«Исследование электромагнитного поля на примере катушки Тесла (качер Бровина)»

XXVII Ставропольская краевая открытая научная конференция школьников

Секция: физика

Название работы: «Исследование электромагнитного поля на примере катушки Тесла (качер Бровина)»

 Автор работы: Фролов Андрей Юрьевич

                                                             Место выполнения работы: ст.Григорополисская

                                                             МОУ СОШ №2, 11 класс.

                                                             Научный руководитель: Анохина Галина Владимировна, учитель физики МОУ СОШ № 2

Ставрополь, 2016

Содержание:

1. Введение.

1. Актуальность исследования проблемы.
2. Цели и Задачи.

2. Основная часть часть.

1. Биография Николы Тесла и Владимира Бровина.
2. Выдающиеся изобретения
3. Экспериментальная часть.

3. Заключение.

1. Выводы.
2. Современное применение идеи Тесла
3. Библиографический список
4. Приложение

1. Ведение.    

1. Актуальность темы:

   Физика – это удивительная наука! Это наука из наук! Еще из незапамятных времен она держалась и всегда будет держаться на трех китах: гипотеза, закон, эксперимент. Экспериментальная физика имеет огромное значение в развитии науки. Эксперименты с электричеством… кажется, что тут еще можно открывать и экспериментировать, ведь сейчас мы воспринимаем электричество как самое обыденное явление: холодильник, телевизор, компьютер, микроволновка. Однако, сам ток доходит к нам, увы, лишь по проводам. А как воспользоваться током на расстояние, без проводов? Это всё очень далеко от того, что Никола Тесла мог делать более 100 лет назад, и чего современная физика не может объяснить до сих пор. Ещё в 1900–х годах Тесла мог передавать на огромные расстояния ток без проводов, получить ток 100 млн. ампер и напряжение 10 тыс. вольт. И поддерживать такие характеристики любое необходимое время. Современная физика достичь таких показателей просто не в состоянии. Современные учёные достигли лишь планки в 30 миллионов ампер (при взрыве электромагнитной бомбы), и 300 миллионов при термоядерной реакции - да и то, на доли секунды. Однако, в наше время, энтузиасты и учёные мира пытаются повторить опыты гениального учёного и найти им применение. В современном мире, стоит задача передачи электроэнергии беспроводной связи. Собираю катушку Тесла, я получил сильное электромагнитное поле, которое исследовал.  Поэтому я думаю, что в будущем я добьюсь широкого использования этого явления. Я считаю, что моя работа имеет просветительный характер, вызывает появление интереса к более углубленному изучению школьных предметов как физика, побудит к исследовательской и экспериментальной деятельности, а возможно приведет к увлечению на всю жизнь.

Цель исследования:

Исследовать высокочастотный трансформатор Тесла, на основе собранного мной действующей установки. Демонстрация свойств электромагнитного поля катушки Тесла и опытов по применению катушки.

Задачи исследования:

Познакомиться с биографией Никола Тесла и историей изобретения трансформатора Тесла, Владимира Бровина

• Сконструировать катушку Тесла
• Провести опыты, с собранной мною катушкой демонстрирующих действие электромагнитного поля
• Исследовать электромагнитное поле, созданное качером Бровина

Методы и приемы исследования:

• Поиск информации в различных источниках
• Эксперимент

Гипотеза исследования: Вокруг катушки Тесла образуется электромагнитное поле огромной напряженности электромагнитное поле катушки Тесла способно передавать электрический ток без проводного способа.

2. Основная часть

1. Биография Никола Тесла и Владимира Бровина.

Ни́кола Те́сла (10 июля 1856 г (Хорватия) – 7 января 1943 г (Нью-Йорк, США) — физик, инженер, изобретатель в области электротехники и радиотехники. Широко известен благодаря своему научно-революционному вкладу в изучение свойств электричества и магнетизма, теоретические работы Теслы дали основу для изобретения и развития многих современных устройств, работающих на переменном токе.  Именем Н. Теслы названа единица измерения магнитной индукции. Среди многих наград учёного — медали Э. Крессона, Дж. Скотта, Т. Эдисона. Современники-биографы считали Теслу «человеком, который изобрёл XX век» и «святым заступником» современного электричества, который получил повсеместное признание как выдающийся инженер-электротехник и изобретатель. Его считают одним из гениев 20 века.   Многие изобретения Теслы до сих пор хранятся правительством США под грифом "Совершенно секретно". Он настолько обогнал науку, что многие из его опытов учёные не могут повторить даже сейчас. Он открыл переменный ток, беспроводную передачу энергии, построил первые электрические часы, турбину, двигатель на солнечной энергии. Он включал и выключал электродвигатель дистанционно, в его руках сами собой загорались электрические лампочки.  По идее, от экспериментатора не должно было бы остаться и уголька. А Тесла улыбался как ни в чём не бывало. Убивает не напряжение, а сила тока и ток высокой частоты проходит только по поверхностным покровам. Но это мы знаем сейчас. А Тесла знал это более 100 лет назад.
  Теоретики современной физики так и не смогли дать толкование взглядам Теслы на физическую реальность. Почему он сам не сформулировал своей теории? Ответа на этот вопрос мы уже не узнаем.

