Как устроена катушка тесла: Как мы делали самую большую катушку Тесла в России / Хабр

Принцип работы музыкальных Катушек Тесла

Любой звук это механическая волна в воздухе, которая характеризуется амплитудой и частотой. Определенной музыкальной ноте, которую играет музыкальный инструмент, соответствует своя частота, амплитуда при этом определяет громкость ноты. Например, ноте ДО малой октавы соответствует частота 130,81Гц, а ноте ЛЯ первой октавы соответствует частота 440Гц.

Любой повторяющийся процесс с частотой 440Гц, который вызовет колебания воздуха, будет восприниматься ухом похожим на ноту ЛЯ. Музыкальная Катушка Тесла работает именно по этому принципу.

При включении Катушка Тесла генерирует электрический разряд в воздухе, который вызывает фактическую детонацию и последующую звуковую волну. Используя описанный принцип и включая Катушку Тесла с нужной нам частотой, мы можем проигрывать музыкальные ноты последовательностью «микровзрывов». Пояснения этого процесса изображено на рисунке ниже. Для проигрывания ноты ЛЯ, с частотой 440Гц необходимо включать Катушку Тесла с частотой 880Гц т.е. в два раза большей, т.к. синусоидальная звуковая волна имеет положительную и отрицательную амплитуду за один период.

При этом Катушка Тесла играет некие «псевдо» ноты, что создает неповторимое электрическое звучание. Из рисунка видно что, чем ниже нота, тем реже включается Катушка Тесла и тем меньше потребляемая мощность, следовательно, разряд уменьшается и больше ветвится, а на высоких частотах разряд обретает мощь и громкость. Чередую высокие и низкие частоты можно добиться лучшего визуального восприятия композиции. Чтобы создать симметрию и разнообразие необходимо несколько раз играть высокие ноты на одной Катушке Тесла, а низкие на другой, а затем менять их местами.

Для проигрывания практически любой мелодии достаточно двух Катушек Тесла, каждая из которых независимо воспроизводит свою ноту, создавая стереозвучание.

ВАЖНО! В один момент времени одна Катушка Тесла может воспроизводить только одну ноту, это следует помнить при написании музыки (при этом возможно проигрывать на одной Катушке Тесла несколько нот одновременно, но это искажает звук и усложняет проект, поэтому этот режим не используется).

Как проигрывается музыка?

Для работы двух Катушек Тесла используется два миди канала — первый и второй. Каждая Катушка Тесла воспроизводит по одной ноте последовательно из своей миди дорожки.

Ноты поступают в пульт управления Катушками Тесла по миди кабелю. При этом пульт можно подключить к миди-синтезатору и проигрывать музыку в реальном времени, или подключить к компьютеру и проигрывать заранее записанные миди треки.

Катушки Тесла имеют ограниченный диапазон проигрывания нот. Рекомендуется использовать ноты от С1 (ДО контроктавы) до h5 (CИ первой октавы). Ноты в других октавах проигрываться пультом не будут. Это связано с плохим восприятием на слух очень низких нот и очень большой нагрузкой по мощности при более высоких нотах.

Рекомендуется оставлять оригинальный музыкальный трек, который будет воспроизводиться параллельно через мощные колонки. Это позволяет заполнить паузы, добавить басы и повысить узнаваемость мелодии.

Пример создания композиции в программе Cubase

Для примера ниже показаны обработанная композиция Баха Токката и фуга ре минор и видео с исполнением этой композиции.

Катушки Тесла

Высоковольтные испытательные стенды, называемые «Катушки Тесла», находятся на окраине города Истры. В советское время здесь зафиксировали искусственный разряд молнии длиной 150 метров. В наши дни этот полузаброшенный объект впечатляет лишь масштабом конструкций.

Источник: РИАМО. Автор: Мария Шуревская

История

Катушками, или Башнями Теслы в народе называют испытательные установки полигона ВНИЦ ВЭИ (Высоковольтного научно-исследовательского центра Всероссийского электротехнического института). Другое наименование объекта — генератор Аркадьева-Маркса. Комплекс построили в 1970-е годы для проведения испытаний прочности изоляции в электротехнике. Среди важных целей — защита самолетов от попадания молний и разработка сверхвысоковольтной импульсной техники.

В наши дни застать установки в работающем состоянии практически невозможно, исследования проходят крайне редко из-за их высокой стоимости. 

Источник: РИАМО. Автор: Мария Шуревская

Интересные факты

• Катушка Тесла — устройство, которое изобрел физик Никола Тесла. Он запатентовал прибор в 1896 году как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».
• Бытует мнение, что Советский Союз с помощью этих установок хотел получить сверхмощное оружие, которое бы изменило мир.

Источник: РИАМО. Автор: Мария Шуревская

Что посмотреть

• На полигоне размещены три крупных установки.
• Самая высокая башня — генератор импульсных напряжений, способный создавать электрические разряды длиной до 150 метров с напряжением в 9 миллионов вольт.
• Второй объект — каскад трансформаторов, который создает напряжение в 3,6 миллиона вольт.
• И последняя установка, напоминающая структуру кристаллической решетки, — это установка постоянного напряжения на 2,25 миллиона вольт.

Источник: РИАМО. Автор: Мария Шуревская

Как проехать

Варианта попасть на территорию два: с разрешения охраны или через бреши в заборах.

На электричке с Ленинградского вокзала до станции Новоиерусалимская, далее 1,5 км пешком.

На автомобиле по Волоколамскому шоссе до города Истра, далее по улице Панфилова на Почтовую улицу, далее прямо 1,5 км.

 

Схема трансформатора Тесла. Трансформатор Тесла

Катушка Тесла – это резонансный трансформатор, который создает высокое напряжение высокой частоты. Изобретен Теслой в 1896 году. Работа этого устройства вызывает очень красивые эффекты, подобные управляемой молнии, а их размеры и сила зависят от питаемого напряжения и электрической схемы.

В домашних условиях сделать катушку Тесла несложно, при этом эффекты ее очень красивые. Готовые и мощные такие приборы продаются в этом китайском магазине .

Не используя провода, с помощью предлагаемого высокочастотного трансформатора можно поддерживать свечение газонаполненных ламп (к примеру лампы дневного света). Кроме того, на конце обмотки формируется красивая высоковольтная искра, к которой можно прикасаться руками. Вследствие того, что входное напряжение на представленном генераторе будет невысоким, он относительно безопасен.

Техника безопасности при работе представленной схемы катушки Тесла

Помните, что нельзя включать это устройство около телефонов, компьютеров и других электронных аппаратов, так как они могут выйти из строя под действием его излучения.

Простая схема генератора Теслы

Для сборки схемы необходимы:

1. Медный эмалированный провод толщиной 0,1-0,3 мм, длиной 200 м.

2. Пластиковая труба диаметром 4-7 cм, длиной 15 см для каркаса вторичной обмотки.

3. Пластиковая труба диаметром 7-10 cм, длиной 3-5 см для каркаса первичной обмотки.

4. Радиодетали: транзистор D13007 и охлаждающий радиатор для него; переменный резистор на 50 кОм; постоянный резистор на 75 Ом и 0,25 вт; блок питания напряжением на выходе 12-18 вольт и током 0,5 ампера;
5. Паяльник, оловянный припой и канифоль.

Подобрав нужные детали, начните с намотки катушки. Наматывать следует на каркас виток к витку без перехлёстов и заметных пробелов, примерно 1000 витков, но не менее 600. После этого нужно обеспечить изоляцию и закрепить намотку, лучше всего для этого использовать лак, которым покрыть обмотку в несколько слоёв.

Для первичной обмотки (L1) используется более толстый провод диаметром 0,6 мм и более, обмотка 5-12 витков, каркас для неё подбирается хотя бы на 5мм толще вторичной обмотки.

Далее соберите схему, как на рисунке выше. Транзистор подойдет любой NPN, можно и PNP, но в этом случае необходимо поменять полярность питания, автор схемы использовал BUT11AF, из отечественных, которые ничем не уступают, хорошо подходят КТ819, КТ805.
Для питания качера – любой блок питания 12-30В с током от 0,3 А.

Параметры авторской обмотки Тесла

Вторичная – 700 витков проводом толщиной 0,15 мм на каркасе 4 см.
Первичная – 5 витков проводом 1,5мм на каркасе 5 см.
Питание – 12-24 В с током до 1 А.

Видео канала “How-todo”.

Катушка Тесла представляет собой высокочастотный резонансный трансформатор без ферромагнитного сердечника, с помощью которого можно получить высокое напряжение на вторичной обмотке. Под действием высокого напряжения в воздухе происходит электрический пробой, подобно разряду молнии. Устройство изобретено Николой Теслой, и носит его имя.

По типу коммутирующего элемента первичного контура, катушки Тесла подразделяются на искровые (SGTC – Spark gap Tesla coil), транзисторные (SSTC – Solid state Tesla coil, DRSSTC – Dual resonant solid state Tesla coil). Я буду рассматривать только искровые катушки, являющиеся самыми простыми и распространенными. По способу заряда контурного конденсатора, искровые катушки делятся на 2 типа: ACSGTC – Spark gap Tesla coil, а также DCSGTC – Spark gap Tesla coil. В первом варианте, заряд конденсатора осуществляется переменным напряжением, во втором используется резонансный заряд с подведением постоянного напряжения.

Сама катушка представляет собой конструкцию из двух обмоток и тора. Вторичная обмотка цилиндрическая, наматывается на диэлектрической трубе медным обмоточным проводом, в один слой виток к витку, и имеет обычно 500-1500 витков. Оптимальное соотношение диаметра и длины обмотки равно 1:3,5 – 1:6. Для увеличения электрической и механической прочности, обмотку покрывают эпоксидным клеем или полиуретановым лаком. Обычно размеры вторичной обмотки определяют исходя из мощности источника питания, то есть высоковольтного трансформатора. Определив диаметр обмотки, из оптимального соотношения находят длину. Далее подбирают диаметр обмоточного провода, так чтобы количество витков примерно равнялось общепринятому значению. В качестве диэлектрической трубы обычно применяют канализационные пластиковые трубы, но можно изготовить и самодельную трубу, при помощи листов чертежного ватмана и эпоксидного клея. Здесь и далее речь идет о средних катушках, мощностью от 1 кВт и диаметром вторичной обмотки от 10 см.

На верхний конец трубы вторичной обмотки устанавливают полый проводящий тор, обычно выполненный из алюминиевой гофрированной трубы для отвода горячих газов. В основном диаметр трубы подбирают равным диаметру вторичной обмотки. Диаметр тора обычно составляет 0,5-0,9 от длины вторичной обмотки. Тор имеет электрическую емкость, которая определяется его геометрическими размерами, и выступает в роли конденсатора.

