатором, производящим высокое напряжение высокой частоты. Прибор был запатентован 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».
Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек - первичной и вторичной, а также разрядника, конденсаторов, тороида и терминала.
Первичная катушка обычно содержит несколько витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная около 1000 витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент - разрядник.
Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора главным образом выполняют ёмкость тороида и собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.
Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов.
После достижения между электродами разрядника напряжения пробоя, в нём возникает лавинообразный электрический пробой газа. Конденсатор разряжается через разрядник на катушку. Поэтому цепь колебательного контура, состоящего из первичной катушки и конденсатора, остаётся замкнутой через разрядник, и в ней возникают высокочастотные колебания. Во вторичной цепи возникают резонансные колебания, что приводит к появлению на терминале высокого напряжения.
Во всех типах трансформаторов Тесла основной элемент трансформатора - первичный и вторичный контуры - остается неизменным. Однако одна из его частей - генератор высокочастотных колебаний может иметь различную конструкцию.
Практическая часть
Катушка Тесла (Class-E SSTC)
Резонансный трансформатор состоит из двух катушек, у которых нет общего железного сердечника, - это нужно для создания низкого коэффициента связи. На первичной обмотке находится несколько витков толстого провода. На вторичную обмотку наматывают от 500 до 1500 витков. За счет такой конструкции катушка Тесла обладает таким коэффициентом трансформации, который в 10-50 раз больше, чем отношение количества витков на вторичной обмотке к количеству витков на первичной. При этом должно соблюдаться условие возникновения резонанса между первичным и вторичным колебательными контурами. Напряжение на выходе такого трансформатора может превышать несколько миллионов Вольт. Именно это обстоятельство и обеспечивает возникновение зрелищных разрядов, длина которых может достигать сразу нескольких метров. В Интернете можно найти разные варианты изготовления источников высокой частоты и напряжения. Я выбрал одну из схем.
Установку я собирал сам на основе вышеуказанной схемы (Рис. 1). Катушка, намотанная на каркасе от пластмассовой (сантехнической) трубы с диаметром 80 мм. Первичная обмотка содержит всего 7 витков, провод диаметром 1 мм, был использован одножильный медный провод МГТФ. Вторичная обмотка содержит около 1000 витков обмоточного провода диаметром 0,15 мм. Вторичная обмотка мотается аккуратно, виток к витку. В результате получилось устройство производящее высокое напряжение при высокой частоте (рис. 2).
Большая катушка Тесла (VTTC)
Эта катушка собрана на базе генераторного пентода гу-81м по автогенераторной схеме, т.е. с самовозбуждением тока сетки лампы.
Как видно по схеме (рис. 3), лампа подключена как триод, т.е. все сетки объединены между собой. Конденсатор C1 и диод VD1 образуют однополупериодный удвоитель. Резистор R1 и конденсатор C3 нужны для регулировки режима работы лампы. Катушка L2 нужна для возбуждения тока сетки. Первичный колебательный контур образуется из конденсатора C2 и катушки L1. Вторичный колебательный контур образован катушкой L3 и ее собственной межвитковой емкостью. Первичная обмотка на каркасе диаметром 16 см содержит 40 витков с отводами от 30, 32, 34, 36 и 38 витков, для подстройки резонанса. Вторичная обмотка содержит около 900 витков на каркасе диаметром 11 см. Сверху вторичной обмотки находится тороид, - он необходим для накопления электрических зарядов.
Обе этих установки (Рис. 2 и Рис. 3) предназначены для демонстрации высокочастотных токов высокого напряжения и способов их создания. Также катушки могут быть использованы для беспроводной передачи электрического тока. В ходе работы я продемонстрирую действие и возможности изготовленных мною катушек Тесла.
Экспериментальные опыты применения катушки Тесла
С готовой катушкой Тесла можно провести ряд интересных опытов, однако необходимо соблюдать правила безопасности. Для проведения опытов должна быть очень надежная проводка, вблизи катушки не должно быть предметов, должна быть возможность аварийно обесточить оборудование.
Во время работы катушка Тесла создаёт красивые эффекты, связанные с образованием различных видов газовых разрядов. Обычно люди собирают эти катушки для того, чтобы посмотреть на эти впечатляющие, красивые явления.
Катушка Тесла может создавать несколько видов разрядов:
Спарки - это искровые разряды между катушкой, и каким либо предметом, производит характерный хлопок, из-за резкого расширения газового канала, как при природной молнии, но в меньшем масштабе.
Стримеры - тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободные электроны. Протекает от терминала катушки прямо в воздух, не уходя в землю. Стример - это видимая ионизация воздуха. Т.е. свечение ионов, которые образует высокое напряжение трансформатора.
Коронный разряд - свечение ионов воздуха в электрическом поле высокого напряжения. Создаёт красивое голубоватое свечение вокруг высоковольтных частей конструкции с сильной кривизной поверхности.
Дуговой разряд - образуется при достаточной мощности трансформатора, если к его терминалу близко поднести заземлённый предмет. Между ним и терминалом загорается дуга.
