Краснодарский край, г. Сочи

Муниципальное образовательное бюджетное учреждение Лицей № 59

Научная статья

на городскую научно-практическую конференцию школьников

«Первые шаги в науку»

по теме:

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЛЕСТНИЦЫ ИАКОВА

(возрастная категория «Юниор», естественнонаучная секция)

Выполнили:

МОХНАТКИН Ростислав Дмитриевич,

БЕДИКЯН Альберт Артурович,

ученики 5 «А» класса

МОБУ Лицей № 59

Научный руководитель:

Кокорина С.В.,

учитель физики

г. Сочи

2017

Содержание

Оглавление

Введение        4

Часть 1. Изучение свойств переменного тока как раздел современной физики        5

1.1.Развитие знаний об электричестве        5

1.2. Никола Тесла -  «человек, который изобрёл XX век»        7

Часть 2. Электрическая дуга и ее свойства        9

2.1. Электрическая дуга в приборах        9

2.2. Лестница Иакова Николы Тесла        10

2.3. Сборка Лестницы Иакова для демонстрации возникновения электрической дуги        12

Список использованной литературы        15

Секция: естественнонаучная

МОХНАТКИН Ростислав Дмитриевич,

БЕДИКЯН Альберт Артурович,

Краснодарский край, г. сочи

Муниципальное образовательное  

бюджетное учреждение

Лицей № 59 ученики 5 «А» класса

Научный руководитель:

Кокорина С.В.,

учитель физики

Аннотация

Данная работа проводилась в рамках курса «Введение в физику» в 5-6 классах.

Цель работы:

-изучить историю развития знаний об электричестве, использования этих знаний для создания полезных приборов;

- определить, почему имя Николы Тесла связывают с новейшими разработками радиоэлектроники;

 - на примере одного из изобретений исследовать возможность реализации разработок  Н. Теслы в современных условиях.

Задачи работы:

- определить начало изучения электризации тел как основу нового направления в физике;

- установить какие изобретения Николы Тесла мы используем в современном мире;

- экспериментальным путем установить возможность или не возможность реализации его проекта Лестница Иакова в лабораторных условиях из бытовых приборов.

Выполняя поэтапно задачи данного проекта, мы пришли к следующим выводу, что история изучения электризации тел как раздела физики началась относительно недавно 400 лет назад. За  эти годы было совершено очень много открытий в данной области, благодаря которым  развилась химия, электростатика, электродинамика, радиоэлектроника и робототехника.  Множество приборов в современном мире основаны на разработках сербского ученого Николы Тесла. Но еще больше его идей ждут своего развития.

Секция: естественнонаучная

МОХНАТКИН Ростислав Дмитриевич,

БЕДИКЯН Альберт Артурович,

Краснодарский край, г. сочи

Муниципальное образовательное  

бюджетное учреждение

Лицей № 59 ученики 5 «А» класса

Научный руководитель:

Кокорина С.В.,

учитель физики

Введение

Электричество и электрические приборы в современном мире настолько прочно вошли в нашу жизнь, что человеку трудно даже пару часов  не прибегать к помощи электроприборов: телефон, ноутбук, микроволновая печь, телевизор, электричка, искусственное освещение и многие другие приборы. Но так было не всегда. Всего сто лет назад мир был совсем другим.

Открытия в области физики и изобретение электрических приборов и механизмов упростили жизнь человека и привели человечество к развитию промышленности.

Данное исследование проводилось для того, чтобы определить кто из ученых внес весомый вклад в развитие изучения электризации тел; какие изобретения продолжают существовать и приносить пользу человечеству.

В процессе работы мы выяснили, что большая часть современных приборов созданы на основе изобретений сербского ученого Николы Тесла: пульт дистанционного управления, беспроводное зарядное устройство, электродвигатели,  флуорисцентные лампы, неоновая реклама и многое другое. За свою жизнь Тесла получил более 800 патентов на изобретения. Многие из них еще не нашли своего применения в современном мире.

Одно из таких изобретений мы попробовали воссоздать. Для этого схема Теслы была немного доработана и упрощена. В результате мы получили Лестницу Иакова практически такую же как и в экспериментах сербского ученого.