Первичная обмотка располагается у нижнего основания вторичной обмотки, и имеет спиральную плоскую или коническую форму. Обычно состоит из 5-20 витков толстого медного или алюминиевого провода. В обмотке протекают высокочастотные токи, вследствие чего скин-эффект может иметь значительное влияние. Из-за высокой частоты ток распределяется преимущественно в поверхностном слое проводника, тем самым уменьшается эффективная площадь поперечного сечения проводника, что приводит к увеличению активного сопротивления и уменьшению амплитуды электромагнитных колебаний. Поэтому лучшим вариантом для изготовления первичной обмотки будет полая медная трубка, или плоская широкая лента. Над первичной обмоткой по внешнему диаметру иногда устанавливают незамкнутое защитное кольцо (Strike Ring) из того же проводника, и заземляют. Кольцо предназначено для предотвращения попадания разрядов в первичную обмотку. Разрыв необходим для исключения протекания тока по кольцу, иначе магнитное поле, созданное индукционным током, будет ослаблять магнитное поле первичной и вторичной обмотки. От защитного кольца можно отказаться, если заземлить один конец первичной обмотки, при этом попадание разряда не причинит вреда компонентам катушки.

Коэффициент связи между обмотками зависит от их взаимного расположения, чем они ближе, тем больше коэффициент. Для искровых катушек типичное значение коэффициента равно K=0,1-0,3. От него зависит напряжение на вторичной обмотке, чем больше коэффициент связи, тем больше напряжение. Но увеличивать коэффициент связи выше нормы не рекомендуется, так как между обмотками начнут проскакивать разряды, повреждающие вторичную обмотку.

На схеме представлен простейший вариант катушки Тесла типа ACSGTC.
Принцип действия катушки Тесла основан на явлении резонанса двух индуктивно связанных колебательных контуров. Первичный колебательный контур состоит из конденсатора С1, первичной обмотки L1, и коммутируется разрядником, в результате чего образуется замкнутый контур. Вторичный колебательный контур образован вторичной обмоткой L2 и конденсатором С2 (тор обладающий емкостью), нижний конец обмотки обязательно заземляется. При совпадении собственной частоты первичного колебательного контура с частотой вторичного колебательного контура, происходит резкое возрастание амплитуды напряжения и тока во вторичной цепи. При достаточно высоком напряжении происходит электрический пробой воздуха в виде разряда, исходящего из тора. При этом важно понимать, что представляет собой замкнутый вторичный контур. Ток вторичного контура течет по вторичной обмотке L2 и конденсатору С2 (тор), далее по воздуху и земле (так как обмотка заземлена), замкнутый контур можно описать следующим образом: земля-обмотка-тор-разряд-земля. Таким образом, захватывающие электрические разряды представляют собой часть контурного тока. При большом сопротивлении заземления разряды, исходящие из тора будут бить прямо по вторичной обмотке, что не есть хорошо, поэтому нужно делать качественное заземление.

После того как размеры вторичной обмотки и тора определены, можно посчитать собственную частоту колебаний вторичного контура. Здесь надо учитывать, что вторичная обмотка кроме индуктивности обладает некоторой емкостью из-за немалых размеров, которую надо учитывать при расчете, емкость обмотки необходимо сложить с емкостью тора. Далее надо прикинуть параметры катушки L1и конденсатора C1первичного контура, так чтобы собственная частота первичного контура была близка к частоте вторичного контура. Емкость конденсатора первичного контура обычно составляет 25-100 нФ, исходя из этого, рассчитывают количество витков первичной обмотки, в среднем должно получиться 5-20 витков. При изготовлении обмотки необходимо увеличить количество витков, по сравнению с расчетным значением, для последующей настройки катушки в резонанс. Рассчитать все эти параметры можно по стандартным формулам из учебника физики, также в сети есть книги по расчету индуктивности различных катушек. Существуют и специальные программы калькуляторы для расчета всех параметров будущей катушки Тесла.

Настройка осуществляется путем изменения индуктивности первичной обмотки, то есть один конец обмотки подсоединен к схеме, а другой никуда не подключается. Второй контакт выполняют в виде зажима, который можно перекидывать с одного витка на другой, тем самым используется не вся обмотка, а только ее часть, соответственно меняется индуктивность, и собственная частота первичного контура. Настройку выполняют во время предварительных запусков катушки, о резонансе судят по длине выдаваемых разрядов. Существует также метод холодной настройки резонанса при помощи ВЧ генератора и осциллографа или ВЧ вольтметра, при этом катушку запускать не надо. Необходимо взять на заметку, что электрический разряд обладает емкостью, вследствие чего собственная частота вторичного контура может немного уменьшаться во время работы катушки. Заземление также может оказывать небольшое влияние на частоту вторичного контура.

Разрядник является коммутирующим элементом в первичном колебательном контуре. При электрическом пробое разрядника под действием высокого напряжения, в нем образуется дуга, которая замыкает цепь первичного контура, и в нем возникают высокочастотные затухающие колебания, в течение которых напряжение на конденсаторе С1 постепенно уменьшается. После того как дуга гаснет, контурный конденсатор С1 вновь начинает заряжаться от источника питания, при следующем пробое разрядника начинается новый цикл колебаний.

Разрядник подразделяется на два типа: статический и вращающийся. Статический разрядник представляет собой два близко расположенных электрода, расстояние между которыми регулируют так чтобы электрический пробой между ними происходил в то время, когда конденсатор С1 заряжен до наибольшего напряжения, или немного меньше максимума. Ориентировочное расстояние между электродами определяют исходя из электрической прочности воздуха, которая составляет около 3 кВ/мм при стандартных условиях окружающей среды, а также зависит от формы электродов. Для переменного сетевого напряжения, частота срабатываний статического разрядника (BPS – beats per second) составит 100Гц.

Вращающийся разрядник (RSG – Rotary spark gap) выполняется на основе электродвигателя, на вал которого насажен диск с электродами, с каждой стороны диска устанавливаются статические электроды, таким образом, при вращении диска, между статическими электродами будут пролетать все электроды диска. Расстояние между электродами делают минимальным. В таком варианте можно регулировать частоту коммутаций в широких пределах управляя электродвигателем, что дает больше возможностей по настройке и управлению катушкой. Корпус двигателя необходимо заземлить, для защиты обмотки двигателя от пробоя, при попадании высоковольтного разряда.

В качестве контурного конденсатора С1 применяют конденсаторные сборки (MMC – Multi Mini Capacitor) из последовательно и параллельно соединенных высоковольтных высокочастотных конденсаторов. Обычно применяют керамические конденсаторы типа КВИ-3, а также пленочные К78-2. В последнее время намечен переход на бумажные конденсаторы типа К75-25, которые неплохо показали себя в работе. Номинальное напряжение конденсаторной сборки для надежности должно быть в 1,5-2 раза больше амплитудного напряжения источника питания. Для защиты конденсаторов от перенапряжения (высокочастотные импульсы) устанавливают воздушный разрядник параллельно всей сборке. Разрядник может представлять собой два небольших электрода.

В качестве источника питания для зарядки конденсаторов используется высоковольтный трансформатор Т1, или несколько последовательно или параллельно соединенных трансформаторов. В основном начинающие тесластроители используют трансформатор из микроволновой печи (MOT – Microwave Oven Transformer), выходное переменное напряжение которого составляет ~2,2 кВ, мощность около 800 Вт. В зависимости от номинального напряжения контурного конденсатора, МОТы соединяют последовательно от 2 до 4 штук. Применение только одного трансформатора не целесообразно, так как из-за небольшого выходного напряжения зазор в разряднике будет очень малым, итогом будут нестабильные результаты работы катушки. Моты имеют недостатки в виде слабой электропрочности, не рассчитаны для работы в длительном режиме, сильно греются при большой нагрузке, поэтому часто выходят из строя. Более разумно использовать специальные масляные трансформаторы типа ОМ, ОМП, ОМГ, которые имеют выходное напряжение 6,3 кВ, 10 кВ, и мощность 4 кВт, 10 кВт. Можно также изготовить самодельный высоковольтный трансформатор. При работе с высоковольтными трансформаторами не следует забывать о технике безопасности, высокое напряжение опасно для жизни, корпус трансформатора необходимо заземлить. При необходимости последовательно с первичной обмоткой трансформатора можно установить автотрансформатор, для регулировки напряжения зарядки контурного конденсатора. Мощность автотрансформатора должна быть не меньше мощности трансформатора T1.

Дроссель Lд в цепи питания необходим для ограничения тока короткого замыкания трансформатора при пробое разрядника. Чаще всего дроссель находится в цепи вторичной обмотки трансформатора T1. Вследствие высокого напряжения, необходимая индуктивность дросселя может принимать большие значения от единиц до десятков Генри. В таком варианте он должен обладать достаточной электропрочностью. С таким же успехом дроссель можно установить последовательно с первичной обмоткой трансформатора, соответственно здесь не требуется высокая электропрочность, необходимая индуктивность на порядок ниже, и составляет десятки, сотни миллигенри. Диаметр обмоточного провода должен быть не меньше диаметра провода первичной обмотки трансформатора. Индуктивность дросселя рассчитывают из формулы зависимости индуктивного сопротивления от частоты переменного тока.

Фильтр низких частот (ФНЧ) предназначен для исключения проникновения высокочастотных импульсов первичного контура в цепь дросселя и вторичной обмотки трансформатора, то есть для их защиты. Фильтр может быть Г-образным или П-образным. Частоту среза фильтра выбирают на порядок меньше резонансной частоты колебательных контуров катушки, но при этом частота среза должна быть намного больше частоты срабатывания разрядника.

При резонансном заряде контурного конденсатора (тип катушки – DCSGTC), используют постоянное напряжение, в отличии от ACSGTC. Напряжение вторичной обмотки трансформатора T1 выпрямляют с помощью диодного моста и сглаживают конденсатором Св. Емкость конденсатора должна быть на порядок больше емкости контурного конденсатора С1, для уменьшения пульсаций постоянного напряжения. Величина емкости обычно составляет 1-5 мкФ, номинальное напряжение для надежности выбирают в 1,5-2 раза больше амплитудного выпрямленного напряжения. Вместо одного конденсатора можно использовать конденсаторные сборки, желательно не забывая про выравнивающие резисторы при последовательном соединении нескольких конденсаторов.

В качестве диодов моста применяют последовательно соединенные высоковольтные диодные столбы типа КЦ201 и др. Номинальный ток диодных столбов должен быть больше номинального тока вторичной обмотки трансформатора. Обратное напряжение диодных столбов зависит от схемы выпрямления, по соображениям надежности обратное напряжение диодов должно быть в 2 раза больше амплитудного значения напряжения. Возможно изготовление самодельных диодных столбов путем последовательного соединения обычных выпрямительных диодов (например 1N5408, Uобр = 1000 В, Iном = 3 А), с применением выравнивающих резисторов.
Вместо стандартной схемы выпрямления и сглаживания можно собрать удвоитель напряжения из двух диодных столбов и двух конденсаторов.

Принцип работы схемы резонансного заряда основан на явлении самоиндукции дросселя Lд, а также применения диода отсечки VDо. В момент времени, когда конденсатор C1 разряжен, через дроссель начинает течь ток, возрастая по синусоидальному закону, при этом в дросселе накапливается энергия в виде магнитного поля, а конденсатор при этом заряжается, накапливая энергию в виде электрического поля. Напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения источника питания, при этом через дроссель течет максимальный ток, и падение напряжения на нем равно нулю. При этом ток не может прекратиться мгновенно, и продолжает течь в том же направлении из-за наличия самоиндукции дросселя. Зарядка конденсатора продолжается до удвоенного значения напряжения источника питания. Диод отсечки необходим для предотвращения перетекания энергии от конденсатора обратно в источник питания, так как между конденсатором и источником питания появляется разность потенциалов равная напряжению источника питания. На самом деле напряжение на конденсаторе не достигает удвоенного значения, из-за наличия падения напряжения на диодном столбе.

