«Катушка Теслы: прошлое, настоящее, будущее»

Интерес к данной теме возник во время прочтения увлекательной книги профессора университета Вирджинии (США) Бернарда Карлсона. Эта книга называется «Никола Тесла: Изобретатель будущего». В ней автор приводит результаты своего исследования жизни и творчества легендарного изобретателя. Критики часто пишут, что это «новаторская» книга, и она, действительно, произвела на меня большое впечатление. Известные факты биографии ученого здесь представлены по-новому, автор анализирует исторический контекст и объясняет предпосылки гениальных изобретений Тесла, который опередил своё время, но не получил заслуженного признания при жизни. В книге есть много уникальных фотографий.

В современном высокотехнологичном мире уже возникают трудности с передачей электроэнергии. Сейчас мы можем передавать её на разные расстояния в основном по проводам. Одно из изобретений Николы Теслы, сделанное им в далёком 1891 году, может помочь нам справиться с этими трудностями. Речь идёт об электрическом резонансном трансформаторе, который также называется катушкой Теслы. Даже в современном мире мы используем его, чтобы передавать электроэнергию на небольшом расстоянии с помощью электромагнитного поля. Но его создатель мечтал, что все человечество будет иметь возможность использовать недорогое (а может быть даже бесплатное), беспроводное, доступное каждому электричество. Уже предпринимаются попытки передачи энергии высокой мощности без проводов, с использованием электромагнитных волны (например, компания «Emrod» из Новой Зеландии).

Перспективность этого направления современной науки и техники обуславливает актуальность и данного проекта. Идеи гениального изобретателя могут стать реальностью в ближайшем будущем, поэтому изучение истории, современного и будущего применения катушки Тесла представляется значимым и своевременным.

Тип проекта

Этот проект является исследовательским. В нем я попытаюсь проанализировать возможность применения трансформатора Теслы в будущем.

Формулировка проблемы

Принимая во внимание ограниченное применение катушки Теслы на настоящем этапе, можно ли утверждать, что это изобретение имеет большое потенциал и может быть использовано в промышленных масштабах в ближайшем будущем?

Цель проекта

Целью данного проекта является изготовление катушки Теслы в домашних условиях и проведение экспериментов на основе собранной установки.

Задачи проекта

Проект состоит из теоретической и практической части.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить историю данного изобретения;

- изучить практическое применение катушки Теслы;

- изготовить трансформатор Теслы;

- провести опыты, которые демонстрируют работу катушки;

- проанализировать свойства электромагнитного поля, генерируемого катушкой Теслы.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Объект и предмет

Объектом настоящего исследования является трансформатор Теслы, а предмет изучения - электромагнитное поле катушки, высокочастотные разряды в газе.

Гипотеза

Проблема ограниченного применения трансформатора Теслы из-за маленького радиуса электромагнитного поля может быть решена благодаря новым технологиям беспроводной передачи энергии в ближайшем будущем.

Анализ проблемы

1.Никола Тесла и его изобретения

Имя Николы Теслы известно многим. Его предки были из Сербии, родился он в 1856 году в деревне Смилян на территории нынешней Хорватии, а большинство изобретений создал, будучи гражданином США.

Изобретения Теслы в области электротехники и радиотехники имели инновационное значение и заложили основы развития современной науки и техники. В возрасте 25 лет учёный работал над использованием вращающегося магнитного поля в электродвигателе. В 1882 году Тесла создал модель асинхронного электродвигателя. В 1885 году он усовершенствовал машину Томаса Эдисона. В то время электростанции Эдисона передавали постоянный электрический ток низкого напряжения только на очень короткие расстояния из-за значительных потерь энергии в процессе. Тесла тщетно пытался убедить своего Эдисона в необходимости использовать переменный ток, который не был столь зависим от протяжённости проводов. В 1888 году Тесла все же удалось запатентовать первые двигатели переменного тока.