Никола Тесла считал, что с помощью Лестницы Иакова человечество сможет реализовать беспроводную передачу электроэнергии на большие расстояния. Мы надеемся, что в скором времени эта его идея будет реализована современными учеными.

Секция: естественнонаучная

МОХНАТКИН Ростислав Дмитриевич,

БЕДИКЯН Альберт Артурович,

Краснодарский край, г. сочи

Муниципальное образовательное  

бюджетное учреждение

Лицей № 59 ученики 5 «А» класса

Научный руководитель:

Кокорина С.В.,

учитель физики

Часть 1. Изучение свойств переменного тока как раздел современной физики

 1.1.Развитие знаний об электричестве

До конца 16 века все знания человечества об электричестве ограничивались очень любопытным, но бесполезным опытом: янтарь, потертый кусочком шерсти, притягивал мелкие предметы. Человечество понятия не имело, что такие пугающе молнии, возникающие во время грозы, могут иметь хоть какое-то отношение к данным свойствам янтаря.

«Термин «Электричество» («янтарность») введён английским етествоиспытателем Уильямом Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие вещества» [1] .

 Дальнейшее изучение электрического тока, пока без разделения на постоянный и переменный, продолжилось лишь в XVII веке. И за пару сотен лет ученые продвинулись очень далеко. 

Первые опыты Луиджи Гальвани в середине 17 века касались в первую очередь физиологии: при воздействии электрического тока на тело лягушки, ее мышцы сокращались. Описанные опыты заинтересовали физиков. Англичане Карлейл  и Николсон повторили опыты своего коллеги, придя к выводу, что в определенных условиях электричество, пропущенное через воду, заставляет ее разлагаться на составные элементы. Подобные эксперименты в конечном итоге дали стимул развитию химии.

Первые опыты и приборы проводились с постоянным током. Постоянным называют ток, полярность которого в любой момент остается неизменной. 

Возникновение электрической дуги впервые было описано в 1802 году русским учёным В. Петровым в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков» (Санкт-Петербург, 1803). «Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.» [2].

Кроме того, Петров наблюдал явление электрического разряда между концами слегка разведенных углей как в воздухе, так и в других газах и вакууме. Он не только описал открытое им явление, но и указал на возможность его использования для освещения или плавки металлов и тем самым впервые высказал мысль о практическом применении электрического тока. С этого момента и должно начинать историю развитие электротехники как самостоятельной отрасли.

В конце 19 века большой прорыв в изучении и использовании электричества в промышленности и быту произошел благодаря конкуренции двух ученых: Томаса Эдисона и Николы Тесла. Между двумя компаниями развязалась острая конкурентная борьба, известная под названием «Война токов». Томас Эдисон был создателем «Континентальной компании Эдисона» (Continental Edison Company), в которой начал свой путь Никола Тесла. Эдисон довольно холодно воспринимал новые идеи Теслы и всё более открыто высказывал неодобрение направлением личных изысканий изобретателя.  Томас Эдисон был сторонником использования постоянного тока. Его корпорация зарабатывала на  этом огромные деньги, производились приборы для использования при постоянном токе.

Никола Тесла всегда был сторонником переменного тока. Он не один раз доказывал, что при транспортировке переменного тока меньше потери напряжения. Переменный ток можно подавать на большие расстояния с меньшими затратами, а значит это позволит уменьшить стоимость такой энергии и сделать ее более доступной.

Все изобретения Николы Тесла были рассчитаны на применение их в условиях переменного тока. Он очень хотел изобрести способ «консервирования» электрической энергии молний. Считал, что благодаря этому, электричество будет практически бесплатным, каждый человек сможет использовать его.

Секция: естественнонаучная

МОХНАТКИН Ростислав Дмитриевич,

БЕДИКЯН Альберт Артурович,

Краснодарский край, г. сочи

Муниципальное образовательное  

бюджетное учреждение

Лицей № 59 ученики 5 «А» класса

Научный руководитель:

Кокорина С.В.,

учитель физики

1.2. Никола Тесла -  «человек, который изобрёл XX век»

Никола Тесла - самый гениальный и удивительный ученый 19-20 веков. Созданные им изобретения всегда были на много впереди современной науки. Он создавал их,  основываясь на своих личных представлениях о физике. Его мало кто понимал, и многие высмеивали, но, тем не менее, его творения живут до сих пор. Он просто опередил свое время. Наиболее удивительные изобретения Николы Теслы примечательны тем, что оказали или могут оказать невероятное влияние на нашу жизнь.