Некоторые химические вещества, нанесённые на разрядный терминал, способны менять цвет разряда. Например, натрий меняет голубоватый цвет разряда на оранжевый, бор - на зелёный, марганец - на синий, а литий - на малиновый окрас.
При помощи данных катушек можно провести ряд довольно интересных, красивых и эффектных экспериментов. Итак, начнем:
Опыт 1: Демонстрация газовых разрядов. Стример, спарк, дуговой разряд
Оборудование: катушка Тесла, толстая медная проволока.
Рис. 4 Рис. 5
При включении катушки, с терминала начинает выходить разряд, который в длину 5-7 мм
Опыт 2: Демонстрация разряда в люминесцентной лампе
Оборудование: катушка Тесла, люминесцентная лампа (лампа дневного света).
Наблюдается свечение в люминесцентной лампе на расстоянии до 1 м. от установки.
Опыт 3: Эксперимент с бумагой
Оборудование: катушка Тесла, бумага.
При внесении бумаги в разряд, стример быстро охватывает ее поверхность и через несколько секунд бумага загорается
Опыт 4: «Дерево» из плазмы
Оборудование: катушка Тесла, тонкий многожильный провод.
Разветвляем жилы у заранее зачищенного от изоляции провода, и, прикручиваем к терминалу, в результате получаем «дерево» из плазмы.
Опыт 5: Демонстрация газовых разрядов на большой катушке Тесла. Стример, спарк, дуговой разряд
При включении катушки, с терминала начинает выходить разряд, который в длину 45-50см, при поднесении предмета к тороиду - загорается дуга.
Опыт 6: Разряды в руку
Оборудование: большая катушка Тесла, рука.
При поднесении руки к стримеру разряды начинают бить в руку, не причиняя боль
Опыт 7: Демонстрация газовых разрядов из предмета, находящегося в поле катушки Тесла.
Оборудование: большая катушка Тесла, толстая медная проволока.
При внесении медной проволоки в поле катушки Тесла (с убранным терминалом), происходит появление разряда из проволоки в сторону тороида.
Опыт 8: Демонстрация разряда в шаре, наполненного разреженным газом, в поле катушки Тесла
Оборудование: большая катушка Тесла, шар наполненный разреженным газом.
При внесении шара в поле катушки Тесла загорается разряд внутри шара.
Опыт 9: Демонстрация разряда в неоновых и люминисцентных лампах.
Оборудование: большая катушка Тесла, неоновые и люминисцентные лампы.
При внесении лампы в поле катушки Тесла загорается разряд внутри неоновых и люминисцентных ламп на расстоянии до 1,5 м.
Опыт 10: Разряды из руки.
Оборудование: большая катушка Тесла, рука с напальчниками из фольги.
При внесении руки в поле катушки Тесла (с убранным терминалом), происходит появление разряда с напальчников в сторону тороида.
Заключение
Все поставленные цели выполнены. Я построил 2 катушки и на их примере доказал следующие гипотезы:
Катушка Тесла может генерировать реальные электрические разряды различных видов.
Разряды, создаваемые катушкой тесла, безопасны для человека и не могут нанести ему урон путем удара электрическим током. К выходной катушке высокого напряжения можно даже прикоснуться куском металла или рукой. Почему при прикосновении к источнику напряжения 1 000 000 В высокой частоты с человеком ничего не случается? Потому что при протекании тока высокой частоты наблюдается так называемый скин-эффект, т.е. заряды текут только по краям проводника, не трогая сердцевину.
Ток протекает по коже, и не касается внутренних органов. Именно поэтому можно безопасно касаться этих молний.
Катушка Тесла может передавать энергию без проводов путем создания электромагнитного поля.
Энергия этого поля может передаваться как на любые предметы в этом поле, от разреженных газов, до человека.
Современное применение идей Николы Тесла
Переменный ток является основным способом передачи электроэнергии на большие расстояния.
Электрогенераторы являются основными элементами в генерации электроэнергии на электростанциях турбинного типа (ГЭС, АЭС, ТЭС).
Электродвигатели переменного тока, впервые созданные Николой Тесла, используются во всех современных станках, электропоездах, электромобилях, трамваях, троллейбусах.
Радиоуправляемая робототехника получила широкое распространение не только в детских игрушках и беспроводных телевизионных и компьютерных устройствах (пульты управления), но и в военной сфере, в гражданской сфере, в вопросах военной, гражданской и внутренней, а также и внешней безопасности стран и т.п.
Беспроводные заряжающие устройства уже используются для зарядки мобильных телефонов.
Переменный ток, впервые полученный Тесла, является основным способом передачи электроэнергии на большие расстояния
Использование в развлекательных целях и шоу.
В фильмах эпизоды строятся на демонстрации трансформатора Тесла, в компьютерных играх.
В начале XX века трансформатор Тесла также нашёл популярное использование в медицине. Пациентов обрабатывали слабыми высокочастотными токами, которые протекая по тонкому слою поверхности кожи, не причиняли вреда внутренним органам, оказывая при этом «тонизирующее» и «оздоравливающее» влияние.