Применение резонансного заряда позволяет более эффективно и равномерно передавать энергию на первичный контур, при этом для получения одинакового результата (по длине разряда), для DCSGTC требуется меньшая мощность источника питания (трансформатор Т1), чем для ACSGTC. Разряды приобретают характерный плавный изгиб, вследствие стабильного питающего напряжения, в отличии от ACSGTC, где очередное сближение электродов в RSG может приходиться по времени на любой участок синусоидального напряжения, включая попадание на нулевое или низкое напряжение и как следствие переменная длина разряда (рваный разряд).

Ниже на картинке представлены формулы для расчета параметров катушки Тесла:

Предлагаю ознакомиться с моим опытом постройки .

Знаменитый изобретатель Никола Тесла имеет немало заслуг перед наукой и техникой, но только одно изобретение носит его имя. Это резонансный трансформатор, известный также как« катушка Теслы».

Трансформатор Теслы состоит из первичной и вторичной обмоток, схемы, обеспечивающей питание первичной обмотки на резонансной частоте вторичной, и, опционально, дополнительной емкости на высоковольтном выходе вторичной обмотки. Острие, укрепленное на дополнительной емкости, повышает напряженность электрического поля, облегчая пробой воздуха. Дополнительная емкость снижает рабочую частоту, уменьшая нагрузку на транзисторы, и, по некоторым данным, повышает длину разрядов. В качестве каркаса вторичной обмотки используется кусок канализационной ПВХ-трубы. Вторичная обмотка состоит примерно из 810 витков эмалированного провода диаметром 0,45 мм. Первичная обмотка состоит из восьми витков провода сечением 6 мм2. Схема питания основана на принципе автоколебаний и построена на силовых транзисторах.

Суть изобретения Теслы проста. Если питать трансформатор током с частотой, равной резонансной для его вторичной обмотки, напряжение на выходе возрастает в десятки и даже сотни раз. Фактически оно ограничено электрической прочностью окружающего воздуха (или иной среды) и самого трансформатора, а также потерями на излучение радиоволн. Наиболее известна катушка в области шоу-бизнеса: она способна метать молнии!

Форма и содержание

Трансформатор выглядит весьма необычно — он словно специально сконструирован для шоу-бизнеса. Вместо привычного массивного железного сердечника с толстыми обмотками — длинная полая труба из диэлектрика, на которую провод намотан всего в один слой. Такой странный вид вызван необходимостью обеспечить максимальную электрическую прочность конструкции.

Кроме необычного внешнего вида, трансформатор Теслы имеет еще одну особенность: в нем обязательно есть некая система, создающая в первичной обмотке ток именно на резонансной частоте вторичной. Сам Тесла использовал так называемую искровую схему (SGTC, Spark Gap Tesla Coil). Ее принцип заключается в зарядке конденсатора от источника питания с последующим подключением его к первичной обмотке. Вместе они создают колебательный контур.

Емкость конденсатора и индуктивность обмотки подбираются так, чтобы частота колебаний в этом контуре совпадала с необходимой. Коммутация осуществляется с помощью искрового промежутка: как только напряжение на конденсаторе достигает определенного значения, в промежутке возникает искра, замыкающая контур. Часто можно увидеть утверждения, что «искра содержит полный спектр частот, так что там всегда есть и резонансная, за счет чего и работает трансформатор». Но это не так — без правильного подбора емкости и индуктивности действительно высокого напряжения на выходе не получить.

Решив сделать свой трансформатор Теслы, мы остановились на более прогрессивной схеме — транзисторной. Транзисторные генераторы потенциально позволяют получить любую форму и частоту сигнала в первичной обмотке.

Выбранная нами схема состоит из микросхемы драйвера силовых транзисторов, маленького трансформатора для развязки этого драйвера от питающего напряжения 220 В и полумоста из двух силовых транзисторов и двух пленочных конденсаторов. Трансформатор мотается на кольце из феррита с рабочей частотой не менее 500 кГц, на нем делается три обмотки по 10−15 витков провода. Очень важно подключить транзисторы к обмоткам трансформатора так, чтобы они работали в противофазе: когда один открыт, другой закрыт.

Нужная частота возникает за счет обратной связи со вторичной обмоткой (схема основана на автоколебаниях). Обратная связь может осуществляться двумя способами: с помощью или трансформатора тока из 50−80 витков провода на таком же ферритовом кольце, как и разделительный трансформатор, через которое проходит провод заземления нижней части вторичной обмотки, или… просто кусочка проволоки, которая выполняет роль антенны, улавливающей испускаемые вторичной обмоткой радиоволны.

Мотаем на ус

В качестве каркаса первичной обмотки мы взяли канализационную трубу из ПВХ диаметром 9 см и длиной 50 см. Для намотки используем эмалированный медный провод диаметром 0,45 мм. Каркас и катушку обмоточного провода размещаем на двух параллельных осях. В качестве оси каркаса выступал кусок ПВХ-трубы меньшего диаметра, а роль оси катушки с проводом выполнила завалявшаяся в редакции стрела от лука.

Существуют три варианта первичной обмотки: плоская спираль, короткая винтовая и коническая обмотка. Первая обеспечивает максимальную электрическую прочность, но в ущерб силе индуктивной связи. Вторая, напротив, создает наилучшую связь, но чем она выше — тем больше шансов, что произойдет пробой между нею и вторичной обмоткой. Коническая обмотка — промежуточный вариант, позволяющий получить наилучший баланс между индуктивной связью и электрической прочностью. Рекордные напряжения мы получить не рассчитывали, так что выбор пал на винтовую обмотку: она позволяет добиться максимального КПД и проста в изготовлении.

В качестве проводника взяли провод питания аудиоаппаратуры с сечением 6 мм², восемь витков которого намотали на отрезок ПВХ-трубы большего диаметра, чем у каркаса вторичной обмотки, и закрепили обычной изолентой. Такой вариант нельзя считать идеальным, ведь ток высокой частоты течет лишь по поверхности проводников (скин-эффект), так что правильнее делать первичную обмотку из медной трубы. Но наш способ прост в изготовлении и при не слишком больших мощностях вполне работает.

Управление

Для обратной связи мы изначально планировали использовать трансформатор тока. Но он оказался неэффективным при малых мощностях катушки. А в случае антенны сложнее обеспечить первоначальный импульс, который запустит колебания (в случае трансформатора через его кольцо можно пропустить еще один провод, на который на долю секунды замыкать обычную батарейку). В итоге у нас получилась смешанная система: один выход трансформатора был подключен к входу микросхемы, а провод второго не был ни к чему подключен и служил антенной.

Короткие замыкания, пробитие транзисторов и прочие неприятности изначально предполагались очень даже возможными, так что дополнительно был изготовлен пульт управления с амперметром переменного тока на 10 А, автоматическим предохранителем на 10 А и парой «неонок»: одна показывает, есть ли напряжение на входе в пульт, а другая — идет ли ток к катушке. Такой пульт позволяет удобно включать и выключать катушку, отслеживать основные параметры, а также дает возможность многократно снизить частоту походов к щитку для включения «выбитых» автоматов.

Последняя опциональная деталь трансформатора — дополнительная емкость в виде проводящего шара или тора на высоковольтном выходе вторичной обмотки. Во многих статьях можно прочесть, что она способна существенно удлинить разряд (кстати, это широкое поле для экспериментов). Мы сделали такую емкость на 7 пФ, собрав вместе две стальные чашки-полусферы (из магазина IKEA).

Сборка

Когда все компоненты изготовлены, конечная сборка трансформатора не составляет никакой проблемы. Единственная тонкость — заземление нижнего конца вторичной обмотки. Увы, не во всех отечественных домах есть розетки с отдельными контактами земли. А там, где есть, эти контакты не всегда реально подключены (проверить это можно с помощью мультиметра: между контактом и проводом фазы должно быть около 220 В, а между ним и нулевым проводом — почти нуль).

Если у вас такие розетки есть (у нас в редакции нашлись), то заземлять нужно именно с их помощью, используя для подключения катушки соответствующую вилку. Часто советуют заземлять на батарею центрального отопления, но это категорически не рекомендуется, поскольку в некоторых случаях может привести к тому, что батареи в доме будут бить током ни о чем не подозревающих соседей.

Но вот наступает ответственный момент включения… И сразу же появляется первая жертва молнии — транзистор схемы питания. После замены выясняется, что схема в принципе вполне работоспособна, хотя и на небольших мощностях (200−500 Вт). При выходе на проектную мощность (порядка 1−2 кВт) транзисторы взрываются с эффектной вспышкой. И хотя эти взрывы не представляют опасности, режим «секунда работы — 15 минут замены транзистора» не является удовлетворительным. Тем не менее с помощью этого трансформатора вполне можно почувствовать себя в роли Зевса-громовержца.

Благородные цели

Хотя в наше время трансформатор Теслы, по крайней мере в его исходном виде, чаще всего находит применение в разнообразных шоу, сам Никола Тесла создавал его для куда более важных целей. Трансформатор является мощным источником радиоволн с частотой от сотни килогерц до нескольких мегагерц. На основе мощных трансформаторов Теслы планировалось создание системы радиовещания, беспроводного телеграфа и беспроводной телефонии.

Но наиболее грандиозный проект Теслы, связанный с использованием его трансформатора, — создание глобальной системы беспроводного энергоснабжения. Как он считал, достаточно мощный трансформатор или система трансформаторов сможет в глобальном масштабе менять заряд Земли и верхних слоев атмосферы.

В такой ситуации установленный в любой точке планеты трансформатор, имеющий такую же резонансную частоту, как и передающий, будет источником тока, и линии электропередач станут не нужны.

Именно стремление создать систему беспроводной передачи энергии погубило знаменитый проект Wardenclyff. Инвесторы были заинтересованы в появлении только окупаемой системы связи. А передатчик энергии, которую мог бы неконтролируемо принимать любой желающий по всему миру, напротив, грозил убытками электрическим компаниям и производителям проводов. А один из основных инвесторов был акционером Ниагарской ГЭС и заводов по производству меди…

Катушка тесла

Разряды с провода на терминале

Трансформа́тор Те́сла — единственное из изобретений Николы Тесла , носящих его имя сегодня. Это классический резонансный трансформатор , производящий высокое напряжение при высокой частоте. Оно использовалось Теслой в нескольких размерах и вариациях для его экспериментов. «Трансформатор Тесла» также известен под названием «катушка Теслы» (англ. Tesla coil ). В России часто используют следующие сокращения: ТС (от Tesla coil ), КТ (катушка Тесла), просто тесла и даже ласкательно — катька. Прибор был заявлен патентом № 568176 от 22 сентября 1896 года, как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».

