"Получение высоких напряжений в домашних условиях с помощью трансформатора Тесла"

Научно-практическая конференция школьников и студентов «Решение -2012»

Секция физико-математических  и технических наук

Получение высокого напряжения  в домашних условиях с помощью
трансформатора  Тесла

Зиновьев Алексей Викторович

г. Красновишерск

МОУ «СОШ № 8»

10 «Б»    класс

Ситдикова Талия Идрисовна

МОУ «СОШ № 8»

  учитель физики

г.Березники – 2012

Оглавление

Введение                                                                                                                   5                              

1 Трансформатор                                                                                                     7

1.2 Использование трансформатора Тесла

1.3 Эффекты, наблюдаемые при работе трансформатора Тесла

1.4 Влияние на организм человека

1.5 Использование в музыкальном искусстве

2 Конструирование трансформатора                                                                   14

2.1 Как работает «Качер Бровина»

2.2 Конструирование трансформатора

2.3 Проверка работы трансформатора

Заключение                                                                                                            16

Список источников и литературы                                                                       17

Приложения

Введение

В последние годы ТЕСЛАмания докатилась и до России — имя Николы Тесла сегодня популярно как никогда, все книги о великом изобретателе становятся бестселлерами, у телефильмов о нем рекордные рейтинги. Тесла величают «гением» и «повелителем Вселенной», о его изобретениях рассказывают легенды, ему приписывают полную власть над природой, пространством и временем.  В ответ поднимается волна «разоблачительных» публикаций, доказывающих, что слава Тесла непомерно раздута падкой на сенсации «желтой» прессой и основана не на реальных достижениях, а на саморекламе, что Тесла не серьезный ученый, а «гений пиара», что львиная доля его изобретений — всего лишь ловкие трюки, а его нашумевшие открытия — по большей части мистификация. Есть ли в этих обвинениях хоть доля истины? Заслужена ли громкая слава знаменитого изобретателя? И как отделить правду о нем от мифов? Проверить один из мифов, миф о трансформаторе, наша задача.

Мы выдвинули гипотезу: предположим, что трансформатор Тесла можно сконструировать в домашних условиях.

В ходе работы мы попытаемся создать трансформатор и проверить его действие с помощью индикаторов.

Прежде всего, мы поставили перед собой цель:

создание трансформатора Тесла в домашних условиях и

        исследование высокого напряжения, создаваемого  

        трансформатором Тесла

Для достижения цели были  поставлены  следующие задачи:

Проанализировать электрическую схему трансформатора, предложенную в литературе;

Определить,  какие элементы схемы требуют замены;

Сконструировать трансформатор;

Проверить работу трансформатора с помощью индикаторов.

В работе были использованы  эмпирические методы исследования (изучение литературы и источников, сравнение, эксперимент).

1 Трансформатор Тесла

Трансформа́тор Те́сла, также катушка Тесла  — устройство, изобретённое Николой Тесла и носящее его имя. Является резонансным трансформатором, производящим высокое напряжение высокой частоты. Прибор был заявлен патентом США № 568176 от 22 сентября 1896 года, как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».

Работу резонансного трансформатора можно объяснить на примере обыкновенных качелей. Если их раскачивать в режиме принудительных колебаний, то максимально достигаемая амплитуда будет пропорциональна прилагаемому усилию. Если раскачивать в режиме свободных, резонансных колебаний, то при усилиях равных с принудительными колебаниями, максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с трансформатором Тесла - в роли качелей выступает вторичный колебательный контур, а в роли прилагаемого усилия - генератор. Их согласованность ("подталкивание" строго в нужные моменты времени) обеспечивает первичный контур или задающий генератор (в зависимости от устройства).

 Модификации трансформаторов Тесла

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.