Он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах.
Ошибочно мнение, что катушки Тесла не имеют широкого практического применения. Основное их использование приходится на развлекательно-медийную сферу развлечений и шоу. При этом сами катушки или устройства, использующие принципы работы катушек, довольно распространены в нашей жизни, о чем свидетельствуют вышеприведенные примеры.
Библиографическая ссылка
Кошкин А.А. КАТУШКА ТЕСЛА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ // Международный школьный научный вестник. – 2018. – № 1. – С. 125-133;URL: http://school-herald.ru/ru/article/view?id=530 (дата обращения: 30.01.2020).
Здравствуйте. Сегодня я расскажу про миниатюрную катушку (трансформатор) Тесла.
Сразу скажу, что игрушка крайне интересная. Я сам вынашивал планы по её сборке, но оказывается это дело уже поставлено на поток.
В обзоре тестирование, различные опыты-эксперименты, а также небольшая доработка.
Так что прошу…
Насчет Николы Теслы
существуют разные мнения. Для кого-то это чуть ли не бог электричества, покоритель свободной энергии и изобретатель вечного двигателя. Другие же считают его великим мистификатором, умелым иллюзионистом и любителем сенсаций. И ту, и другую позицию можно подвергнуть сомнению, однако отрицать огромный вклад Теслы в науку никак нельзя. Ведь он изобрёл такие вещи, без которых невозможно представить себе наше сегодняшнее существование, например: переменный ток, генератор переменного тока, асинхронный электродвигатель, радио
(да, да именно Н.Тесла первый изобрёл радио, а не Попов и Маркони), дистанционное управление
и др.
Одним из его изобретений был резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение высокой частоты. Этот трансформатор носит имя создателя - Николы Теслы.
Простейший трансформатор Тесла
состоит из двух катушек - первичной и вторичной, а также электрической схемы, создающей высокочастотные колебания.
Первичная катушка обычно содержит несколько витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная около 1000 витков провода меньшего диаметра. В отличие от обычных трансформаторов, здесь нет ферромагнитного сердечника. Таким образом взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у трансформаторов с ферромагнитным сердечником.
В оригинале в схеме генератора использовался газовый разрядник. Сейчас чаще всего используют так называемый качер Бровина.
Качер Бровина
- разновидность генератора на одном транзисторе, якобы работающего в нештатном для обычных транзисторов режиме, и демонстрирующая таинственные свойства, восходящие к исследованиям Тесла и не вписывающиеся в современные теории электромагнетизма.
По видимому, качер представляет собой полупроводниковый разрядник (по аналогии с разрядником Теслы), в котором электрический разряд тока проходит в кристалле транзистора без образования плазмы (электрической дуги). При этом кристалл транзистора после его пробоя полностью восстанавливается (т.к. это обратимый лавинный пробой, в отличие от необратимого для полупроводника теплового пробоя). Но в доказательство этого режима работы транзистора в качере приводятся лишь косвенные утверждения: никто кроме самого Бровина работу транзистора в качере детально не исследовал, и это только его предположения. Например, в качестве подтверждения «качерного» режима Бровин приводит следующий факт: какой полярностью к качеру не подключай осциллограф, полярность импульсов, которые он показывает, всё равно положительная
Хватит слов, пора переходить к герою обзора.
Упаковка самая аскетическая - вспененный полиэтилен и скотч. Фото не делал, но процесс распаковки есть в видеоролике в конце обзора.
Комплектация:
Комплект состоит из:- блока питания на 24В 2А;
- переходника на евровилку;
- 2-х неоновых лампочек;
- катушки (трансформатора) Тесла с генератором.
Трансформатор Тесла:
Размеры всего изделия весьма скромные: 50х50х70 мм.
От оригинальной катушки Тесла есть несколько отличий: первичная (с малым количеством витков) обмотка должна находится снаружи вторичной, а не наоборот, как здесь. Также вторичная обмотка должна содержать достаточно большое количество витков, как минимум 1000, здесь же всего витков около 250.Схема достаточно простая: резистор, конденсатор, светодиод, транзистор и сам трансформатор Тесла.
Это и есть слегка модифицированный качер Бровина. В оригинале у качера Бровина установлено 2 резистора от базы транзистора. Здесь один из резисторов заменён на светодиод включенный в обратном смещении.Тестирование:
Включаем и наблюдаем свечение высоковольтного разряда на свободном контакте катушки Тесла.
Также можем видеть свечение неоновых ламп из комплекта, и газоразрядной «энергосберегайки». Да, для тех, кто не в курсе, лампы светятся просто так, без подключения к чему либо, просто вблизи катушки.