Описание конструкции

Схема простейшего трансформатора Теслы

В элементарной форме трансформатор Теслы состоит из двух катушек , первичной и вторичной, и обвязки, состоящей из разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора , тороида (используется не всегда) и терминала (на схеме показан как «выход»).

Первичная катушка построена из 5-30 (для VTTC — катушки Теслы на лампе — число витков может достигать 60) витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная из многих витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от многих других трансформаторов , здесь нет никакого ферромагнитного сердечника. Таким образом, взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у обычных трансформаторов с ферромагнитным сердечником. У данного трансформатора также практически отсутствует магнитный гистерезис , явления задержки изменения магнитной индукции относительно изменения тока и другие недостатки, вносимые присутствием в поле трансформатора ферромагнетика.

Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур , в который включён нелинейный элемент — разрядник (искровой промежуток). Разрядник, в простейшем случае, обыкновенный газовый; выполненный обычно из массивных электродов (иногда с радиаторами), что сделано для большей износостойкости при протекании больших токов через электрическую дугу между ними.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора выполняет ёмкостная связь между тороидом, оконечным устройством, витками самой катушки и другими электропроводящими элементами контура с Землей. Оконечное устройство (терминал) может быть выполнено в виде диска, заточенного штыря или сферы. Терминал предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины. Геометрия и взаимное положение частей трансформатора Теслы сильно влияет на его работоспособность, что аналогично проблематике проектирования любых высоковольтных и высокочастотных устройств.

Функционирование

Трансформатор Теслы рассматриваемой простейшей конструкции, показанной на схеме, работает в импульсном режиме. Первая фаза — это заряд конденсатора до напряжения пробоя разрядника. Вторая фаза — генерация высокочастотных колебаний.

Заряд

Заряд конденсатора производится внешним источником высокого напряжения, защищённым дросселями и построенным обычно на базе повышающего низкочастотного трансформатора. Так как часть электрической энергии, накопленной в конденсаторе, уйдёт на генерацию высокочастотных колебаний, то ёмкость и максимальное напряжение на конденсаторе пытаются максимизировать. Напряжение заряда ограничено напряжением пробоя разрядника, которое (в случае воздушного разрядника) можно регулировать, изменяя расстояние между электродами или их форму. Типовое максимальное напряжение заряда конденсатора — 2-20 киловольт. Знак напряжения для заряда обычно не важен, так как в высокочастотных колебательных контурах электролитические конденсаторы не применяются. Более того, во многих конструкциях знак заряда меняется с частотой бытовой сети электроснабжения ( или Гц).

Генерация

После достижения между электродами разрядника напряжения пробоя в нём возникает лавинообразный электрический пробой газа. Конденсатор разряжается через разрядник на катушку. После разряда конденсатора напряжение пробоя разрядника резко уменьшается из-за оставшихся в газе носителей заряда. Практически, цепь колебательного контура первичной катушки остаётся замкнутой через разрядник, до тех пор, пока ток создаёт достаточное количество носителей заряда для поддержания напряжения пробоя существенно меньшего, чем амплитуда напряжения колебаний в LC контуре. Колебания постепенно затухают, в основном из-за потерь в разряднике и ухода электромагнитной энергии на вторичную катушку. Во вторичной цепи возникают резонансные колебания, что приводит к появлению на терминале высоковольтного высокочастотного напряжения !

В качестве генератора ВЧ напряжения, в современных трансформаторах Теслы используют ламповые (VTTC — Vacuum Tube Tesla Coil) и транзисторные (SSTC — Solid State Tesla Coil, DRSSTC — Dual Resonance SSTC) генераторы. Это даёт возможность уменьшить габариты установки, повысить управляемость, снизить уровень шума и избавиться от искрового промежутка. Также существует разновидность трансформаторов Теслы, питаемая постоянным током. В аббревиатурах названий таких катушек присутствуют буквы DC, например DC DRSSTC. В отдельную категорию также относят магниферные катушки Теслы.

Многие разработчики в качестве прерывателя (разрядника) используют управляемые электронные компоненты, такие как транзисторы, модули на MOSFET транзисторах, электронные лампы , тиристоры .

Использование трансформатора Теслы

Разряд трансформатора Теслы

Разряд с конца провода

Выходное напряжение трансформатора Теслы 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 Теслы используется как декоративное изделие.

Трансформатор использовался Теслой 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 Теслы также нашёл популярное использование в медицине . Пациентов обрабатывали слабыми высокочастотными токами, которые протекая по тонкому слою поверхности кожи не причиняют вреда внутренним органам (см. Скин-эффект), оказывая при этом тонизирующее и оздоравливающее влияние. Последние исследования механизма воздействия мощных ВЧ токов на живой организм показали негативность их влияния.

В наши дни трансформатор Теслы не имеет широкого практического применения. Он изготовляется многими любителями высоковольтной техники и сопровождающих её работу эффектов. Также он иногда используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах.

Трансформатор Теслы используется военными для быстрого уничтожения всей электроники в здании,танке,корабле.Создается на доли секунды мощный электромагнитный импульс в радиусе нескольких десятков метров.В результате перегорают все микросхемы и транзисторы,полупроводниковая электроника.Данное устройство работает совершенно бесшумно.В прессе появилось сообщение, что частота тока при этом достигает 1 Терагерц.

Эффекты, наблюдаемые при работе трансформатора Теслы

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

1. Стримеры (от англ. Streamer ) — тускло светящиеся тонкие разветвлённые каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщеплённые от них свободные электроны. 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.
2. 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 быть особый вид искрового разряда — скользящий искровой разряд.
3. Коронный разряд — свечение ионов воздуха в электрическом поле высокого напряжения. Создаёт красивое голубоватое свечение вокруг ВВ-частей конструкции с сильной кривизной поверхности.
4. 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 Теслы. Если катушка недостаточно мощна и надёжна, то спровоцированный дуговой разряд может повредить её компоненты.

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 разные химические вещества, нанесённые на разрядный терминал, способны менять цвет разряда. Например, натрий меняет обычный окрас спарка на оранжевый, а бром — на зелёный.

Работа резонансного трансформатора сопровождается характерным электрическим треском. Появление этого явления связано с превращением стримеров в искровые каналы (см. статью искровой разряд), который сопровождается резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющегося 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.

Неизвестные эффекты трансформатора Теслы

Многие люди считают, что катушки Теслы — это особенные артефакты с исключительными свойствами. Существует мнение, что трансформатор Теслы 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 Теслы» можно создать антигравитацию и эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния без проводов. Данные свойства пока никак не проверены и не подтверждены наукой. Однако, сам Тесла говорил о том, что такие способности скоро будут доступны человечеству с помощью его изобретений. Но впоследствии посчитал, что люди не готовы к этому.

Также очень распространён тезис о том, что разряды, испускаемые трансформаторами Теслы, полностью безопасны, и их можно трогать руками. Это не совсем так. В медицине также используют «катушки Теслы» для оздоровления кожи. Это лечение имеет положительные плоды и благотворно действует на кожу, но конструкция медицинских трансформаторов сильно разнится с конструкцией обычных. Лечебные генераторы отличает очень высокая частота выходного тока, при которой толщина скин-слоя (см. Скин-эффект) безопасно мала, и крайне малая мощность. А толщина скин-слоя для среднестатистической катушки Теслы составляет от 1 мм до 5 мм и её мощности хватит для того, чтобы разогреть этот слой кожи, нарушить естественные химические процессы. При долгом воздействии подобных токов могут развиться серьёзные хронические заболевания, злокачественные опухоли и другие негативные последствия. Кроме того, надо отметить, что нахождение в ВЧ ВВ поле катушки (даже без непосредственного контакта с током) может негативно влиять на здоровье. Важно отметить, что нервная система человека не воспринимает высокочастотный ток и боль не чувствуется, но тем не менее это может положить начало губительным для человека процессам. Также существует опасность отравления газами, образующимися во время работы трансформатора в закрытом помещении без притока свежего воздуха. Плюс ко всему, можно обжечься, так как температуры разряда обычно достаточно для небольшого ожога (а иногда и для большого), и если человек всё же захочет «поймать» разряд, то это следует делать через какой-нибудь проводник (например, металлический прут). В этом случае непосредственного контакта горячего разряда с кожей не будет, и ток сначала потечет через проводник и только потом через тело.

Трансформатор Теслы в культуре

В фильме Джима Джармуша «Кофе и сигареты » один из эпизодов строится на демонстрации трансформатора Теслы. По сюжету, Джек Уайт , гитарист и вокалист группы «The White Stripes » рассказывает Мег Уайт, барабанщице группы о том, что земля является проводником акустического резонанса (теория электромагнитного резонанса — идея, которая занимала ум Теслы многие годы), а затем «Джек демонстрирует Мэг машину Теслы».

В игре Command & Conquer: Red Alert советская сторона может строить оборонительное сооружение в виде башни со спиралевидным проводом, которая поражает противника мощными электрическими разрядами. Еще в игре присутствуют танки и пехотинцы, использующие эту технологию. Tesla coil (в одном из переводов — башня Тесла ) является в игре исключительно точным, мощным и дальнобойным оружием, однако потребляет относительно высокое количество энергии. Для увеличения мощности и дальности поражения можно «заряжать» башни. Для этого отдайте приказ Воину Тесла (это пехотинец) подойти и постоять рядом с башней. Когда воин дойдет до места, он начнет зарядку башни. При этом анимация будет как при атаке, но молнии из его рук будут желтого цвета.

Каждый человек, вероятнее всего, слышал о том, что такое трансформатор Тесла, который также зачастую называется катушкой Тесла. Эту катушку можно увидеть во многих фильмах, компьютерных играх и телевизионных передачах. Однако мало слышать о том, что существует нечто подобное. Если вас спросят, что именно делает трансформатор Тесла, сможете ли вы дать на этот вопрос ответ? Скорее всего, нет, а если и сможете, то вряд ли вы сумеете рассказать достаточно подробностей. Именно поэтому и существует данная статья. С ее помощью вы сможете узнать все о трансформаторе Тесла, о том, как он устроен, для чего используется, как функционирует и так далее. Естественно, если вы учились по физической специализации, то для вас эти данные не будут новостью, однако большинство людей все же не в курсе деталей, касающихся катушки Тесла. А ведь это очень интересные данные, которые позволят вам расширить кругозор. Как легко можно догадаться, изобретателем этого устройства стал великий ученый Никола Тесла, который запатентовал свое изобретение в 1896 году, описав его как устройство, предназначенное для производства электрических токов высокой частоты. По сути, именно этим катушка Тесла и является, и об этом вы, вероятнее всего, уже знали. Поэтому стоит взглянуть на более интересные и менее известные данные.

В чем суть?