На данный момент существуют:

SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор тесла на разряднике. Самая первая и "классическая” конструкция (ее использовал сам Тесла). В качестве ключевого элемента использует разрядник. В маломощных конструкциях разрядник – просто два куска провода, находящихся на некотором расстоянии, а в мощных – сложные вращающиеся разрядники. Трансформаторы этого типа идеальны, если вам нужна только большая длина стримера.[5]

VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор тесла на лампе. В качестве ключевого элемента используется мощная радиолампа. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и выдавать толстые стримеры. Этот тип чаще всего используют для высокочастотных тесел, которые из-за характерного вида своих стримеров получили название "факельник”.[5]

SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil) – трансформатор тесла, в котором в качестве ключевого элемента используются полупроводники. Обычно это MOSFET или IGBT транзисторы. Этот тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых этой катушкой, может быть самый различный. Этим типом Тесел проще всего управлять (играть музыку, к примеру).[5]

DRSSTC (ДРССТЦ, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – трансформатор с двумя резонансными контурами, в котором в качестве ключей используются полупроводники, в подавляющем большинстве случаев, это IGBT транзисторы. ДРССТЦ – самый сложный в изготовлении и настройке тип трансформаторов тесла. Характерная длина стримеров трансформатора этого типа немного меньше чем у SGTC, а управляемость немногим хуже, чем у SSTC.[5]

В аббревиатурах названий катушек Тесла, питаемых постоянным током, часто присутствуют буквы DC, например DCSGTC.

 Использование трансформатора Тесла

Выходное напряжение трансформатора Тесла может достигать нескольких миллионов вольт. Это напряжение в резонансной частоте способно создавать внушительные электрические разряды в воздухе, которые могут иметь многометровую длину. Эти явления очаровывают людей по разным причинам, поэтому трансформатор Тесла используется как декоративное изделие. Трансформатор использовался Тесла для генерации и распространения электрических колебаний, направленных на управление устройствами на расстоянии без проводов (радиоуправление), беспроводной передачи данных (радио) и беспроводной передачи энергии. 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 (скин-эффект, Дарсонвализация), оказывая при этом «тонизирующее» и «оздоравливающее» влияние. Неверно считать, что трансформатор Тесла не имеет широкого практического применения. Он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах. Также, он изготавливается многими любителями высоковольтной техники ради сопровождающих её работу эффектов.

 Эффекты, наблюдаемые при работе трансформатора Тесла

Во время работы катушка Тесла создаёт красивые эффекты, связанные с образованием различных видов газовых разрядов. Многие люди собирают трансформаторы Тесла ради того, чтобы посмотреть на эти впечатляющие, красивые явления. В целом катушка Тесла производит 4 вида разрядов:

Стримеры (от англ. Streamer) — тускло светящиеся тонкие разветвлённые каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщеплённые от них свободные электроны. Стример протекает от терминала (или от наиболее острых, искривлённых ВВ-частей) катушки прямо в воздух, не уходя в землю, так как заряд равномерно стекает с поверхности разряда через воздух в землю. Стример — это, по сути дела, видимая ионизация воздуха (свечение ионов), создаваемая ВВ-полем трансформатора.[6]

Спарк (от англ. Spark) — это искровой разряд. Идёт с терминала (или с наиболее острых, искривлённых ВВ частей) непосредственно в землю или в заземлённый предмет. Представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвлённых полосок — искровых каналов. Также имеет место особый вид искрового разряда — скользящий искровой разряд.[6]

Коронный разряд — свечение ионов воздуха в электрическом поле высокого напряжения. Создаёт красивое голубоватое свечение вокруг ВВ-частей конструкции с сильной кривизной поверхности.[6]

Дуговой разряд — образуется во многих случаях. Например, при достаточной мощности трансформатора, если к его терминалу близко поднести заземлённый предмет, между ним и терминалом может загореться дуга (иногда нужно непосредственно прикоснуться предметом к терминалу и потом растянуть дугу, отводя предмет на большее расстояние). Особенно это свойственно ламповым катушкам Тесла. Если катушка недостаточно мощна и надёжна, то спровоцированный дуговой разряд может повредить её компоненты.[6]

Часто можно наблюдать (особенно вблизи мощных катушек), как разряды идут не только от самой катушки (её терминала и т. д.), но и в её сторону от заземлённых предметов. Также на таких предметах может возникать и коронный разряд. Редко можно наблюдать также тлеющий разряд. Интересно заметить, что некоторые ионные химические вещества, нанесённые на разрядный терминал, способны менять цвет разряда. Например, ионы натрия меняют обычный окрас спарка на оранжевый, а брома — на зелёный.

Работа резонансного трансформатора сопровождается характерным электрическим треском. Появление этого явления связано с превращением стримеров в искровые каналы, которые сопровождаются резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющейся в них. Каждый канал быстро расширяется, в нём скачкообразно повышается давление, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры.