Владимир Ильич Бровин

Гражданин России Бровин В.И.образование высшее - окончил Московский институт электронной техники в 1972 году. В 1987 г. обнаружил несоответствия общепринятым знаниям в работе электронной схемы созданного им компаса и стал их изучать. Это он делал на дому на собственных приборах. Через три года у него сформировалось убеждение, что это новое неизвестное физическое явление. Бровин написал об этом в Комитет по изобретениям и открытиям, но ему ответили, что он составил описание не в соответствии с инструкцией. Он не стал с ними спорить и решил изучать это явление сам. За 10 лет экспериментов и исследований в 1998 г. Бровину удалось объяснить физику странностей в работе схем.

Цитата Бровина:

"Я пытаюсь показать Вам, что есть электростатическая составляющая, ёмкостная составляющая и открытое Н. Тесла "радианное электричество" и естественно электромагнитное излучение по Максвеллу. Эти проявления электричества и формируют "странную работу" Качера.”

2. Выдающиеся изобретения.

Одним из его самых знаменитых изобретений является Трансформатор 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 конденсатора 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.
 С помощью катyшки pазмеpом в 61 метр, полюс котоpой возглавляла большая медная сфеpа, возвышающейся над его лабоpатоpией, Тесла генеpиpовал потенциалы, котоpые pазpяжались стpелами молний длиной до 40 метров. Гpом от высвобождаемой энеpгии мог быть yслyшан за 24 километра. Вокpyг экспеpиментальной башни пылал шаp света диаметpом в 30 метров.

Выходное напряжение трансформатора Теслы может достигать нескольких миллионов вольт. Это напряжение в резонансной частоте способствует созданию внушительных электрических разрядов в воздухе. Трансформатор использовался Теслой для генерации и распространения электрических колебаний, направленных на управление устройствами на расстоянии без проводов (телеуправление).

Вы не найдете трансформатор Теслы в кабинете физики в школе. Ими перестали комплектовать кабинеты, поэтому я решил сделать такой трансформатор для школы.

3. Экспериментальная часть.

В катушке Тесла используется разрядник и переменный ток. Бровин же заменил в схеме Тесла разрядник транзистором, подключил транзистор к источнику постоянного тока, который на выходе выдает переменный ток.

Я хочу продемонстрировать вам работу одной из таких катушек Тесла и результаты исследования, которые я проводил. Установку я собирал сам на основе схемы «Качера Бровина». Это устройство производит высокое напряжение при высокой частоте.

Моя установка состоит:

Проволока медная –диаметром сечения 0,2мм. (0,64м.)

Проволока медная – диаметром 2мм (200 м.)

Пластиковая трубка- длина 42см.

Транзистор – КТ 805 БМ и др.

Резисторы: 12КОм и 47КОм

Конденсатор- 0,5 мкФ от 160В.

Источник питания- трансформатор 24 В.

Сглаживающий электролитический конденсатор 2000 мФ на 50 В.

Диодный мостик .

В качере(как в общем-то и в блокинг-генераторе) теоретически, можно использовать любые транзисторы и радиолампы. Я проделал опыты с различными видами (N-P-N) транзисторами (см. таблица в приложения). Однако, практически очень неплохо себя зарекомендовали именно транзисторы КТ805, в частности - КТ805БМ, т.к. имел наибольшую длительность работы при постоянной нагрузке, а также я убедился, что работа катушки должна проводиться с временными интервалами в 15-20 минут, для охлаждения установки. Для охлаждения я использовал радиатор (5см.x8см.) схема №1 (см.приложение)

В самостоятельной сборке качера самый серьезный момент - намотка вторичной обмотки(L2). Как правило, она содержит в себе от 800 до 1800 витков. Намотка производится виток, к витку проводом диаметром 0,1 - 0,25 мм на диэлектрическое основание, например - пластиковую трубку. Соответственно, габариты полученного трансформатора (длина) напрямую зависят от толщины используемого провода. Диаметр каркаса при этом не важен - может быть от 15мм до 40мм,но при его увеличении эффективность качера должна возрастать (как и ток потребления).