Для начала необходимо объяснить суть работы катушки Тесла. Она может выглядеть по-разному, однако многие люди отмечают, что, так или иначе, она смотрится очень эффектно даже в режиме спокойствия. Что уж говорить о том, когда она приводится в действие, и вокруг нее образуются видимые разряды электричества. Но как именно это происходит? Трансформатор Тесла работает за счет резонансных электромагнитных волн, образующихся в двух обмотках катушки, первичной и вторичной. Первичная обмотка представляет собой часть искрового колебательного центра. Что касается вторичной, то ее роль исполняет уже прямая катушка провода. Когда частота колебаний первичного и вторичного контура совпадает, между концами катушки появляется высокое переменное напряжение, которое вы можете увидеть невооруженным взглядом. Если вам не очень понятно то, как работает трансформатор Тесла, то для примера можно взять обычные качели. С их помощью объяснить работу будет гораздо проще. Если вы раскачиваете качели с помощью принудительных колебаний, то амплитуда будет пропорциональна вашему усилию. Если же вы решите раскачивать качели в режиме свободных колебаний, каждый раз подталкивая качели в необходимый момент, то амплитуда возрастет в несколько раз. То же самое происходит и с катушкой Тесла: при резонансе колебаний двух обмоток возникает гораздо более сильный ток.

Конструкция трансформатора

Второй момент, который необходимо принять во внимание, когда рассматривается трансформатор Тесла, — схема. Как именно устроена катушка? На самом деле устройство этого трансформатора может быть самым разнообразным, поэтому сейчас вы узнаете о том, как устроена его простейшая версия, которую вы затем можете совершенствовать так, как вам будет этого хотеться. Итак, простейший трансформатор Тесла состоит из нескольких элементов, а именно из входного трансформатора, катушки индуктивности, включающей в себя первичную и вторичную обмотку, а также из разрядника, конденсатора и терминала. Собственно говоря, ток начинает свое движение от входного трансформатора, являющегося источником питания, откуда через разрядник и конденсатор попадает на катушку индуктивности, а оттуда передается на терминал уже в умноженном размере. Причем терминал зачастую выбирается таким, чтобы он лучше всего мог передать подобное напряжение, например, он может быть в форме шара или диска. Как вы понимаете, это самый простой трансформатор Тесла — схема является подтверждением этого. В катушке Тесла может быть больше элементов. Там может присутствовать, например, тороид, который не описан в этой схеме, так как он не является ключевым элементом. Что касается основных элементов, то они все были указаны.

Функционирование

Итак, теперь вы знаете, как устроен трансформатор Тесла. Принцип работы его вам также понятен в целом, но можно и углубиться в детали. Как именно он функционирует? Оказывается, он работает в импульсном режиме. Что это означает? Это значит, что сначала происходит заряд конденсатора до того момента, когда совершится пробой разрядника, и электричество пройдет на катушку индуктивности. Тогда начинается вторая фаза, в ходе которой генерируются высокочастотные колебания. Обратите внимание, что разрядник должен располагаться параллельно источнику питания, благодаря чему он замыкает цепь, когда на катушку поступает ток, тем самым исключая источник питания из цепи. Зачем это нужно? Если остается частью цепи, это может значительно снижать напряжение на выходе из трансформатора. Естественно, результат все равно будет, однако он при этом окажется далеко не самым впечатляющим. Вот так функционирует трансформатор Тесла. Принцип работы вам теперь полностью понятен, однако все еще остаются некоторые детали, которые могут вас заинтересовать.

Заряд для трансформатора

Как вы уже могли заметить, если вы планируете создать мощный трансформатор Тесла, то для этого потребуется учесть абсолютно все детали, так как любые отклонения от нормы будут приводить к тому, что выходное напряжение будет недостаточно высоким, из-за чего эффект будет менее впечатляющим. И особое внимание необходимо уделить стартовому заряду, то есть подбору источника питания. Именно в данном случае нужно подобрать правильный конденсатор, чтобы выходное напряжение было идеальным, а конденсатор себя не «закорачивал». Существует даже трансформатор Тесла с самозапиткой, так что разнообразию конструкций нет пределов. Так что вам стоит помнить, что в данном случае рассматривается самая простая конструкция катушки Тесла.

Генерация

Ну и последнее, на что стоит взглянуть более детально — это непосредственно сам процесс генерации высокочастотного тока. Итак, питание трансформатора Тесла происходит за счет выбранного источника питания, который передает заряд в конденсатор, где он накапливается до того момента, как происходит пробой, в результате которого конденсатор через разрядник разряжается на первичную катушку. Так как напряжение разрядника резко снижается, цепь замыкается, и, как уже было сказано выше, источник питания исключается из цепи. В это время на первичной катушке возникают высокочастотные колебания, которые затем передаются на вторичную катушку, из-за чего колебания становятся резонансными, и на терминале возникает ток высокого напряжения. Вот так работает самый простой трансформатор Тесла, однако существует большое количество самых разнообразных его модификаций.

Модификации

Для начала вам стоит узнать о том, что классический вариант катушки Тесла, который был описан выше, обозначается следующим образом — SGTC. Последние две буквы расшифровываются как Tesla Coil, что переводится непосредственно как «катушка Тесла». Эти две буквы будут присутствовать в каждом из сокращений, а меняются только первые две. В данном случае SG обозначает Spark Gap, то есть эта катушка Тесла работает на искровом промежутке, создаваемом разрядником. Однако далеко не всегда дела обстоят именно так, поэтому необходимо рассмотреть различные варианты, такие как трансформатор Тесла на транзисторах или на полупроводниках. Первая модификация, на которую можно обратить внимание — это RSGTC, то есть катушка, которая работает на роторном искровом промежутке. В данном случае для питания используется электродвигатель, который вращает диск с электродами. Есть также VTTC, которая известна как ламповая катушка Тесла, работающая за счет электронных ламп. Этот вариант не требует высокого напряжения, а также отличается тишиной работы. Следующий вариант — это SSTC, то есть катушка Тесла, которая работает за счет генератора, основанного на полупроводниках. Эта модификация является одной из самых интересных в плане эффектности, так как с помощью силовых ключей вы можете изменять форму разряда. Модификацией этой версии катушки Тесла является DRSSTC. В данном случае используется двойной резонанс, что дает гораздо более внушительные размеры разряда. Отдельно стоит взглянуть на QCW DRSSTC — эта катушка Тесла характеризуется «плавной накачкой», то есть плавным, а не резким нарастанием всех параметров. В каждом из этих случаев расчет трансформатора Тесла будет отличаться, точно так же, как и его конструкций и, соответственно, его схема.

Использование катушки Тесла

Но как же может быть использована энергия трансформатора Тесла? Этот вопрос задает себе каждый человек, который впервые видит работу этого устройства. Собственно говоря, любование невероятными разрядами, которые имеют огромные размеры и выглядят очень впечатляюще, и является одним из самых главных и популярных способов использования. Этот трансформатор позволяет устроить настоящее шоу, которое способно очаровать любого человека, ведь это не магия, а чистейшая наука. Так что смело можно сказать, что одна из главных ролей трансформатора Тесла является декорация и развлечение. Однако оказывается, что существуют и другие способы использования этой технологии. Например, изначально катушки Тесла использовались для радиоуправления, беспроводной передачи данные и для передачи энергии. Естественно, со временем появлялись более эффективные способы выполнения каждой из этих функций, поэтому постепенно использование катушки Тесла становилось все менее и менее актуальным. Также стоит отметить, что ее использовали в медицине. Дело в том, что высокочастотный разряд, когда его пропускали по коже, не оказывал негативного влияния на внутренние органы человека, но при этом тонизировал кожу человека. В современном мире катушка Тесла уже фактически не используется с практической точки зрения из-за трудностей поддержания постоянной ее работы. Иногда она используется для поджига газоразрядных ламп или же в вакуумных системах, где трансформатор помогает найти течи. Таким образом, применение трансформатора Тесла в современном мире все же в большинстве случаев является декоративным, развлекательным и познавательным.

Эффекты

Вы уже представляете себе устройство трансформатора Тесла, потому на эту тему нет смысла говорить что-то еще. Однако это не значит, что сама по себе тема катушки Тесла исчерпала себя. Например, можно взглянуть на то, какие именно разряды создаются в результате ее деятельности. Оказывается, они не являются случайными: всего выделяют четыре основных вида. Во-первых, вы можете увидеть стримеры, которые представляют собой тусклые разветвленные каналы, которые уходят от терминала в воздух. По сути, они представляют собой визуализацию ионизации воздуха. Во-вторых, вы можете заметить спарки — это искровые разряды, которые уходят с терминала прямо в землю. Отличить их можно за счет того, что они очень сильно выделяются внешне — это пучок ярких искровых каналов. В-третьих, существует коронный разряд — так называется свечение ионов непосредственно в поле высокого напряжения. Ну и, наконец, имеется еще и дуговой разряд, который возникает, если к трансформатору поднести какой-либо заземленный предмет. Этот прием используют многие, когда катушка Тесла применяется для развлекательных мероприятий.

Влияние на здоровье

Выше было указано, что после изобретения катушки Тесла ее использовали в медицинских целях, однако многие источники сообщают, что трансформатор Тесла является смертельно опасным. Кто же прав, а кто обманывает? В большинстве случаев высокое напряжение является для человека смертельным, так как оно ведет к образованию ожогов, а также к остановке сердца. Однако некоторые типы трансформаторов Тесла обладают так называемым скин-эффектом, который позволяет электричеству воздействовать лишь на поверхность предмета, а в данном случае — на кожу человека. Как уже было сказано выше, это тонизирует кожу и омолаживает ее. Опять же, медицинских подтверждений этого факта нет, однако об этом очень много писали в свое время.

Катушка Тесла как часть культуры

Даже если вы не увлекаетесь наукой, все равно, вероятнее всего, уже видели катушку Тесла, так как она используется в самых разнообразных сферах развлечений. В первую очередь ее можно увидеть во многих фильмах, которые выходили на экраны кинотеатров в самые разные годы. Одним из самых известных фильмов, в которых очень важную роль отыграл трансформатор Тесла, стала экранизация одноименного романа «Престиж». Также очень часто катушку Тесла можно встретить в компьютерных играх, где она чаще всего выступает в роли мощного оружия. Более того, вы можете встретить трансформаторы Тесла даже в музыкальном искусстве. Оказывается, вы можете изменять звучание электрического разряда, увеличивая и уменьшая частоту тока. И некоторые исполнители и музыкальные группы используют это, чтобы записывать музыку. А тот, кто не хочет все усложнять, прибегает к помощи катушки Тесла, чтобы создать реалистичные звуки разрядов молний, как это сделала, например, известная певица Бьорк. Таким образом, в современном мире трансформаторы Тесла используются очень широко, однако нельзя сказать, что они применяются по назначению. Свое время в качестве функционального устройства катушка Тесла уже отжила, и она, по сути, должна была кануть в Лету, как и большинство старых устройств. Однако благодаря визуальным эффектам, которые она создает, катушка Тесла смогла дожить до сегодняшнего дня, и ее продолжают использовать постоянно, пусть и в качестве предмета развлечения. Стоит также отметить, что она используется и в обучающих целях, так как именно на ней можно наглядно продемонстрировать начинающим физикам, как выглядит электрический разряд, как он себя ведет и так далее. Проще говоря, трансформатор Тесла — это устройство, которое просуществовало сто лет и не потеряло своей актуальности даже в двадцать первом веке, который всем известен своим невероятным прогрессом в области высоких технологий.