Многие люди считают, что катушки Тесла — это особенные артефакты с исключительными свойствами. Существует мнение, что трансформатор Тесла может быть генератором свободной энергии и является вечным двигателем, исходя из того, что сам Тесла считал, что его генератор берёт энергию из эфира (особой невидимой материи, в которой распространяются электромагнитные волны) через искровой промежуток. Иногда можно услышать, что с помощью «Катушки Тесла» можно создать антигравитацию и эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния без проводов. Однако следует подчеркнуть, что в многочисленной практике  ни один из перечисленных эффектов не наблюдается. Хотя передача энергии без проводов имеет место, коэффициент полезного действия  подобного способа транспортировки энергии крайне низок, как и сравнительно мало максимальное расстояние между передающей катушкой и приемной, на котором передача энергии более-менее эффективна.

Также стоит отметить, что катушка Тесла - это обыкновенный резонансный трансформатор. Его принцип работы легко описывается и рассчитывается по классическим формулам, а результат работы на практике всегда предсказуем. Однако в наше время в интернете существуют целые сообщества людей, среди которых абсурдные и лженаучные теории относительно работы резонанс - трансформатора пользуются популярностью и выставляются как нечто необъяснимое и неисследованное, непризнанное современной наукой, но являющееся неоспоримым фактом. Всех их объединяет одно - непризнание такой вещи, как научный эксперимент, который является одним из основных критериев научности эмпирической теории. Приближенно суть можно объяснить так: теория может быть признана научной только в том случае, если она была подтверждена экспериментально, когда данные, полученные одним учёным, легко воспроизводимы и другими исследователями. Таким образом,  такие идеи, как левитация и антигравитация с помощью катушки Тесла никогда не станут отторгаться современной наукой как нечто невозможное в принципе, безосновательно - невозможность реализации этих идей подтверждена экспериментально.

 Влияние на организм человека

Так как напряжение на выходе данного трансформатора является переменным высокочастотным, а ток чрезвычайно мал, то,  несмотря на потенциал в миллионы вольт, разряд в тело человека не может вызвать остановку сердца или другие серьезные повреждения организма, не совместимые с жизнью. В противоположность этому, другие высоковольтные генераторы, например, высоковольтный умножитель телевизора, и иные бытовые высоковольтные  генераторы постоянного тока, имеющие несравненно меньшее выходное напряжение — порядка 25000 В — являются смертельно опасными, так как имеют не совместимые с жизнью значения тока на выходе. Существует также мнение относительно опасности электромагнитного поля катушки Тесла, которое сформировалось благодаря впечатлениям от внушительных разрядов в воздухе. Однако это утверждение не является верным, так как мощности электромагнитного поля трансформатора Тесла хватает лишь на поддержание работы устройства, поэтому его величина и мощность не способны причинить никакого вреда человеческому организму.

 Использование в музыкальном искусстве

Американская группа ARC ATTACK использует трансформаторы Тесла в качестве источника звуков. То есть разряд, создаваемый трансформатором, может звучать, «петь». Российская команда Tesla-FX утверждает, что впервые сыграла гимн России на созданной ими музыкальном трансформаторе Тесла. Волгоградская группа музыкантов Tesla Music Band так же играет  музыку с помощью музыкальных трансформаторов Тесла. Эта музыка даёт рождение новому жанру в искусстве. Жанру музыки Тесла. Для записи песни «Thunderbolt» с альбома Biophilia певица Бьорк также использовала катушку Тесла для создания звуков, имитирующих разряды молний. Трансформатор Тесла может применяться для создания спецэффектов в различных шоу. Шоу Full-Moon-Party с использованием двух трансформаторов Тесла прошло в ночь с 13 на 14 августа 2011 года в Москве в клубе Arena-Moscow. Первое в России шоу  с трансформаторами Тесла состоялось 21 мая 2011г. на презентации нового Феррари FF в подмосковной Барвихе.