К неподключенному концу катушки можно подсоединить иглу - это даст возможность наблюдать "стример" - коронообразное свечение, которое возникнет на ее кончике, во время работы устройства. Можно обойтись и без иглы - стример точно так же будет появляться на конце намоточного провода, без затей отогнутого к верху.

Вторичная обмотка представляет из себя бескаркасный четырехвитковой соленоид намотаный проводом диаметром (не сечением!) от 1,5 до 3 мм. Длина этой катушки может составлять от 7-8 до 25-50 см, а диаметр зависит от расстояния между ее витками и поверхностью катушки L2. Оно должно составлять 1 - 2 см. Направление витков обеих катушек должно совпадать обязательно.

Резисторы R1 и R2 можно взять любого типа с мощностью рассеивания не менее 0,5 Вт. Конденсатор C1 так же любого типа от 0,1 до 0,5 мФ на напряжение от 160 в. При работе от нестабилизированного источника питания необходимо подсоединить параллельно C1 еще один, сглаживающий конденсатор 1000 - 2000 мФ на 50 в.
Транзистор обязательно устанавливается на радиатор - чем больше, тем лучше.

Источник питания для качера должен быть рассчитан на работу при токе до 3 А (с запасом), с напряжением от 12 вольт, а желательно – выше. Будет гораздо удобнее, если он будет регулируемым по напряжению.
В собранном мной образце качера, я использовал источник питания трансформатор на 24 В. Диаметре вторичной катушки 5 см (длина - 42см) и площадь поперечного сечения провода 0.2мм2, а первичной - 8см (длина – 0,64 м), при площади поперечного проводника сечения 1.18мм2, стример возникал сразу. Причем, обычные эффекты, вроде зажигания светодиодных и газоразрядных ламп на расстоянии, возникали, так же сразу, как я их подносил.

В качестве источника питания был использован трансформатор, который подключен к осветительной сети 220В., последовательно подключил диодный мост, а также сглаживающий электролитический конденсатор 2000 мФ на 50 В.

При попытке заменить (из чистого интереса) КТ805 на более мощные КТ8102, КТ819, КТ918А, обнаружилось что режимы работы устройства значительно поменялись. На многих, заметно упал рабочий ток. Он составил всего - от 100 до 250 мА.

При увеличении напряжения до 42 В., то транзистор быстро перегревался и сгорал, на моем опыте так, сгорело 8-10 шт., поэтому пытался подобрать другие транзисторы КТ 805-819, но сильных изменений не произошло. Я брал для работы разные виды транзисторов и исследовал длительность работы при постоянной нагрузке, что отраженно в таблице №1 (см. приложение). Лидером среди этого списка, оказался транзистор КТ805БМ.

Следующий эксперимент, который я провел, был таков: на вверх катушки, к стримеру, прикрепил тор (который служил для увеличения радиуса действия электромагнитного поля.Как бы проще говоря, он является своеобразным конденсатором, с помощью которого, стример, увеличился и расстояние, работы лампочек увеличилось. Так же заметил, что, используя любой кусочек проволоки, стример, исходил из проволоки. Мне, показалось это очень странным, причины этому, считаю, что тор стал передавать, всю энергию на проволоку, и как бы, добился взаимодействия.

А так же, хочу предложить способ создания тора: Соединить концы трубы вместе можно алюминиевым скотчем. Так же, существует «бюджетный» вариант, например, взять шарик для пинг-понга и обмотать его фольгой, или просто, скомкать в шар фольгу, определенного диаметра. Все, тероид готов.

Кстати, функции тора таковы:

— снижение рабочей частоты за счёт изменения ёмкости во вторичном LC-контуре;

— значительное увеличение выходного напряжения за счёт гладкости (большого радиуса кривизны) поверхности;

— экранирование вторичной обмотки дополнительным электростатическим полем;

— формирование направления истечения разряда при помощи терминала;

— придание общему виду катушки классических форм и пропорций; и многие другие.