Частота работы катушки тесла. Небольшая катушка тесла своими руками

Катушка Тесла представляет две катушки L1 и L2, которая посылает большой импульс тока в катушку L1. У катушек Тесла нет сердечника. На первичной обмотке наматывают более 10 витков. Вторичная обмотка тысячу витков. Еще добавляют конденсатор, чтобы минимизировать потери на искровой разряд.

Катушка Тесла выдает большой коэффициент трансформации. Он превышает отношение числа витков второй катушки к первой. Выходная разность потенциалов катушки Тесла бывает больше нескольких млн вольт. Это создает такие разряды электрического тока, что эффект получается зрелищным. Разряды бывают длины в несколько метров.

Принцип катушки Тесла

Чтобы понять, как работает катушка Тесла, нужно запомнить правило по электронике: лучше раз увидеть, чем сто услышать. Схема катушки Тесла простая. Это простейшее устройство катушки Тесла создает стримеры.

Из высоковольтного конца катушки Тесла вылетает стример фиолетового цвета. Вокруг нее есть странное поле, которое заставляет светиться люминесцентную лампу, которая не подключена и находится в этом поле.

Стример – это потери энергии в катушке Тесла. Никола Тесла старался избавляться от стримеров за счет того, чтобы подсоединить его к конденсатору. Без конденсатора стримера нет, а лампа горит ярче.

Катушку Тесла можно назвать игрушкой, кто показывает интересный эффект. Она поражает людей своими мощными искрами. Конструировать трансформатор – дело интересное. В одном устройстве совмещаются разные эффекты физики. Люди не понимают, как функционирует катушка.

Катушка Тесла имеет две обмотки. На первую подходит напряжение переменного тока, создающее поле потока. Энергия переходит во вторую катушку. Похожее действие у трансформатора.

Вторая катушка и C s образуют дают колебания, суммирующие заряд. Некоторое время энергия держится в разности потенциалов. Чем больше вложим энергии, на выходе будет больше разности потенциалов.

Главные свойства катушки Тесла:

• Частота второго контура.
• Коэффициент обеих катушек.
• Добротность.

Коэффициент связи обуславливает быстроту передачи энергии из одной обмотки во вторичную. Добротность дает время сохранения энергии контуром.

Подобие с качелями

Для лучшего понимания накапливания, большой разности потенциалов контуром, представьте качели, раскачивающиеся оператором. Тот же контур колебания, а человек служит первичной катушкой. Ход качели – это электрический ток во второй обмотке, а подъем – разность потенциалов.

Оператор раскачивает, передает энергию. За несколько раз они сильно разогнались и поднимаются очень высоко, они сконцентрировали в себе много энергии. Такой же эффект происходит с катушкой Тесла, наступает переизбыток энергии, случается пробивание и виден красивый стример.

Раскачивать колебания качелей нужно в соответствии с тактом. Частота резонанса – число колебаний в сек.

Длину траектории качели обуславливает коэффициент связи. Если раскачивать качели, то они быстро раскачаются, отойдут ровно на длину руки человека. Этот коэффициент единица. В нашем случае катушка Тесла с повышенным коэффициентом – тот же .

Человек толкает качели, но не держит, то коэффициент связи малый, качели отходят еще дальше. Раскачивать их дольше, но для этого не требуется сила. Коэффициент связи больше, чем быстрее в контуре накапливается энергия. Разность потенциалов на выходе меньше.

Добротность – противоположно трению на примере качелей. Когда трение большое, то добротность маленькая. Значит, добротность и коэффициент согласовываются для наибольшей высоты качели, или наибольшего стримера. В трансформаторе второй обмотки катушки Тесла добротность – значение переменное. Два значения сложно согласовать, его подбирают в результате опытов.

Главные катушки Тесла

Тесла изготовил катушку одного вида, с разрядником. База элементов намного улучшилась, возникло много видов катушек, по подобию их также называют катушками Тесла. Виды называют и по-английски, аббревиатурами. Их называют аббревиатурами по-русски, не переводя.

• Катушка Тесла, имеющая в составе разрядник. Это начальная обычная конструкция. С малой мощностью это два провода. С большой мощностью – разрядники с вращением, сложные. Эти трансформаторы хороши, если необходим мощный стример.
• Трансформатор на радиолампе. Он работает бесперебойно и дает утолщенные стримеры. Такие катушки применяют для Тесла высокой частоты, они по виду похожи на факелы.
• Катушка на полупроводниковых приборах. Это транзисторы. Трансформаторы действуют постоянно. Вид бывает различным. Этой катушкой легко управлять.
• Катушки резонанса в количестве двух штук. Ключами являются полупроводники. Эти катушки самые сложные для настройки. Длина стримеров меньше, чем с разрядником, они хуже управляются.

Чтобы иметь возможность управлять видом, создали прерыватель. Этим устройством тормозили, чтобы было время на заряд конденсаторов, снизить температуру терминала. Так увеличивали длину разрядов. В настоящее время имеются другие опции (играет музыка).

Главные элементы катушки Тесла

В разных конструкциях основные черты и детали общие.

• Тороид – имеет 3 опции.Первая – снижение резонанса.
  Вторая – скапливание энергии разряда. Чем больше тороид, тем содержится больше энергии. Тороид выделяет энергию, повышает его. Это явление будет выгодным, если применять прерыватель.
  Третья – создание поля со статическим электричеством, отталкивающим от второй обмотки катушки. Эта опция выполняется самой второй катушкой. Тороид ей помогает. Из-за отталкивания стримера полем, он не бьет по короткому пути на вторую обмотку. От применения тороида несут пользу катушки с накачкой импульсами, с прерывателями. Значение наружного диаметра тороида в два раза больше второй обмотки.
  Тороиды можно изготовить из гофры и других материалов.
• Вторичная катушка – базовая составляющая Тесла.
  Длина в пять раз больше диаметра мотки.
  Диаметр провода рассчитывают, на второй обмотке влезало 1000 витков, витки наматывают плотно.
  Катушку покрывают лаком, чтобы защитить от повреждений. Можно покрывать тонким слоем.
  Каркас делают из труб ПВХ для канализации, которые продаются в магазинах для строительства.
• Кольцо защиты – служит для попадания стримера в первую обмотку, не повреждая. Кольцо ставится на катушку Тесла, стример по длине больше второй обмотки. Он похож на виток провода из меди, толще провода первой обмотки, заземляется кабелем к земле.
• Обмотка первичная – создается из медной трубки, использующейся в кондиционерах. Она имеет низкое сопротивление, чтобы большой ток шел по ней легко. Толщину трубы не рассчитывают, берут примерно 5-6 мм. Провод для первичной обмотки применяют с большим размером сечения.
  Расстояние от вторичной обмотки выбирается из расчета наличия необходимого коэффициента связи.
  Обмотка является подстраиваемой тогда, когда первый контур определен. Место, перемещая ее регулирует значение частоты первички.
  Эти обмотки изготавливают в виде цилиндра, конуса.

• Заземление – это важная составляющая часть.
  Стримеры бьют в заземление, замыкают ток.
  Будет недостаточное заземление, то стримеры будут ударять в катушку.

Катушки подключены к питанию через землю.

Есть вариант подключения питания от другого трансформатора. Этот способ называется «магниферным».

Биполярные катушки Тесла производят разряд между концами вторичной обмотки. Это обуславливает замыкание тока без заземления.

Для трансформатора в качестве заземления применяют заземление большим предметом, проводящим электрический ток – это противовес. Таких конструкций немного, они опасны, так как имеет место высокая разность потенциалов между землей. Емкость от противовеса и окружающих вещей отрицательно влияет на них.

Это правило действует для вторичных обмоток, у которых длина больше диаметра в 5 раз, и мощностью до 20 кВА.

Как изготовить что-то эффектное по изобретениям Тесла? Увидев его идеи и изобретения, будет сделана катушка Тесла своими руками.

Это трансформатор, создающий высокое напряжение. Вы можете трогать искру, зажигать лампочки.

Для изготовления нам нужен медный провод в эмали диаметром 0,15 мм. Подойдет любой от 0,1 до 0,3 мм. Вам нужно порядка двухсот метров. Его можно достать из различных приборов, допустим, из трансформаторов, либо купить на рынке, это будет лучше. Еще вам понадобится несколько каркасов. Во-первых, это каркас для вторичной обмотки. Идеальный вариант – это 5 метровая канализационная труба, но, подойдет что угодно диаметром от 4 до 7 см, длиной 15-30 см.

Для первичной катушки вам понадобится каркас на пару сантиметров больше первого. Также понадобится несколько радиодеталей. Это транзистор D13007, либо его аналоги, небольшая плата, несколько резисторов, 5, 75 килоом 0,25 Вт.

Проволоку мотаем на каркас около 1000 витков без перехлестов, без больших промежутков, аккуратно. Можно управиться за 2 часа. Когда намотка закончена, намазываем обмотку лаком в несколько слоев, либо другим материалом, чтобы она не пришла в негодность.

Намотаем первую катушку. Она мотается на каркасе больше и мотается проводом порядка 1 мм. Здесь подойдет провод, порядка 10 витков.

Если изготавливать трансформатор простого типа, то состав его – это две катушки без сердечника. На первой обмотке около десяти витков толстого провода, на второй – не менее тысячи витков. При изготовлении, катушка Тесла своими руками имеет коэффициент в десятки раз больше, чем число витков второй и первой обмоток.

Выходное напряжение трансформатора будет достигать миллионы вольт. Это дает красивое зрелище в несколько метров.

Сложно намотать катушку Тесла своими руками. Еще труднее создать облик катушке для привлечения зрителей.

Сначала необходимо определиться с питанием в несколько киловольт, закрепить к конденсатору. При лишней емкости изменяется значение параметров диодного моста. Далее, подбирается промежуток искры для создания эффекта.

• Два провода скрепляются, оголенные концы были повернуты в сторону.
• Выставляется зазор из расчета пробивания немного большем напряжении данной разности потенциалов. Для переменного тока разность потенциалов будет выше определенного.
• Подключается питание катушке Тесла своими руками.
• Наматывается вторичная обмотка 200 витков на трубу из изоляционного материала. Если все изготовлено по правилам, то разряд будет хороший, с ветвями.
• Заземление второй катушки.

Получается катушка Тесла своими руками, которую можно изготовить дома, владея элементарными познаниями в электричестве.

Безопасность

Вторичная обмотка находится под напряжением, способным убить человека. Ток пробивания достигает сотен ампер. Человек может выжить до 10 ампер, поэтому не нужно забывать о мехах защиты.

Расчет катушки Тесла

Без расчетов можно изготовить слишком большой трансформатор, но разряды искры сильно разогревают воздух, создают гром. Электрическое поле выводит из строя электрические приборы, поэтому трансформатор необходимо располагать подальше.

Для расчета длины дуги и мощности расстояние между проводами электродов в см делится на 4,25, далее производится в квадрат, получается мощность (Вт).

Для определения расстояния корень квадратный от мощности умножается на 4,25. Обмотка, создающая разряд дуги в 1,5 метра, должна получать мощность1246 ватт. Обмотка с питанием в 1 кВт создает искру в 1,37 м длины.

Бифилярная катушка Тесла

Такой метод намотки провода распределяет емкость больше, чем при стандартной намотке.

