ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА Изготовление приборов по физике своими руками. Катушка Тесла.

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

Пугачёвская средняя общеобразовательная школа

Аннинского района Воронежской области

IX научно-практическая конференция учащихся

«Юность: творчество, поиск, успех»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Изготовление приборов по физике своими руками.

Катушка Тесла.

Выполнили  ученики  9 класса

Грибков Никита и Шмыглёв Владислав

Руководитель учитель физики

Ладенкова Ирина Владимировна

п. Пугачёвский-2017

Оглавление.

      Введение………………………………………………………..………...............3-4  стр.

1. Теоретическая часть

1. Учёный и изобретатель Никола Тесла …………………..…............5 стр.
2. Что представляет собой катушка Тесла………………..…............6-8 стр.

2. Практическая часть

1. Социологический опрос …………………………………….……  9 стр.
2. Сборка катушки Тесла…………….…………….…..…………......10 стр.
3.   Расчет основных характеристик изготовленной  катушки Тесла 11 стр.
4. Экспериментальные опыты применения катушки Тесла….……12 стр.
5. Современное применение идей Тесла…………………………..13 стр.

Заключение………………………………………………….……..................14-15 стр.

Список литературы……………………………………….……………….…..16 стр.

Введение.

          «Я, наконец, преуспел в создании разрядов, мощность которых значительно превосходит силу молний. Вам знакомо выражение «выше головы не прыгнешь»? Это заблуждение. Человек может все».

Никола Тесла

    В нашей школе существует хорошая традиция – создавать приборы для кабинета физики своими руками. Это помогает, во-первых, глубже изучить многие физические явления, во-вторых, оставить последующим поколениям готовые наглядные учебные пособия для уроков физики. У нас в кабинете есть простейший радиоприёмник, различные виды кристаллических решёток, прибор для определения плотности жидкости, пособия для демонстрации давления жидкости на различных уровнях и многое другое.

     Мы решили изготовить своими руками катушку Тесла. Устройство этого прибора  не изучается в школьной программе, но необычность и наглядность опытов с этим прибором будет очень полезно современным школьникам. Тем более, что личность самого Николы Тесла привлекала и привлекает в настоящее время многие пытливые умы. Тесла поражал своих знакомых и коллег удивительными экспериментами, в которых без труда и опаски он управлял высоковольтными генераторами, которые вырабатывали сотни, а иногда и миллионы вольт. Еще в 1900-х годах Тесла мог передавать на огромные расстояния ток без проводов, получить ток 100 млн.ампер и напряжение 10 тыс.вольт.

       Актуальность заключается в том, что в наше время, энтузиасты и ученые мира пытаются повторить опыты гениального ученого и найти их применение.

Цель исследования: Исследовать различные конструкции катушки Тесла, выбрать наиболее эффективную и простую в изготовлении, и на основе действующей установки провести эксперименты.

Задачи исследования: 1) Знакомство с биографией Николы Тесла и историей изобретения трансформатора Тесла.

2) Провести  социологический опрос среди учащихся и учителей МКОУ Пугачёвской СОШ.

 2) Поиск деталей и изготовление катушки Тесла.

3)  Проведение опытов, демонстрирующих работу трансформатора.

Методы и приемы исследования: Поиск информации в различных источниках. Эксперимент.

Этапы исследования:

1. Теоретическая часть. Изучение литературы по проблеме исследования.
2. Практическая часть. Изготовление трансформатора Тесла и демонстрация невероятных свойств электромагнитного поля катушки Тесла.

     Практическая значимость: результат работы носит просветительский характер,   это позволит, повысит заинтересованность учеников к углубленному изучению таких предметов, как физика, юных исследователей -  к исследовательской деятельности, и возможно для кого-то определит область дальнейшей деятельности.

Гипотеза: вокруг катушки Тесла образуется электромагнитное поле огромной напряженности, способное передавать электрический ток беспроводным способом.

 Теоретическая часть

       I.1.  Учёный и изобретатель Никола 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.                                     

     Именем Н. Теслы названа единица измерения плотности магнитного потока. 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. 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.

       Тесла работал инженером-электриком в правительственной телеграфной компании в Будапеште. 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.

1884 года Тесла прибыл в Нью-Йорк. Он устроился на работу в компанию Томаса Эдисона в качестве инженера по ремонту электродвигателей и генераторов постоянного тока.

         В 1888—1895 годах Тесла занимался исследованиями магнитных полей и высоких частот в своей лаборатории. Эти годы были наиболее плодотворными: он получил множество патентов. 

Одним из его самых знаменитых изобретений является Трансформатор (катушка) Тесла. Это — 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».

В конце 1896 года Тесла добился передачи радиосигнала на расстояние 48 км.

В Колорадо Спринс Тесла организовал небольшую лабораторию. Для изучения гроз Тесла сконструировал специальное устройство, представляющее собой трансформатор. 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.