1888—1895 годы считаются самыми плодотворными в его карьере: Тесла запатентовал большинство своих изобретений (а их было более 700), одним из которых был «аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала» или же «катушка Тесла». В своей лаборатории в Колорадо-Спрингс Тесла построил мощный генератор, в нескольких сотнях метров от которого все лампы накаливания светились чистой беспроводной энергией. Но в то время беспроводная передача энергии была экономически невыгодной из-за того, что требовалось слишком большое количество энергии.

В 2008 году сотрудники фирмы Intel смогли воспроизвести опыты Николы Тесла 1894 года по беспроводной передаче энергии для свечения ламп накаливания с КПД, равным 75 %.

В 2015 году учёные из Вашингтонского университета выяснили, что электричество можно передавать посредством технологии Wi-Fi.

Но основная проблема последующих исследований в этой области заключалась в потерях большей части энергии. Первую в мире функциональную систему беспроводной передачи энергии на большие расстояния разработали в 2020 году в Новой Зеландии. Учёный Рэй Симпкин по заказу предпринимателя Грега Кушнира разработал прототип устройства беспроводной передачи электроэнергии, который в отличие от разработок Теслы, передаёт энергию напрямую между двумя антеннами. Он имеет также специальную лазерную систему безопасности. Она защищает периметр луча, отключая его в случае необходимости, например, если птица пересечёт периметр. Эта разработка может стать ключевой технологией в ближайшем будущем.

2. Устройство и принцип работы катушки Тесла

Простейший трансформатор или катушка Тесла состоит из двух катушек без общего сердечника, а также разрядника, конденсатора и тороида.

Принцип работы таков: конденсатор заряжается от высоковольтного источника питания, затем разряжается через искровой промежуток на первичную катушку. Таким образом, на вторичную катушку передается часть энергии, и возникают резонансные колебания, что приводит к возникновению на выходе высокого напряжения. Разряды с тороида могут достигать длины в несколько метров, но расстояние пробоя зависит от мощности и напряжения первичного контура. Трансформатор Тесла основан на использовании резонансных стоячих электромагнитных волн в катушках. Его первичная обмотка содержит небольшое число витков и является частью искрового колебательного контура, включающего в себя также конденсатор и искровой промежуток. Вторичной обмоткой служит прямая катушка провода. При совпадении частоты колебаний колебательного контура первичной обмотки с частотой одного из собственных колебаний (стоячих волн) вторичной обмотки вследствие явления резонанса во вторичной обмотке возникнет стоячая электромагнитная волна и между концами катушки появится высокое переменное напряжение.

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 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).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.

$C:\Users\Admin\Downloads\819484_1.png$

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. Если к нему поднести катушку с медной проволокой, то на его концах появится напряжение. А если поднести люминесцентные лампы, то они загораются сами по себе. Это происходит из-за того что вокруг катушки образуется мощное магнитное поле.

Сейчас существуют следующие виды катушек Тесла:

1) SGTC (Spark Gap Tesla Coil) – классическая катушка, созданная Теслой, которая использует разрядник;

2) VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор Тесла на лампе, ключевой элемент которого – мощная радиолампа. Такие трансформаторы могут работать непрерывно;

3) SSTC (Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла, в котором в качестве ключевого элемента используются полупроводники. Этот тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме;

4) DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – трансформатор с двумя резонансными контурами, в котором в качестве ключей используются полупроводники ДРССТЦ – самый сложный в изготовлении и настройке тип трансформаторов Тесла.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ И ВЫВОДЫ

Планируемые сроки и затраты

Проект потребовал электронику для сборки: транзистор, тонкая и толстая медные проволоки, резистор, конденсатор, батарейка типа «Крона», лампочка, макетная плата. Будет готов к концу февраля.