2. Заключение

Одной из самых ярких, интересных и неоднозначных личностей среди ученых-физиков является Никола Тесла.

Тесле удалось соединить в одном приборе свойства трансформатора и явление резонанса. Так был создан знаменитый резонанс-трансформатор, сыгравший огромную роль в развитии многих отраслей электротехники, радиотехники и широко известный под названием "трансформатора Теслы".

Его инженерные разработки нашли применение в области электроэнергетики, электротехники, кибернетики, биофизике, медицине. Вопросы, которыми занимался Николай Тесла, остаются актуальными и сегодня. Их рассмотрение позволяет творческим инженерам и студентам физических специальностей шире смотреть на проблемы современной науки, отказаться от шаблонов, научиться отличать правду от вымысла, обобщать и структурировать материал.  Поэтому взгляды Н. Тесла можно считать актуальными ныне не только для исследований в области истории науки и техники, но как достаточно действенной средство поисковых работ, изобретение новых технологических процессов и использования новейших технологий.

В результате проведённых в данной работе исследований, был сделан вывод: что трансформатор Тесла, является простым в изготовлении и настройке прибором, предложенная мною конструкция, является недорогой. Проверка вредного воздействия трансформатора на организм человека показала, что устройство является безопасным для использования в учебных целях при соблюдении правил техники безопасности работы с трансформатором.

С помощью трансформатора Тесла можно продемонстрировать множество красивых и эффектных экспериментов. Во время работы катушки мы можем наблюдать 4 типа разрядов.

3. Выводы

В результате моих экспериментов, я убедился, что вокруг катушки Тесла, возникает электромагнитное поле высокой напряженности и высокой частоты, которое оказывает действие на светодиодные лампы, лампы заполненными инертными газами и они дают яркий свет. А в лампах накаливания возникает стример. лампочки загорались сами по себе у меня в руках на определенном расстоянии, значит, электрический ток может передаваться без проводов. Необходимо отметить и еще одну важную вещь: действие этой установки на человека: Как Вы заметили при работе меня не било током: токи высокой частоты, которые проходят по поверхности человеческого организма не причиняют ему вреда, наоборот, оказывают тонизирующее и оздоровительное действие, это используется даже в современной медицине. Однако надо заметить, что электрические разряды, которые Вы видели, имеют высокую температуру, поэтому долго ловить молнию руками не советую!

4. Современное применение идей Теслы:

• Переменный ток, впервые полученный Тесла, является основным способом передачи электроэнергии на большие расстояния
• Электрогенераторы, которые изобрел Никола Тесла, являются основными элементами в генерации электроэнергии на ГЭС, АЭС, ТЭС и т. д.
• Электродвигатели используются во всех современных 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.
• Беспроводные заряжающие устройства начинают использоваться для зарядки мобильных телефонов или ноутбуков.
• Оригинальные современные противоугонные средства для автомобилей работают по принципу все тех же катушек.
• Использование в развлекательных целях и в медицине.
  Выходное напряжение трансформатора Тесла может достигать нескольких миллионов вольт. Это напряжение в резонансной частоте способно к созданию внушительных электрических разрядов в воздухе, которые могут иметь длину многих метров, также, как и других явлений.
• Трансформатор использовался Теслой для генерации и распространения электрических колебаний, направленных на управление устройствами на расстоянии без проводов (телеуправление), беспроволочной связи (радио), и беспроволочной передачи энергии, которые все были им достигнуты. В начале столетия, трансформатор Тесла также нашел популярное использование в медицине. Пациентов обрабатывали высоко частотными токами, способными к путешествию через человеческое тело без вреда оказывая тонизирующее и оздоравливающе влияние.

Библиографический список

1. Учебник физики 11 класс, Г.Я.Мякишев Б.Б.Буховцев
2. http://teslacoil.ru/know-how/kak-sdelat-toroid-dlya-transformatora-tesla/
3. http://how-todo.ru/minitesla/
4. http://www.sdelaysam-svoimirukami.ru/727-kacher-brovina-i-transformator-tesla.html
5. http://cxem.net/tesla/tesla3.php
6. 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. http://www.tvc.ru/news/show/id/72249
8. http://library.raikevich.com/tesla/01.htm
9. Видео  https://www.youtube.com/watch?v=AhLnWoXdk3Q
10. Видео https://www.youtube.com/watch?v=ZreqLHROjBY 
11. http://bsvi.ru/kak-rabotaet-transformator-tesla-na-palcax-chast-1/