Изобретение переменного тока Николой Тесла наделало большой переполох на Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году. Оно положило начало непримиримой войне между взглядами Эдисона и Теслы на то, как должно производиться и распространяться электричество. Причём это разделение можно описать в терминах стоимости и безопасности: постоянный ток, идею которого поддерживал Эдисон (и компания General Electric) был дорог для передачи на большие расстояния и производил опасные разряды на требовавшемся для его работы конвертере (коммутаторе). Однако Эдисон и те, кто его поддерживал, сумели использовать эти «опасности» электрического тока, чтобы внушить общественности страх перед альтернативой Теслы – переменным током. Для подтверждения своих слов Эдисон иногда демонстрировал убийства животных электрическим током.

Многие изобретения Теслы используются и сейчас. Это:

- переменный ток является основным способом передачи электроэнергии на большие расстояния;

- электрогенераторы являются основными элементами в генерации электроэнергии на ГЭС, АЭС, ТЭС ;

- электродвигатели используются во всех современных электропоездах, электроавтомобилях, трамваях, троллейбусах. А также в приборах, без которых мы не мыслим своей жизни:  вентиляторы, домашняя электроника, водяные насосы, электрические инструменты, дисковые накопители, электронные часы, компрессоры и многое другое;

- 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;

- флуоресцентные лампы Тесла разработал и использовал   в своей лаборатории за 40 лет до того, как их «открыла» промышленность. На Всемирной выставке Тесла взял стеклянные трубки и изогнул их в форме имён знаменитых учёных, фактически, впервые в мире создав неоновую рекламу. 

В 90-х годах XIX века Тесла первым сообщил о принятых им странных сигналах, возможно, инопланетного происхождения, а также первым публично продемонстрировал возможность передачи электрической энергии без проводов на большие расстояния. В своей лаборатории в Колорадо, в присутствии инженеров и журналистов, Никола Тесла продемонстрировал передачу без проводов, на расстояние 42 километра, энергии, достаточной для зажигания сотни электрических лампочек. Поэтому «Проектом века» тесла считал беспроводную  передачу электроэнергии на расстоянии. Но завершить этот проект ему не удалось, так как финансирование данных экспериментов прекратили энергетические магнаты. Им было не выгодно изобретение, с помощью которого электроэнергия была бы бесплатной для всех людей.

Еще одной из идей Николы Тесла была перспектива «консервирования  (сохранения) электрической энергии молний».

За свою долгую жизнь Н. Тесла сделал около 1000 различных изобретений и открытий, получил почти 800 патентов. В Белграде создан музей Н. Теслы, где собраны принадлежавшие ему вещи, его архив, который продолжает изучаться и до сих пор. Именем Теслы названа единица магнитной индукции.

Секция: естественнонаучная

МОХНАТКИН Ростислав Дмитриевич,

БЕДИКЯН Альберт Артурович,

Краснодарский край, г. сочи

Муниципальное образовательное  

бюджетное учреждение

Лицей № 59 ученики 5 «А» класса

Научный руководитель:

Кокорина С.В.,

учитель физики

Часть 2. Электрическая дуга и ее свойства

2.1. Электрическая дуга в приборах

Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом: при увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 — 5 В, а напряжение дугообразования — в два раза больше (9 — 10 В). Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона — до 6 В) [3].

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии. Именно частичное расплавление электрода используется  при электродуговой сварке, выплавке стали. Еще одно применение электрической дуги: в дуговых лампах.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с ней осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами.