Такие катушки обуславливают приближения витков. Градиент конусообразный, а не плоский, в середине катушки, или с провалом.

Емкость тока не изменяется. Из-за сближения участков разность потенциалов между витков во время колебаний повышается. Следовательно, сопротивление емкости при большой частоте в несколько раз снижается, а емкость увеличивается.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.

Одним из знаменитых изобретений Николы Тесла была катушка Тесла. Это изобретение представляет собой резонансный трансформатор, который образует высокочастотное повышенное напряжение. В 1896 году на изобретение выдан патент, который имел название аппарата для образования электрического тока высокого потенциала и частоты.

Устройство и работа

Элементарный трансформатор Тесла включает в себя две катушки, тороид, конденсатор, разрядник, защитное кольцо и .

Тороид выполняет несколько функций:

• Снижение частоты резонанса, особенно для вида катушки Тесла с полупроводниковыми ключами. плохо функционируют на повышенных частотах.
• Накапливание энергии перед возникновением электрической дуги. Чем больше размер тороида, тем больше энергии накоплено. В момент пробоя воздуха тороид выдает эту накопленную энергию в электрическую дугу, при этом увеличивая ее.
• Образование электростатического поля, отталкивающего дугу от вторичной обмотки. Часть этой функции исполняет вторичная обмотка. Однако тороид помогает ей в этом. Поэтому электрическая дуга не бьет во вторичную обмотку по кратчайшему пути.

Обычно наружный диаметр тороида в два раза больше диаметра вторичной обмотки. Тороиды производят из алюминиевой гофры и других материалов.

Вторичная обмотка трансформатора Тесла является основным элементом конструкции. Обычно длина обмотки относится к ее диаметру 5: 1. Диаметр проводника для катушки выбирают из расчета, чтобы разместилось около 1000 витков, которые должны располагаться плотно между собой. Витки обмотки покрывают несколькими слоями лака или эпоксидной смолы. В качестве каркаса выбирают ПВХ-трубы, которые можно купить в строительном магазине.

Защитное кольцо служит для предохранения от выхода из строя электронных элементов в случае попадания электрической дуги в первичную обмотку. Защитное кольцо устанавливается, если размер стримера (электрической дуги) больше длины вторичной катушки. Это кольцо выполнено в виде медного незамкнутого проводника, заземленного отдельным проводом на общее заземление.

Первичная обмотка чаще всего выполняется из медной трубки, применяемой в кондиционерах. Сопротивление первичной обмотки должно быть небольшим, так как по ней будет проходить большая сила тока. Трубку чаще всего выбирают толщиной 6 мм. Также можно использовать для намотки проводники большого сечения. Первичная обмотка является своеобразным элементом подстройки в таких катушках Тесла, в которых первый контур резонансный. Поэтому место подключения питания выполняют с учетом его перемещения, с помощью которого меняют частоту резонанса первого контура.

Форма первичной обмотки может быть различной: конической, плоской или цилиндрической.

Катушка Тесла должна иметь заземление . Если его не будет, то стримеры будут бить в саму катушку, для замыкания тока.

Колебательный контур образован конденсатором совместно с первичной обмоткой. В этот контур также подключен разрядник, который является нелинейным элементом. Во вторичной обмотке также образован контур колебаний, в котором конденсатором выступает емкость тороида и межвитковая емкость катушки. Чаще всего для предохранения от электрического пробоя вторичную обмотку покрывают лаком или эпоксидной смолой.

В результате катушка Тесла, или другими словами трансформатор, состоит из двух контуров колебаний, связанных между собой. Это и придает трансформатору Тесла необычные свойства, и является основным отличительным качеством от обычных трансформаторов.

При достижении напряжения пробоя между электродами разрядника, образуется электрический лавинообразный пробой газа. При этом происходит разряд конденсатора на катушку через разрядник. Вследствие этого цепь контура колебаний, который состоит из конденсатора и первичной обмотки, остается замкнутой на разрядник. В этой цепи возникают колебания высокой частоты. Во вторичной цепи образуются резонансные колебания, в результате чего возникает высокое напряжение.

Во всех видах катушки Тесла главным элементом являются контуры: первичный и вторичный. Однако генератор колебаний высокой частоты может отличаться по конструкции.

Катушка Тесла по сути дела состоит из двух катушек, не имеющих металлического сердечника. Коэффициент трансформации катушки Тесла в несколько десятков раз выше отношения числа витков обеих обмоток. Поэтому выходное напряжение трансформатора достигает нескольких миллионов вольт, что и обеспечивает мощные электрические разряды длиной в несколько метров. Важным условием является образование контура колебаний первичной обмоткой и конденсатором, вхождение в резонанс этого контура с вторичной обмоткой.

Разновидности

Со времен Николы Тесла появилось много различных видов трансформаторов Тесла. Рассмотрим распространенные основные виды таких трансформаторов, как катушка Тесла.

SGTC – катушка, работающая на искровом разряде, имеет классическое устройство, используемое самим Теслой. В этой конструкции элементом коммутации является разрядник. У маломощных устройств разрядник выполнен в виде двух отрезков толстого проводника, находящихся на определенном расстоянии. В устройствах большей мощности используются вращающиеся разрядники сложной конструкции с применением электродвигателей. Такие трансформаторы производят при необходимости получения стримера большой длины, без каких-либо эффектов.

VTTC – катушка на основе электронной лампы, которая является коммутирующим элементом. Подобные трансформаторы способны функционировать в постоянном режиме и выдавать разряды большой толщины. Такой тип питания обычно применяют для создания катушек высокой частоты. Они создают эффект стримера в виде факела.

SSTC – катушка, в конструкции которой в качестве ключа используется полупроводниковый элемент в виде мощного . Такой вид трансформаторов также способен функционировать в постоянном режиме. Внешняя форма стримеров от такого устройства бывает самой различной. Управление с полупроводниковым ключом более простое, существуют такие катушки Тесла, которые умеют играть музыку.

DRSSTC – трансформатор, имеющий два контура резонанса. Роль ключей играют также полупроводниковые компоненты. Это наиболее сложный в настройке и управлении трансформатор, однако, он используется для создания впечатляющих эффектов. При этом большой резонанс получается в первом контуре. Во втором контуре образуется наиболее яркие толстые и длинные стримеры в виде молний.

Виды эффектов от катушки Тесла

• Дуговой разряд – возникает во многих случаях. Он характерен ламповым трансформаторам.
• Коронный разряд является свечением воздушных ионов в электрическом поле повышенного напряжения, образует голубоватое красивое свечение вокруг элементов устройства с высоким напряжением, а также имеющим большую кривизну поверхности.
• Спарк по-другому называют искровым разрядом. Он протекает от терминала на землю, либо на заземленный предмет, в виде пучка ярких разветвленных полосок, быстро исчезающих или меняющихся.
• Стримеры – это тонкие слабо светящиеся разветвляющиеся каналы, содержащие ионизированные атомы газа и свободные электроны. Они не уходят в землю, а протекают в воздух. Стримером называют ионизацию воздуха, образуемую полем трансформатора высокого напряжения.

Действие катушки Тесла сопровождается треском электрического тока. Стримеры могут превращаться в искровые каналы. Это сопровождается большим увеличением тока и энергии. Канал стримера быстро расширяется, давление резко повышается, поэтому образуется ударная волна. Совокупность таких волн подобен треску искр.

Малоизвестные эффекты катушки Тесла

Некоторые люди считают трансформатор Тесла каким-то особенным устройством, обладающим исключительными свойствами. Также есть мнение, что такое устройство способно стать генератором энергии и вечным двигателем.

Иногда говорят, что при помощи такого трансформатора можно передавать электрическую энергию на значительные расстояния, не используя провода, а также создать антигравитацию. Такие свойства не подтверждены и не проверены наукой, но Тесла говорил о скорой доступности таких способностей для человека.

В медицине при длительном воздействии токов высокой частоты и напряжения могут образоваться хронические заболевания и другие отрицательные явления. Также нахождение человека в поле высокого напряжения негативно сказывается на его здоровье. Можно отравиться газами, выделяемыми при функционировании трансформатора без вентиляции.

Применение

• Величина напряжения на выходе катушки Тесла иногда достигает миллионов вольт, что формирует значительные воздушные электрические разряды длиной в несколько метров. Поэтому такие эффекты применяют в качестве создания показательных шоу.
• Катушка Тесла нашла применение в медицине в начале прошлого века. Больных обрабатывали маломощными токами высокой частоты. Такие токи протекают по поверхности кожи, оказывают оздоравливающее и тонизирующее влияние, не причиняя при этом никакого вреда организму человека. Однако мощные токи высокой частоты оказывают негативное влияние.
• Катушка Тесла применяется в военной технике для оперативного уничтожения электронной техники в здании, на корабле, танке. При этом на короткий промежуток времени создается мощный импульс электромагнитных волн. В результате в радиусе нескольких десятков метров сгорают транзисторы, микросхемы и другие электронные компоненты. Это устройство действует абсолютно бесшумно. Существуют такие данные, что частота тока при функционировании такого устройства может достигать 1 ТГц.
• Иногда такой трансформатор применяется для розжига газоразрядных ламп, а также поиска течи в вакууме.

Эффекты катушки Тесла иногда используют в съемках фильмов, компьютерных играх. В настоящее время катушка Тесла не нашла широкого применения на практике в быту.

Катушка Тесла на будущее

В настоящее время остаются актуальными вопросы, которыми занимался ученый Тесла. Рассмотрение этих проблемных вопросов дает возможность студентам и инженерам институтов взглянуть на проблемы науки более широко, структурировать и обобщать материал, отказаться от шаблонных мыслей.

Взгляды Тесла актуальны сегодня не только в технике и науке, но и для работ в новых изобретениях, применения новых технологий на производстве. Наше будущее даст объяснение явлениям и эффектам, открытым Теслой. Он заложил для третьего тысячелетия основы новейшей цивилизации.

Никола Тесла, является катушка или резонансный трансформатор, способный выдавать высокое напряжение с высокой частотой. Для того, чтобы представлять работу этого устройства, необходимо знать принцип работы катушки Тесла.

Трансформатор Тесла: принцип действия

Принцип работы данного устройства сравним с действием обычных качелей. При режиме принудительного раскачивания, максимальная амплитуда находится в пропорции к прилагаемым усилиям. Если же раскачивание производится в свободном режиме, происходит еще больший рост максимальной амплитуды.

В катушке качелями является вторичный контур колебаний, а прилагаемое усилие осуществляет генератор. Они срабатывают в строго обозначенное время.

Конструкция катушки Тесла

В самом простом трансформаторе имеется две катушки — первичная и вторичная. Кроме того, в конструкцию входит разрядник, конденсатор и терминал. В конечном итоге образуются два контура колебаний, связанных между собой. Это является основным отличием катушки Тесла от обычного трансформатора.

Для того, чтобы катушка работала полноценно, оба контура колебания настраиваются на одинаковую частоту резонанса. Настройка производится путем подстройки первичного контура под вторичный, изменяя емкость конденсатора и количество витков. В результате, на выходе катушки образуется максимальное напряжение.