      В преклонном возрасте Теслу сбила легковая машина, он получил перелом рёбер. Болезнь вызвала острое воспаление лёгких, перешедшее в хроническую форму. Тесла оказался прикован к постели.

     Тесла умер в ночь с 7 на 8 января 1943 года.

     I.2. Что собой представляет катушка Тесла?

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.

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 колебаний, то при тех же усилиях максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с трансформатором Теслы — в роли качелей выступает вторичный колебательный контур, а в роли прилагаемого усилия — генератор. Их согласованность («подталкивание» строго в нужные моменты  времени) обеспечивает первичный контур.

      Катушка Тесла обладает таким коэффициентом трансформации, который  в 10-50 раз больше, чем отношение количества витков на второй обмотке к первой. На выходе напряжение такого трансформатора может превышать несколько миллионов вольт. Именно это обстоятельство и обеспечивает возникновение зрелищных разрядов, длина которых может достигать сразу нескольких метров. Очень важно: и конденсатор, и первичная обмотка обязательно должны образовывать специфический колебательный контур, входящий в состояние резонанса с вторичной обмоткой. Принципиальная схема установки катушки Тесла предполагает силу тока 5-8 А.Максимально допустимое значение этой величины для выживания живого организма равно 10 А. Так что при работе следует помнить о простейших мерах предосторожности.

1. Практическая часть

     II.1 Социологический опрос среди обучающихся МКОУ Пугачёвской СОШ.

         В опросе приняло участие 25 учеников 7-9 классов и 7 учителей. Нужно было ответить на следующие  вопросы:

1. Слышали ли Вы об изобретениях Никола Тесла (катушка Тесла)?

2. Хотели бы Вы увидеть опыты с применением катушки Тесла?

        После обработки результатов, итог следующий: 17 человек (в том числе 7 учителей) слышали об изобретениях Тесла, 15 - не слышали. 7 человек видели видео экспериментов по сети Интернет, 8 не имеют представления, как выглядит катушка и ее применение. Все,  32 человека хотели бы  посмотреть результат исследовательской работы и опыты применения катушки Тесла.

II.2 Сборка катушки Тесла

Просмотрев большое количество схем и видео создания катушки Тесла, мы выбрали следующий вариант:

 Катушка, намотанная на каркасе от пластмассовой (сантехнической) трубы с диаметром 5 см. Первичная обмотка содержит всего 9 витков, провод диаметром 1,5 мм, был использован одножильный медный провод в резиновой изоляции. Вторичная обмотка содержит 1000 витков провода 0,1 мм. В качестве источники мы взяли стандартный блок питания на 24 В. Транзистор, два резистора, один из которых переменный.  Вторичная обмотка мотается аккуратно, виток к витку. Это устройство производит высокое напряжение при высокой частоте. Катушка Теслы - это демонстрационный генератор высокочастотных токов высокого напряжения. Устройство может быть использовано для беспроводной передачи электрического тока, на большие расстояния.

II.3  Расчет основных характеристик изготовленной  катушки Тесла

• ЭДС: 24 В. Стандартный блок питания.
• Сопротивление:  R=50075 Ом.  R= R1+ R2  (последовательное соединение)  Внутренним сопротивлением источника, проводов, обмоток посчитано необходимым,  пренебречь. 1)Переменный резистор (Реостат) 50 КОм. 2)Резистор 75 Ом.
• Сила тока: 0,5 мА. Рассчитано из закона Ома для полной цепи  I= ЭДС/ R+r

и проверено амперметром.  

• Частота колебаний: 200 МГц. Программа для рачсёта:
• Входное напряжение: 24 В.
• Выходное напряжение: ~2666,7 В.
• Коэффициент трансформации – это величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

K=U1/U2=N1/N2,    где

            N1 - число витков на первичной обмотке трансформатора

              N2- число витков на вторичной обмотке трансформатора

              U1 - напряжение на первичной обмотке трансформатора

              U2- напряжение на вторичной обмотке трансформатора

         при условии K < 1,   U2 > U1, N2> N1 – повышающий трансформатор

         при условии K >1, U1> U2, N1> N2 – понижающий трансформатор

       K=U1/U2 =24/2667=0,009 < 1  повышающий трансформатор

       K= N1/N2 =9/1000=0,009 < 1  повышающий трансформатор

Из расчётов получаем, чем больше число витков на вторичной обмотке, тем больше выходное напряжение  катушки.

       ВЫВОД: разряды катушки не являются опасными для человеческого организма при кратковременном воздействии, так как сила тока ничтожно мала, а частота и напряжение слишком высоки.

II.4  Экспериментальные опыты применения катушки Тесла

            Во время работы катушка Тесла создаёт красивые эффекты, связанные с образованием различных видов газовых разрядов. Многие люди собирают катушки Тесла ради того, чтобы посмотреть на эти впечатляющие, красивые явления.