Свечение можно наблюдать даже у неисправной лампы накаливания
Правда в процессе экспериментирования, колба лампы лопнула.Высоковольтный разряд без труда поджигает спичку:
Спичка легко поджигается и с обратной стороны:
Для снятия осциллограммы тока потребления, я в разрыв цепи питания установил 2-х ваттный резистор сопротивлением 4,7 Ом. Вот что получилось:
На первом скриншоте трансформатор работает без нагрузки, на втором поднесена энергосберегающая лампа. Видно, что общий ток потребления не меняется, что не скажешь о частоте колебаний.Маркером V2 я отметил нулевой потенциал и среднюю точку переменной составляющей, итого получилось 1,7 вольта на резисторе 4,7 Ом, т.е. средний ток потребления составляет
0,36А. А потребляемая мощность около 8,5Вт.
Доработка:
Явный недостаток конструкции - очень маленький радиатор. Несколько минут работы прибора достаточно, чтобы нагреть радиатор до 90 градусов.Для улучшения ситуации был применён бОльший радиатор от видеокарты. Транзистор был перемещён вниз, а светодиод наверх платы.
С этим радиатором максимальная температура упала до 60-65 градусов.Видеоверсия обзора:
Видеоверсия содержит распаковку, опыты с разными лампами, поджигание спичек, бумаги, прожигание стекла, а также «электронные качели». Приятного просмотра.Итоги:
Начну с минусов: неверно выбран размер радиатора - он слишком мал, поэтому включать трансформатор можно буквально на несколько минут, иначе можно сжечь транзистор. Либо нужно сразу увеличить радиатор.Плюсы: всё остальное, одни сплошные плюсы, от «Вау»-эффекта, до пробуждения интереса к физике у детей.
К покупке рекомендую однозначно.
Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.
Трансформатор (катушка) Тесла (Tesla Coil, TC) — это повышающий высокочастотный резонансный трансформатор — два колебательных контура, настроенных на одинаковую резонансную частоту. В сети можно найти множество примеров ярких реализаций этого необычного устройства.
Катушка без ферромагнитного сердечника, состоящая из множества витков тонкого провода, увенчанная тором, испускает настоящие молнии, впечатляя изумленных зрителей.
С точки зрения электротехники в нашем примитивном понимании, трансформатор Теслы - это первичная и вторичная обмотка, простейшая схема, которая обеспечивает питание первичной обмотки на резонансной частоте вторичной обмотки, но выходное напряжение возрастает в сотни раз. В это сложно поверить, но каждый может убедиться в этом сам.
Как работает трансформатор тесла
Катушка Тесла названа так в честь ее изобретателя Николы Тесла (около 1891 года). История данного изобретения начинается с конца 19 века, когда гениальный ученый-экспериментатор Никола Тесла, работая в США, только поставил перед собой задачу научиться передавать электрическую энергию на большие расстояния без проводов. Аппарат для получения токов высокой частоты и высокого потенциала был запатентован Теслой в 1896 году.
Не смотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты.
Трансформатор Тесла – прекрасная игрушка для тех, кто хочет сделать что-то эдакое. Это устройство не перестает поражать окружающих мощью своих огромных разрядов. Более того, сам процесс конструирования трансформатора очень увлекателен – не часто так много физических эффектов сочетаются в одной несложной конструкции.
Несмотря на то, что сама по себе “Тесла” очень проста, многие из тех, кто пытаются ее сконструировать не понимают как работает трансформатор Тесла.
Принцип действия трансформатора Тесла похож на работу обычного . Трансформатор Тела состоит из двух обмоток – первичной (Lp) и вторичной (Ls) (их чаще называют “первичка” и “вторичка”). К первичной обмотке подводится переменное напряжение и она создает магнитное поле. При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную.
колебания напряжения в трансформаторе Тесла
Тесла обладает тремя основными характеристиками:
- резонансной частотой вторичного контура,
- коэффициентом связи первичной и вторичной обмоток,
- добротностью вторичного контура.
Коэффициент связи определяет насколько быстро энергия из первичной обмотки передается во вторичную, а добротность – насколько долго колебательный контур может сохранять энергию.
Основные детали и конструкции трансформатора Тесла
Конструкция трансформатора тесла
Тороид
Тороид – выполняет три функции.
Первая – уменьшение резонансной частоты – это актуально для SSTC и DRSSTC, так как силовые полупроводники плохо работают на высоких частотах.
Вторая – накопление энергии перед образованием стримера.
Стример - это, по сути дела, видимая ионизация воздуха (свечение ионов), создаваемая ВВ-полем трансформатора.
Чем больше тороид, тем больше в нем накоплено энергии и, в момент, когда воздух пробивается, тороид отдает эту энергию в стример, таким образом, увеличивая его. Для того, чтобы извлечь выгоду из этого явления в теслах с непрерывной накачкой энергии, используют прерыватель.
Третья – формирование электростатического поля, которое отталкивает стример от вторичной обмотки теслы. От части, эту функцию выполняет сама вторичная обмотка, но тороид может ей хорошо помочь. Именно по причине электростатического отталкивания стримера, он не бьет по кратчайшему пути во вторичку.
От использования тороидоа больше всего выиграют теслы с импульсной накачкой – SGTC, DRSSTC и теслы с прерывателями. Типичный внешний диаметр тороида – два диаметра вторички.