Развернутый план работы

Сделать заказ электроники для катушки:

- толстая и тонкая медная проволока (для первичной и вторичной обмотки)

- резистор (уменьшить сопротивление)

- транзистор (преобразовать сигнал)

- конденсатор (накопление энергии)

- батарейка типа «Крона»

- макетная плата

Составить схему катушки Тесла:

Собрать по схеме трансформатор:

Я взял пластмассовую трубку и намотал тонкую медную проволоку. Один конец проволоки вставил в макетную плату. Сделал пару витков толстой проволоки и вставил оба её конца в первый ряд макетной платы. Дальше я добавил транзистор, резистор и конденсатор. Осталось подключить к батарейке.

Провести опыты с лампочкой и зафиксировать результаты:

Экспериментальные опыты применения катушки Тесла

С готовой катушкой Тесла можно провести ряд интересных опытов, соблюдая правила безопасности. Для проведения опытов у вас должна быть очень надежная проводка, иначе беды не избежать. К выходной катушке высокого напряжения можно даже прикоснуться куском металла. Токи высоких частот при высоких напряжениях безопасны, поэтому можно прикоснуться к катушке.

Во время работы большая катушка Тесла создаёт красивые эффекты, связанные с образованием различных видов газовых 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, по сути дела, 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

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 бора — на зелёный, марганца – на синий, лития – на малиновый окрас.

Работа резонансного трансформатора сопровождается характерным электрическим треском. Появление это связано с превращением стримеров в искровые каналы, который сопровождается резким возрастанием силы тока и энергии, выделяющейся в них.

Поскольку моя катушка Тесла не большая, то нельзя провести с ней множество экспериментов. Поэтому я покажу простой, но эффектный фокус с лампочкой.

Опыт: лампа загорается, когда её подносят к катушке.

Оборудование: катушка Тесла, энергосберегающая лампа.

Итоговый продукт и ожидаемые результаты

Итоговый продукт: трансформатор Теслы.

Я думаю, что лампочка загорится благодаря электромагнитному полю, создаваемому катушкой, однако поле действия будет небольшое.

Анализ результатов проекта

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.

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.

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.

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 (из научно-популярной литературы).

Трансформатор Тесла, который я собрал в домашних условиях, не обладает высокой мощностью. Лампочка светится на расстоянии только до 5 миллиметров. С большими трансформаторами так же: радиус действия поля не такой большой, а затраты электроэнергии огромные. Поэтому катушки Тесла используются в современном мире для развлечения.

Однако, мне понравилось работать над проектом, так как сам процесс сборки и испытания прибора был очень интересный. Во время проведения опытов возникла проблема с транзистором, который сильно грелся. Я заменил транзистор, и всё заработало.

Учёные ищут способ сделать катушку лучше, как я писал в теоретической части. Может в ближайшем будущем, трансформатор Тесла будет ключевым способом передачи энергии. Никола Тесла заложил основы новой цивилизации третьего тысячелетия и его роль нуждается в переоценке. Только будущее даст настоящее объяснение явлению Теслы.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Глоссарий проекта

Высокочастотные разряды — вид газового разряда, возникающий в присутствии высокочастотного электромагнитного поля.

Дуговой разряд — один из видов самостоятельного электрического разряда в газе, характеризуемый высокой плотностью тока.

Коронный разряд — свечение ионов воздуха в электрическом поле высокого напряжения.

Трансформатор — это устройство, которое преобразует напряжения переменного тока.

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.

Электромагнитное поле — поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами.

Источники информации.

Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т./Под ред. Г. С. Ландсберга. Т.2. Электричество и магнетизм. – 10 изд. перераб. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы.
Тесла и его изобретения. http://www.374.ru/index.php?x=2007-11-19-20
Фейгин О. Никола Тесла: Наследие великого изобретателя. - М.: Альпина нон-фикшн, 2012.

Интернет-ресурсы:

https://habr.com/ru/company/skillfactory/blog/533240/
https://eksmo.ru/ebook/nikola-tesla-izobretatel-budushchego-ITD869016/
С сайта https://www.rutvet.ru
Никола Тесла: биография http://www.people.su/107683

Загадка Бабы-Яги

Злая мать и добрая тётя

Шелковая горка

Заповеди детства и юности

Лиса-охотница