2 Конструирование трансформатора Тесла

2.1 Как работает «качер Бровина»

Качер работает по принципу блокинг-генератора (Приложение 1). При подаче питания на схему происходит открытие транзистора, течёт ток через эмиттер-коллектор на первичную обмотку. Проходя через первичную обмотку ток, наводит ЭДС во вторичной обмотке, вызывая появление отрицательного потенциала на базе транзистора, тем самым закрывает его. Ток в первичной обмотке пропадает, транзистор открывается. И цикл повторяется.

2.2 Конструирование трансформатора

Порядок конструирования трансформатора отражён в Приложение 1.

Для создания трансформатора за основу взята схема «Качера Бровина» (Приложение 2) и доработана  (Приложение 3). При сборке устройства использовались следующие элементы:

C1, C2, C4, C5 – 3.7 нФ

С3, C6 – 0,22 мкФ

С7 – 10 мкФ 400В

L1 – Дроссель от ЛДС (ограничение тока до 4 ампер)

L2 –5 витков

L3 - ~1500 витков

VD1 – D3SB60 (600В 4А)

VD2, VD3 – 1N5400 (50В 3А)

VD4 – светодиод 12В

TV1 – ферритовый дроссель

TV2 – трансформатор  на вторичной обмотке 24В 1А

R1 – 100 кОм

R2 – 100 кОм (многооборотный)

R3 – 47 кОм

VT1 – MJE13007 (700в 8А)

М1 – кулер от компьютерного блока питания

2.3 Проверка работы трансформатора

Порядок работы системы прост:

произвести заземление системы с помощью провода на близко расположенные металлические предметы большой массы и размера (батарея центрального отопления);

включить трансформатор в бытовую сеть, рассчитанную на 220В;

поднести индикатор к терминалу, произвести наблюдение                     эффекта.

Проверить работу трансформатора решили с помощью простейших элементов, таких как лампа накала, газоразрядных ламп. Также в работе были использованы острые предметы, на острие которых создается разряд. Достаточно расположить газоразрядные лампы вблизи трансформатора Тесла, работающего от сети 220В, как в них создается газовый разряд.

Заключение

Одним из наиболее  эффективных методов проверки теории является эксперимент. Проверить теорию по созданию электрического устройства можно только собрав данное устройство и проверив его работу. В ходе работы мы подтвердили выдвинутую гипотезу, о создании трансформатора в домашних условиях. В своей работе мы описали создание трансформатора Тесла, проверку его работы с помощью простейших индикаторов: лампа накала, люминесцентная лампа, энергосберегающая лампа, острые предметы и т.д.  

Данная работа предполагала проверку одного из мифов современности – миф о трансформаторе, и сейчас можно с полной уверенностью сказать, что  миф разрушен, трансформатор действительно можно собрать  (даже в домашних условиях) и проверить его работу. Цель работы полностью достигнута. Для достижения целей,  работа осуществлялась согласно плану:

1.анализ электрической схемы, предложенной в литературе;

2.определение состава элементов, необходимых для сборки  

   электрической цепи;

3.конструирование трансформатора;

4.проверка работы на практике с помощью индикаторов.

В заключении можно сделать вывод: любую теорию или миф можно подтвердить или опровергнуть только с помощью эксперимента, т.к. эксперимент является одним из наиболее эффективных методов работы.

Выводы: результат данной работы в очередной раз доказывает истину о том, что теорию нужно доказывать опытным путем, путем эксперимента. Использовать данное устройство предполагается на уроках физики в 10 классе при рассмотрении темы «Газовые разряды», а также применять для демонстраций с целью привлечения учащихся к изучению предмета.

Список источников и литературы

Ржонсницкий Б. Н. Выдающийся электротехник Никола Тесла (1856—1943).  Вопросы естествознания и техники. Институт естествознания и техники АН СССР. Выпуск I. Москва. 1956. С. 192

Ржонсницкий Б. Н. Жизнь, отданная науке (Никола Тесла). // Огонёк, 1956. № 28.  С. 29

Сарич Ж. Посвящённый. Роман о Николе Тесле.-М: Дельфис, 2010, -345 с.

Яворский Б.М. Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М:Наука,1968. -939 с.

http://www.tesla.chisar.net/index.php/2010/05/kniga-nikola-tesla-lozh-i-pravda-o-velikom-izobretatele/

www.radiokot.ru

www.wikipedia.ru 

www.radiotechnik.ucoz.ru/

Приложение 1

                                                                                                    Приложение 2

Приложение 3