Тороиды обычно изготавливают из алюминиевой гофры, хотя есть множество других технологий,
Вторичная обмотка – основная деталь Теслы
Типичное отношение длинны обмотки теслы к ее диаметру намотки 4:1 – 5:1.
Диаметр провода для намотки теслы обычно выбирают так, чтобы на вторичке помещалось 800-1200 витков.
ВНИМАНИЕ!
Не стоит мотать слишком много витков на вторичке тонким проводом. Витки на вторичке нужно распологать как можно плотнее друг к другу.
Для защиты от царапин и от разлезания витков, вторичные обмотки обычно покрывают лаками. Чаще всего для этого применяются эпоксидная смола и полиуретановый лак. Лакировать стоит очень тонкими слоями. Обычно, на вторичку, наносят минимум 3-5 тонких слоев лака.
Мотают вторичную обмотку на воздуховодных (белых) или, что хуже, канализационных (серых) ПВХ трубах. Найти эти трубы можно в любом строительном магазине.
Защитное кольцо
Защитное кольцо – предназначено для того, чтобы стример, попав в первичную обмотку не вывел электронику из строя. Эта деталь устанавливается на теслу, если длинна стримера больше длинны вторичной обмотки. Представляет собой незамкнутый виток медного провода (чаще всего, немного толще, чем тот из которого изготавливается первичная обмотка трансформатора тесла). Защитное кольцо заземляется на общее заземление отдельным проводом.
Первичная обмотка
Первичная обмотка – обычно изготавливается из медной трубы для кондиционеров. Должна обладать очень маленьким сопротивлением для того, чтобы по ней можно было пропускать большой ток. Толщину трубки обычно выбирают на глаз, в подавляющем большинстве случаев, выбор падает на 6 мм трубку. Так-же в качестве первички используют провода большего сечения.
Относительно вторичной обмотки устанавливается так, чтобы обеспечить нужный коэффициент связи.
Часто играет роль построечного элемента в тех теслах, где первичный контур является резонансным. Точку подключения к первичке делают подвижной и ее перемещением изменяют резонансную частоту первичного контура.
Первичные обмотки обычно делают цилиндрическими, плоскими или коническим. Обычно, плоские первички используются в SGTC, конические- в SGTC и DRSSTC, а цилиндрические - в SSTC, DRSSTC и VTTC.
Заземление
Заземление – как не странно, тоже очень важная деталь теслы. Очень часто задаются вопросом – куда же бьют стримеры? - стримеры бьют в землю!
Стримеры замыкают ток, показанный на картинке синим цветом
Таким образом, если заземление будет плохое, стримерам будет некуда деваться и им придется бить в теслу (замыкать свой ток), вместо того, чтобы извергаться в воздух.
Поэтому задавая вопрос обязательно ли заземлять теслу?
Заземление для теслы – обязательно.
Существуют трансформаторы Тесла без первичной обмотки. У них питание подается прямо на “земляной” конец вторички. Такой метод питания называется “бэйзфид” (basefeed).
Иногда, в качестве источника бэйзфидного питания используется другой трансформатор Тесла, такой метод питания называют “магниферным” (Magnifier).
Существуют так называемые биполярные теслы, они отличаются тем, что разряд происходит не в в воздух, а между двумя концами вторичной обмотки. Таким образом, путь тока легко может замкнуться и заземление не нужно.
Вот самые распространенные типы катушек Тесла в зависимости от способа управления ими:
- SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор Тесла на искровом промежутке. Это классическая конструкция, подобную схему изначально применял сам Тесла. В качестве коммутирующего элемента здесь используется разрядник. В конструкциях малой мощности разрядник представляет собой два куска толстого провода, расположенных на некотором расстоянии, а в более мощных применяются сложные вращающиеся разрядники с использованием двигателей. Трансформаторы этого типа изготавливают если требуется лишь большая длинна стримера, и не важна эффективность.
- VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор Тесла на электронной лампе. В качестве коммутирующего элемента здесь используется мощная радиолампа, например ГУ-81. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и производить довольно толстые разряды. Данный тип питания чаще всего используют для построения высокочастотных катушек, которые из-за типичного вида своих стримеров получили название “факельники”.
- SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла, в котором в качестве ключевого элемента применяются полупроводники. Обычно это IGBT или MOSFET транзисторы. Данный тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых такой катушкой может быть самым разным. Этим типом трансформаторов Тесла проще управлять, например можно играть на них музыку.
- DRSSTC (ДРССТЦ, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла с двумя резонансными контурами, здесь в качестве ключей используются, как и в SSTC, полупроводники. ДРССТЦ – наиболее сложный в управлении и настройке тип трансформаторов Тесла.
Для получения более эффективной и эффектной работы трансформатора Тесла применяют именно схемы топологии DRSSTC, когда мощный резонанс достигается и в самом первичном контуре, а во вторичном соответственно - более яркая картина, более длинные и толстые молнии (стримеры).
Виды эффектов от катушки Тесла
- Дуговой разряд – возникает во многих случаях. Он характерен ламповым трансформаторам.