2.2. Лестница Иакова Николы Тесла

Лестница Иакова (Якова) — один из наиболее известных и популярных экспонатов для музея интерактивной науки. Конструктивно лестница Иакова представляет собой высоковольтный генератор дугового разряда, создающий электрическую дугу между двумя длинными электродами. Расположение электродов в виде буквы V вызывает эффект подъёма дуги вверх за счёт конвекции горячего воздуха, который плазма электрической дуги нагревает в процессе работы прибора. Когда дуга доходит до верхней точки, она обрывается, и загорается снова снизу, двигаясь по кругу. Если фотографировать этот процесс на длинной выдержке, перепрыгивающая электрическая дуга выглядит похожей на одноимённую огненную лестницу из Библии, откуда и взято её название.

Несмотря на внешнюю простоту, лестница Иакова устроена достаточно сложно. Разработанная и построенная по современной инверторной технологии, она содержит в себе импульсный высоковольтный генератор, оборудованный защитами по току и по температуре транзисторов, и позволяющий полностью уместить всю конструкцию в лёгком и компактном корпусе. Конструкция генератора состоит из высокочастотного трансформатора, силовой части по топологии «полный мост», платы драйвера транзисторов, низковольтного источника питания для драйвера и реле запуска.

Установка состоит из трех основных частей:
1) Задающая часть
2) Высоковольтный трансформатор
3) Сама лестница [4].

Электрическая дуга в воздухе превращается в плазму, температура которой – 5000 ºС. Теплый воздух легче холодного, поэтому за счет конвекции он поднимается вверх, увлекая за собой дугу. Когда дуга достигает самого широкого промежутка между электродами, она обрывается. В этот же момент внизу электродов зажигается новый дуговой разряд, и процесс повторяется.

Секция: естественнонаучная

МОХНАТКИН Ростислав Дмитриевич,

БЕДИКЯН Альберт Артурович,

Краснодарский край, г. сочи

Муниципальное образовательное  

бюджетное учреждение

Лицей № 59 ученики 5 «А» класса

Научный руководитель:

Кокорина С.В.,

учитель физики        

2.3. Сборка Лестницы Иакова для демонстрации возникновения электрической дуги

Прежде, чем приступать к сбору данной установки необходимо внимательно изучить технику безопасности при работе с электричеством высокого напряжения и частоты!  Все работы необходимо проводить в обуви с резиновой подошвой. Обязательно под контролем  взрослых!

Для сбора  данной модели схема была упрощена.  Получился вариант, представленный на рисунке .

Первый вариант установки был без преобразователя напряжения: электрическая дуга возникала, но не поднималась вверх по  электродам. После установки преобразователя от микроволновой печи дуга стала подниматься вверх. И установка стала максимально похожа на вариант Лестницы Иакова, представленную Николой Тесла.

 В ходе экспериментов выяснилось, что на работу прибора оказывает большой влияние влажность окружающей среды. В ясную и сухую погоду дуга возникала и с легкостью поднималась по электродам вверх. В сыром помещении или после дождя дуга возникала, но не двигалась вверх. Как только мы дополнили схему высоковольтным преобразователем напряжения из микроволновой печи, дуга стала подниматься по электродам даже при высокой влажности в помещении. Это дает основание для дальнейших опытов и расчетов.

В наших планах также эксперименты с цветом разряда электрической дуги. Тесла в своих опытах предполагал, что материал электродов и их покрытие растворами солей могут влиять на цвет пламени. Интересно, отразится ли покрытие электродов на мощности и поведении дуги.

Мы экспериментируем и учимся новому. Тесла ведь говорил: «Действие даже самого крохотного существа приводит к изменениям во всей вселенной».

Секция: естественнонаучная

МОХНАТКИН Ростислав Дмитриевич,

БЕДИКЯН Альберт Артурович,

Краснодарский край, г. сочи

Муниципальное образовательное  

бюджетное учреждение

Лицей № 59 ученики 5 «А» класса

Научный руководитель:

Кокорина С.В.,

учитель физики

Список использованной литературы

1.  Спиридонов О. П. «Универсальные физические постоянные», М., «Просвещение», 1984, с. 52, ББК 22.3 С72
2. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — 2-е изд. — М.: Наука, 1992. — 536 с. 
3.  Калашников С. Г., Электричество, М., ГИТТЛ, 1956, гл. XII «Электромагнитные волны вдоль проводов», п. 261 «Стоячие волны в катушках», с. 592—593
4. http://cxem.net/tesla/tesla11.php