          Катушка Тесла производит несколько видов разрядов:

• Спарк  — это искровой разряд. Также имеет место особый вид искрового разряда — скользящий искровой разряд.
• 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 (свечение ионов), создаваемая ВВ-полем трансформатора.
• Коронный разряд — свечение ионов воздуха в электрическом поле высокого напряжения. Создаёт красивое голубоватое свечение вокруг ВВ-частей конструкции с сильной кривизной поверхности.
• 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

            Некоторые ионные химические вещества, нанесённые на разрядный терминал, способны менять цвет разряда. Например, ионы натрия меняют обычный окрас спарка на оранжевый, а бора — на зелёный, марганца – на синий, лития – на малиновый окрас.

Демонстрация  №1. Демонстрация газовых разрядов.

Оборудование: катушка (трансформатор) Тесла.

При включении катушки, с терминала начинает выходить разряд, который в длину 1-2 мм.  Демонстрация №2. Демонстрация тлеющего разряда. Свечение спектральных трубок, наполненных инертными газами: гелием, водородом, неоном.

Оборудование: катушка (трансформатор) Тесла, набор спектральных трубок.

 При поднесении этих ламп к катушке Тесла, мы будем наблюдать, как газ, которыми наполнены трубки, будет светиться.

Демонстрация №3. Демонстрация разряда в люминесцентной лампе и лампе дневного света (ЛДС).

Оборудование: катушка (трансформатор) Тесла, люминесцентная  лампа, лампа дневного света.

Наблюдается разряд в люминесцентной лампе.

Демонстрация №4. Эксперимент с линейками.

Оборудование: катушка (трансформатор) Тесла, металлическая линейка, деревянная линейка.

При внесении металлической линейки в разряд стример ударяется об нее, при этом линейка остается холодной. При внесении деревянной линейки в разряд, стример быстро охватывает ее поверхность и через несколько секунд линейка становится тёплой Демонстрация №5. Эксперимент с бумагой.

Оборудование: катушка (трансформатор) Тесла, бумага.

При внесении бумаги в разряд, стример быстро охватывает ее поверхность и через несколько секунд бумага вспыхивает.

II.5  Современное применение идей Тесла

       Переменный ток является основным способом передачи электроэнергии на большие расстояния.

• Электрогенераторы являются основными элементами в генерации электроэнергии на ГЭС, АЭС, ТЭС и т. д.
• Электродвигатели, 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 начинают использоваться для зарядки мобильных телефонов или ноутбуков.

• Переменный ток, впервые полученный Тесла,  является основным способом передачи     электроэнергии на большие расстояния

• Оригинальные современные противоугонные средства для автомобилей работают по принципу все тех же катушек.
• Использование в развлекательных целях и шоу.
• Трансформатор использовался Теслой для генерации и распространения электрических колебаний, направленных на управление устройствами на расстоянии без проводов, беспроводной передачи данных  и беспроводной передачи энергии.
• 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.
• Основное его применение в наши дни — познавательно-эстетическое. В основном это связано со значительными трудностями при необходимости управляемого отбора высоковольтной мощности или тем более передача её на расстояние от трансформатора, так как при этом устройство неизбежно выходит из резонанса, а также значительно снижается добротность вторичного контура.

Заключение

      Одной из самых ярких, интересных и неординарных личностей среди ученых-физиков является Никола Тесла. Почему-то его несильно жалуют на страницах школьных учебников физики, хотя без его трудов, открытий и изобретений трудно представить себе существование обыденных, казалось бы, вещей, таких как, например, наличие электротока в наших розетках. Подобно Ломоносову, Никола Тесла опередил своё время и не получил заслуженного признания при жизни, впрочем, и поныне его труды не оценены по достоинству.

Тесла 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 Тесла".

Трансформатор (катушка) Тесла - удивительное устройство, позволяющее получить мощный интенсивный поток автоэлектронной эмиссии чрезвычайно экономичным способом. Однако его уникальные свойства и полезные применения далеко еще не исчерпаны.

Бесспорно, Никола Тесла является интересной фигурой с точки зрения на перспективу использования на практике его нетрадиционных идей. Сербскому гению удалось оставить заметный след в истории науки и техники.

Его инженерные разработки нашли применение в области электроэнергетики, электротехники, кибернетики, биофизике, медицине. Деятельность изобретателя окутана мистическими рассказами, среди которых надо выбрать именно те, в которых содержится правдивая информация, действительные исторические факты, научные достижения и конкретные результаты.

Вопросы, которыми занимался Никола 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 наших исследований  гипотеза подтвердилась: вокруг катушки Тесла образуется электромагнитное поле огромной напряженности, способное передавать электрический ток беспроводным способом:

• лампочки, наполненные инертным газом,  светятся вблизи катушки, следовательно, вокруг установки действительно существует электромагнитное поле высокой напряженности;
•  лампочки загорались сами по себе у меня в руках на определенном расстоянии, значит, электрический ток может передаваться без проводов.

Никола Тесла заложил основы новой цивилизации третьего тысячелетия и его роль нуждается в переоценке. Только будущее даст настоящее объяснение явлению Теслы.

Список литературы.

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/