Коронный разряд является свечением воздушных ионов в электрическом поле повышенного напряжения, образует голубоватое красивое свечение вокруг элементов устройства с высоким напряжением, а также имеющим большую кривизну поверхности. - Спарк по-другому называют искровым разрядом. Он протекает от терминала на землю, либо на заземленный предмет, в виде пучка ярких разветвленных полосок, быстро исчезающих или меняющихся.
- Стримеры – это тонкие слабо светящиеся разветвляющиеся каналы, содержащие ионизированные атомы газа и свободные электроны. Они не уходят в землю, а протекают в воздух. Стримером называют ионизацию воздуха, образуемую полем трансформатора высокого напряжения.
Действие катушки Тесла сопровождается треском электрического тока. Стримеры могут превращаться в искровые каналы. Это сопровождается большим увеличением тока и энергии. Канал стримера быстро расширяется, давление резко повышается, поэтому образуется ударная волна. Совокупность таких волн подобен треску искр.
Практическое применение трансформатор тесла
Величина напряжения на выходе трансформатора Тесла иногда достигает миллионов вольт, что формирует значительные воздушные электрические разряды длиной в несколько метров. Поэтому такие эффекты применяют в качестве создания показательных шоу.
Катушка Тесла нашла практическое применение в медицине в начале прошлого века. Больных обрабатывали маломощными токами высокой частоты. Такие токи протекают по поверхности кожи, оказывают оздоравливающее и тонизирующее влияние, не причиняя при этом никакого вреда организму человека. Однако мощные токи высокой частоты оказывают негативное влияние.
Трансформатор Тесла применяется в военной технике для оперативного уничтожения электронной техники в здании, на корабле, танке. При этом на короткий промежуток времени создается мощный импульс электромагнитных волн. В результате в радиусе нескольких десятков метров сгорают транзисторы, микросхемы и другие электронные компоненты. Это устройство действует абсолютно бесшумно. Существуют такие данные, что частота тока при функционировании такого устройства может достигать 1 ТГц.
Иногда на практике такой трансформатор применяется для розжига газоразрядных ламп, а также поиска течи в вакууме.
Эффекты катушки Тесла иногда используют в съемках фильмов, компьютерных играх.
В настоящее время катушка Тесла не нашла широкого применения на практике в быту.
Новое в трансформаторах тесла
В настоящее время остаются актуальными вопросы, которыми занимался ученый Тесла. Рассмотрение этих проблемных вопросов дает возможность студентам и инженерам институтов взглянуть на проблемы науки более широко, структурировать и обобщать материал, отказаться от шаблонных мыслей. Взгляды Тесла актуальны сегодня не только в технике и науке, но и для работ в новых изобретениях, применения новых технологий на производстве. Наше будущее даст объяснение явлениям и эффектам, открытым Теслой. Он заложил для третьего тысячелетия основы новейшей цивилизации.
схема трансформатора тесла на транзисторе
Схема трансформатора тесла выглядит невероятно просто и состоит из:
- первичной катушки, выполненной из провода сечением не менее 6 мм², около 5-7 витков;
- вторичной катушки, намотанной на диэлектрик, это провод диаметром до 0,3 мм, 700-1000 витков;
- разрядника;
- конденсатора;
- излучателя искрового свечения.
Главное отличие трансформатора Теслы от всех остальных приборов - в нем не применяются ферросплавы в качестве сердечника, а мощность прибора, независимо от мощности источника питания, ограничена только электрической прочностью воздуха. Суть и принцип действия прибора в создании колебательного контура, который может реализовываться несколькими методами:
- Генератор колебаний частоты, построенный на основе разрядника, искрового промежутка.
- Генератор колебания на лампах.
- На транзисторах.
Видео: Стоячие волны в Трансформаторе Тесла, резонанс, коэффициент трансформации
Видео: Трансформатор ТЕСЛА своими руками
Видео: Трансформатор Тесла
Пошаговое объяснение процесса сборки и запуска одного из самых мощных трансформаторов Тесла в России. Конструктор: Блотнер Борис
О том, что физик Никола Тесла был гениальным изобретателем и значительно опередил свое время, слышали многие. К сожалению, по ряду причин большинство его изобретений так и не увидели свет. Но одно из самых неоднозначных – катушка Тесла, сохранилось до наших времен и нашло применение в медицине, военной отрасли и световых шоу.
Если очень коротко, то катушка Тесла (КТ) – это резонансный трансформатор, создающий высокочастотный ток. Есть информация, что в своих экспериментах военные довели катушку до мощности в 1 Тгц.
Огромная катушка Тесла
Тут стоит затронуть такой вопрос – зачем Тесла ее изобрел? Согласно записям ученый работал над технологией беспроводной передачи электроэнергии. Вопрос крайне актуальный для всего человечества. В теории с помощью эфира две мощные КТ, размещенные в паре километров друг от друга, смогут передавать электричество. Для этого они должны быть настроены на одинаковую частоту. Также есть мнение, что КТ может стать своего рода вечным двигателем.
Внедрение данной технологии сделает все имеющиеся сегодня АЭС, ТЭС, ГЭС и прочие просто ненужными. Человечеству не придется сжигать твердые ископаемые, подвергаться риску радиационного заражения, перекрывать русла рек. Но ответ на вопрос, почему никто не развивает данную технологию, остается за конспирологами.
Настольная катушка Тесла, продающаяся сегодня в качестве сувенира
Принцип работы
Сегодня многие домашние электрики пытаются собрать КТ, при этом не всегда понимая принцип работы трансформатора Тесла, из-за чего терпят фиаско. На самом деле КТ недалеко ушла от обычного трансформатора.
Есть две обмотки – первичная и вторичная. Когда к первичной обмотке подводят переменное напряжение от внешнего источника, вокруг нее создается магнитное поле или, как его еще называют, колебательный контур. Когда заряд пробьет разрядник, через магнитное поле энергия начнет перетекать к вторичной обмотке, где будет образовываться второй колебательный контур. Часть накапливаемой в контуре энергии будет представлена напряжением. Ее величина будет прямо пропорциональна времени образования контура.
Таким образом, в КТ имеется два связанных между собой колебательных контура, что и является определяющей характеристикой при сравнении с обычными трансформаторами. Их взаимодействие создает ионизирующий эффект, из-за чего мы видим стримеры (разряды молний).
Устройство катушки
Трансформатор Тесла, схема которого будет представлена ниже, состоит из двух катушек, тороида, защитного кольца и, конечно, заземления.
Эскиз настольной КТ
Необходимо рассмотреть каждый элемент в отдельности:
- первичная катушка располагается в самом низу. К ней подводится питание. Она обязательно заземляется. Делается из металла с малым сопротивлением;
- вторичная катушка. Для обмотки используют эмалированную медную проволоку примерно на 800 витков. Таким образом витки не расплетутся и не поцарапаются;
- тороид. Данный элемент уменьшает резонансную частоту, накапливает энергию и увеличивает рабочее поле.
- защитное кольцо. Представляет из себя незамкнутый виток медного провода. Устанавливается, если длина стримера больше длины вторичной обмотки;
- заземление. Если включить незаземленную катушку, стримеры (разряды тока) не будут бить в воздух, а создадут замкнутое кольцо.
Чертеж КТ
Самостоятельное изготовление
Итак, простейший способ изготовления катушки Теслы для чайников своими руками. Часто в интернете можно увидеть суммы, превышающие стоимость неплохого смартфона, но на деле трансформатор на 12V, который даст возможность насладиться включением светильника без использования розетки, можно собрать из кучи гаражного хлама.
Что должно получиться в итоге
Понадобится медная эмалированная проволока. Если эмалированной не найти, тогда дополнительно понадобится обычный лак для ногтей. Диаметр провода может быть от 0.1 до 0.3 мм. Чтобы соблюсти количество витков понадобиться около 200 метров. Намотать можно на обычную ПВХ-трубу диаметром от 4 до 7 см. Высота от 15 до 30 см. Также придется прикупить транзистор, например, D13007, пара резисторов и проводов. Неплохо было бы обзавестись кулером от компьютера, который будет охлаждать транзистор.
Теперь можно приступить к сборке:
- отрезать 30 см трубы;
- намотать на нее проволоку. Витки должны быть как можно плотнее друг к другу. Если проволока не покрыта эмалью, покрыть в конце лаком. Сверху трубы конец провода продеть через стенку и вывести наверх так, чтобы он торчал на 2 см выше поставленной трубы.;
- изготовить платформу. Подойдет обычная плита из ДСП;
- можно делать первую катушку. Нужно взять медную трубу 6 мм, выгнуть ее в три с половиной витка и закрепить на каркасе. Если диаметр трубки меньше, то витков должно быть больше. Ее диаметр должен быть на 3 см больше второй катушки. Закрепить на каркасе. Тут же закрепить вторую катушку;
- способов изготовления тороида довольно много. Можно использовать медные трубки. Но проще взять обычную алюминиевую гофру и металлическую перекладину для крепления на выпирающем конце проволоки. Если проволока слишком хлипкая, чтобы удержать тороид, можно использовать гвоздь, как на картинке ниже;
- не стоит забывать про защитное кольцо. Хотя если один конец первичного контура заземлить, от него можно отказаться;
- когда конструкция готова, транзистор соединяется по схеме, крепится к радиатору или кулеру, далее нужно подвести питание и монтаж окончен.
Первую катушку можно сделать плоской, как на картинке
В качестве питания установки многие используют обычную крону Дюрасель.
Трансформатор Тесла своими руками, простейшая схема
Расчет катушки
Расчет КТ обычно производится при изготовлении трансформатора промышленной величины. Для домашних экспериментов достаточно использовать приведенные выше рекомендации.
Сам расчет подскажет оптимальное количество витков для вторичной катушки в зависимости от витков первой, индуктивность каждой катушки, емкость контуров и, самое важное, необходимую рабочую частоту трансформатора и емкость конденсатора.
Пример расчета КТ
Меры безопасности
Собрав КТ, перед запуском нужно принять некоторые меры предосторожности. Во-первых, нужно проверить проводку в помещении, где планируется подключение трансформатора. Во-вторых, проверить изоляцию обмоток.
Также стоит помнить, о простейших мерах предосторожности. Напряжение вторичной обмотки в среднем равняется 700А, 15А для человека уже смертельно. Дополнительно стоит подальше убрать все электроприборы, попав в зону работы катушки, они с большой вероятностью сгорят.
КТ – это революционное открытие своего времени, недооцененное в наши дни. Сегодня трансформатор Тесла служит лишь для развлечения домашних электриков и в световых представлениях. Сделать катушку можно самостоятельно из подручных средств. Понадобятся ПВХ труба, несколько сотен метров медного провода, пара метров медных труб, транзистор и пара резисторов.
Не так давно в ассортименте различных магазинов появились так называемые плазменные лампы, испускающие молнии по поверхности стеклянного шара. Эти светильники быстро обрели популярность, но мало кто знает, что эти приборы изобрёл Никола Тесла в 1910-х годах прошлого века. Для начала необходимо разобраться с внутренним устройством этого удивительного изобретения. На самом деле это обычный трансформатор особого типа. Он использует в своей работе резонанс, возникающий в так называемых стоячих магнитных волнах. На первичной обмотке совсем немного витков, он генерирует колеблющиеся искры, собирая энергию в конденсатор, а поэтому искрение происходит в определенный период времени. Вторичная обмотка работает на базе прямоточной катушки из проводов. Частота колебания пары контуров должна совпасть, что приведёт к появлению крайне высокого переменного тока большой частоты между двумя концами катушки на вторичной обмотке. Это и вызывает визуализацию в виде тех самых фиолетовых молний.
Резонансный трансформатор часто сравнивают с обычным маятником, где частота и амплитуда будут напрямую зависимы от того, с каким усилием толкается вся система. Раскачку можно делать при наличии свободных колебаний, что многократно повышает длину хода, а также увеличивает время полного угасания. С катушкой здесь происходит то же самое. Качается вторичная обмотка, а раскачивает её генератор. Синхронизация обеспечивается первичным контуром и генератором одновременно, что позволяет точно настроить систему в зависимости от поставленной задачи. В данный момент большинство людей знает это только в виде игрушки. Но на самом деле, эта система имеет реальное применение.
Использование катушки Тесла в реальности
Выходные значения напряжения часто может достигать невероятных значений в несколько миллионов вольт. Это уникальное явление в мире электричества, ведь подобные высокие токи редко характеризуются столь длительными волнами. Электрическая прочность воздушного пространства пробивается на огромное расстояние стабильными разрядами, а при большой мощности генератора длина может достигать многих метров. Подобные демонстрационные комнаты с этим чудом физики нашей планеты часто устанавливаются во многих университетах мира. Эти явления нашли отображение в знаменитой игрушке. Когда мы прикасаемся к шару, то молнии тянутся к нашим рукам, как к объекту со сравнительно большой проводимостью. Наша кровь и прочие жидкости организма переполнены солями и металлами, что делает нас отличным проводником.
Ещё в начале прошлого века данная схема использовалась для передачи сигналов на огромные расстояния, ведь у разрядов имеется также невидимая часть. Люди стали пытаться использовать их для передачи радиоволн на небольшие расстояния для передачи дистанционного управления, но такое применение было слишком опасным для здоровья людей. Затем проводились многочисленные опыты в сфере медицины. Так называемая дарсонвализация используется до сих пор, а сами приборы являются ничем иным, как генератором Тесла в самом маленьком размере. Ток щекочет кожу, но не проникает глубоко в тело. Тонизирующий эффект от такой обработки быстро нашёл применение в реальности, он используется для лечения кожных заболеваний, стимулирует рост волос, позволяет шлифовать шрамы, уменьшая размеры узелков.
Именно данный тип генераторов поджигает газоразрядные лампы. Вакуумные системы тестируются при помощи этих лучей на наличие трещин в корпусах. Молния обязательно будет тянуться в сторону дефекта.
Опасны ли лампы Тесла для людей?
Можно однозначно говорить, что опасность имеется, поэтому нужно соблюдать прилагаемую инструкцию на 100%. Нельзя браться за руки и трогать стекло лампы, а также пытаться прикасаться к шару мокрыми руками. Особенно мы настоятельно не рекомендуем изготавливать подобные схемы без должного опыта в домашних условиях. Вы можете вывести из строя многочисленные электроприборы в вашем доме, сжечь проводку. Но это не самые худшие последствия. Трансформаторы Тесла с напряжением в миллионы вольт при ошибке способны убить человека одним касанием. Эффект схож с попаданием молнии. Поэтому будьте крайне осторожны, особенно берегите детей. До 12 лет покупка подобных ламп настоятельно не рекомендуется. Также покупайте эти приборы только от известных производителей. Копии от китайских безымянных компаний часто бьют током до такой степени сильно, что на руках могут загораться волосы и рукава одежды, а также оплавляются ногти. Игрушка может принести большие неприятности, будьте бдительны.