Для работы трансформатора Тесла используется импульсный режим. На первом этапе величина заряда конденсатора должна сравняться с напряжением, вызывающим пробой разрядника. На втором этапе колебания высокой частоты генерируются в первичном контуре. Параллельно включается разрядник, замыкающий трансформатор и убирающий его из общего контура. В противном случае, в первичном контуре могут произойти потери, которые могут повлиять на качество его работы. В нормальной схеме, разрядник, как правило, устанавливается параллельно с источником питания.

Таким образом, значение напряжения на выходе катушки Тесла может составлять несколько миллионов вольт. С помощью такого напряжения, в , достигающие значительной длины. Их внешний вид буквально завораживает, и во многих случаях трансформатор применяется в качестве декоративного изделия.

Принцип действия катушки Тесла помогает найти практическое применение этому устройству. Как правило, ему отводится познавательная и эстетическая роль. Это связано с определенными трудностями в управлении прибором и передаче полученной на расстояние.

Каждый человек, вероятнее всего, слышал о том, что такое трансформатор Тесла, который также зачастую называется катушкой Тесла. Эту катушку можно увидеть во многих фильмах, компьютерных играх и телевизионных передачах. Однако мало слышать о том, что существует нечто подобное. Если вас спросят, что именно делает трансформатор Тесла, сможете ли вы дать на этот вопрос ответ? Скорее всего, нет, а если и сможете, то вряд ли вы сумеете рассказать достаточно подробностей. Именно поэтому и существует данная статья. С ее помощью вы сможете узнать все о трансформаторе Тесла, о том, как он устроен, для чего используется, как функционирует и так далее. Естественно, если вы учились по физической специализации, то для вас эти данные не будут новостью, однако большинство людей все же не в курсе деталей, касающихся катушки Тесла. А ведь это очень интересные данные, которые позволят вам расширить кругозор. Как легко можно догадаться, изобретателем этого устройства стал великий ученый Никола Тесла, который запатентовал свое изобретение в 1896 году, описав его как устройство, предназначенное для производства электрических токов высокой частоты. По сути, именно этим катушка Тесла и является, и об этом вы, вероятнее всего, уже знали. Поэтому стоит взглянуть на более интересные и менее известные данные.

В чем суть?

Для начала необходимо объяснить суть работы катушки Тесла. Она может выглядеть по-разному, однако многие люди отмечают, что, так или иначе, она смотрится очень эффектно даже в режиме спокойствия. Что уж говорить о том, когда она приводится в действие, и вокруг нее образуются видимые разряды электричества. Но как именно это происходит? Трансформатор Тесла работает за счет резонансных электромагнитных волн, образующихся в двух обмотках катушки, первичной и вторичной. Первичная обмотка представляет собой часть искрового колебательного центра. Что касается вторичной, то ее роль исполняет уже прямая катушка провода. Когда частота колебаний первичного и вторичного контура совпадает, между концами катушки появляется высокое переменное напряжение, которое вы можете увидеть невооруженным взглядом. Если вам не очень понятно то, как работает трансформатор Тесла, то для примера можно взять обычные качели. С их помощью объяснить работу будет гораздо проще. Если вы раскачиваете качели с помощью принудительных колебаний, то амплитуда будет пропорциональна вашему усилию. Если же вы решите раскачивать качели в режиме свободных колебаний, каждый раз подталкивая качели в необходимый момент, то амплитуда возрастет в несколько раз. То же самое происходит и с катушкой Тесла: при резонансе колебаний двух обмоток возникает гораздо более сильный ток.

Конструкция трансформатора

Второй момент, который необходимо принять во внимание, когда рассматривается трансформатор Тесла, — схема. Как именно устроена катушка? На самом деле устройство этого трансформатора может быть самым разнообразным, поэтому сейчас вы узнаете о том, как устроена его простейшая версия, которую вы затем можете совершенствовать так, как вам будет этого хотеться. Итак, простейший трансформатор Тесла состоит из нескольких элементов, а именно из входного трансформатора, катушки индуктивности, включающей в себя первичную и вторичную обмотку, а также из разрядника, конденсатора и терминала. Собственно говоря, ток начинает свое движение от входного трансформатора, являющегося источником питания, откуда через разрядник и конденсатор попадает на катушку индуктивности, а оттуда передается на терминал уже в умноженном размере. Причем терминал зачастую выбирается таким, чтобы он лучше всего мог передать подобное напряжение, например, он может быть в форме шара или диска. Как вы понимаете, это самый простой трансформатор Тесла — схема является подтверждением этого. В катушке Тесла может быть больше элементов. Там может присутствовать, например, тороид, который не описан в этой схеме, так как он не является ключевым элементом. Что касается основных элементов, то они все были указаны.

Функционирование

Итак, теперь вы знаете, как устроен трансформатор Тесла. Принцип работы его вам также понятен в целом, но можно и углубиться в детали. Как именно он функционирует? Оказывается, он работает в импульсном режиме. Что это означает? Это значит, что сначала происходит заряд конденсатора до того момента, когда совершится пробой разрядника, и электричество пройдет на катушку индуктивности. Тогда начинается вторая фаза, в ходе которой генерируются высокочастотные колебания. Обратите внимание, что разрядник должен располагаться параллельно источнику питания, благодаря чему он замыкает цепь, когда на катушку поступает ток, тем самым исключая источник питания из цепи. Зачем это нужно? Если остается частью цепи, это может значительно снижать напряжение на выходе из трансформатора. Естественно, результат все равно будет, однако он при этом окажется далеко не самым впечатляющим. Вот так функционирует трансформатор Тесла. Принцип работы вам теперь полностью понятен, однако все еще остаются некоторые детали, которые могут вас заинтересовать.

Заряд для трансформатора

Как вы уже могли заметить, если вы планируете создать мощный трансформатор Тесла, то для этого потребуется учесть абсолютно все детали, так как любые отклонения от нормы будут приводить к тому, что выходное напряжение будет недостаточно высоким, из-за чего эффект будет менее впечатляющим. И особое внимание необходимо уделить стартовому заряду, то есть подбору источника питания. Именно в данном случае нужно подобрать правильный конденсатор, чтобы выходное напряжение было идеальным, а конденсатор себя не «закорачивал». Существует даже трансформатор Тесла с самозапиткой, так что разнообразию конструкций нет пределов. Так что вам стоит помнить, что в данном случае рассматривается самая простая конструкция катушки Тесла.

Генерация

Ну и последнее, на что стоит взглянуть более детально — это непосредственно сам процесс генерации высокочастотного тока. Итак, питание трансформатора Тесла происходит за счет выбранного источника питания, который передает заряд в конденсатор, где он накапливается до того момента, как происходит пробой, в результате которого конденсатор через разрядник разряжается на первичную катушку. Так как напряжение разрядника резко снижается, цепь замыкается, и, как уже было сказано выше, источник питания исключается из цепи. В это время на первичной катушке возникают высокочастотные колебания, которые затем передаются на вторичную катушку, из-за чего колебания становятся резонансными, и на терминале возникает ток высокого напряжения. Вот так работает самый простой трансформатор Тесла, однако существует большое количество самых разнообразных его модификаций.

Модификации

Для начала вам стоит узнать о том, что классический вариант катушки Тесла, который был описан выше, обозначается следующим образом — SGTC. Последние две буквы расшифровываются как Tesla Coil, что переводится непосредственно как «катушка Тесла». Эти две буквы будут присутствовать в каждом из сокращений, а меняются только первые две. В данном случае SG обозначает Spark Gap, то есть эта катушка Тесла работает на искровом промежутке, создаваемом разрядником. Однако далеко не всегда дела обстоят именно так, поэтому необходимо рассмотреть различные варианты, такие как трансформатор Тесла на транзисторах или на полупроводниках. Первая модификация, на которую можно обратить внимание — это RSGTC, то есть катушка, которая работает на роторном искровом промежутке. В данном случае для питания используется электродвигатель, который вращает диск с электродами. Есть также VTTC, которая известна как ламповая катушка Тесла, работающая за счет электронных ламп. Этот вариант не требует высокого напряжения, а также отличается тишиной работы. Следующий вариант — это SSTC, то есть катушка Тесла, которая работает за счет генератора, основанного на полупроводниках. Эта модификация является одной из самых интересных в плане эффектности, так как с помощью силовых ключей вы можете изменять форму разряда. Модификацией этой версии катушки Тесла является DRSSTC. В данном случае используется двойной резонанс, что дает гораздо более внушительные размеры разряда. Отдельно стоит взглянуть на QCW DRSSTC — эта катушка Тесла характеризуется «плавной накачкой», то есть плавным, а не резким нарастанием всех параметров. В каждом из этих случаев расчет трансформатора Тесла будет отличаться, точно так же, как и его конструкций и, соответственно, его схема.

Использование катушки Тесла

Но как же может быть использована энергия трансформатора Тесла? Этот вопрос задает себе каждый человек, который впервые видит работу этого устройства. Собственно говоря, любование невероятными разрядами, которые имеют огромные размеры и выглядят очень впечатляюще, и является одним из самых главных и популярных способов использования. Этот трансформатор позволяет устроить настоящее шоу, которое способно очаровать любого человека, ведь это не магия, а чистейшая наука. Так что смело можно сказать, что одна из главных ролей трансформатора Тесла является декорация и развлечение. Однако оказывается, что существуют и другие способы использования этой технологии. Например, изначально катушки Тесла использовались для радиоуправления, беспроводной передачи данные и для передачи энергии. Естественно, со временем появлялись более эффективные способы выполнения каждой из этих функций, поэтому постепенно использование катушки Тесла становилось все менее и менее актуальным. Также стоит отметить, что ее использовали в медицине. Дело в том, что высокочастотный разряд, когда его пропускали по коже, не оказывал негативного влияния на внутренние органы человека, но при этом тонизировал кожу человека. В современном мире катушка Тесла уже фактически не используется с практической точки зрения из-за трудностей поддержания постоянной ее работы. Иногда она используется для поджига газоразрядных ламп или же в вакуумных системах, где трансформатор помогает найти течи. Таким образом, применение трансформатора Тесла в современном мире все же в большинстве случаев является декоративным, развлекательным и познавательным.

Эффекты

Вы уже представляете себе устройство трансформатора Тесла, потому на эту тему нет смысла говорить что-то еще. Однако это не значит, что сама по себе тема катушки Тесла исчерпала себя. Например, можно взглянуть на то, какие именно разряды создаются в результате ее деятельности. Оказывается, они не являются случайными: всего выделяют четыре основных вида. Во-первых, вы можете увидеть стримеры, которые представляют собой тусклые разветвленные каналы, которые уходят от терминала в воздух. По сути, они представляют собой визуализацию ионизации воздуха. Во-вторых, вы можете заметить спарки — это искровые разряды, которые уходят с терминала прямо в землю. Отличить их можно за счет того, что они очень сильно выделяются внешне — это пучок ярких искровых каналов. В-третьих, существует коронный разряд — так называется свечение ионов непосредственно в поле высокого напряжения. Ну и, наконец, имеется еще и дуговой разряд, который возникает, если к трансформатору поднести какой-либо заземленный предмет. Этот прием используют многие, когда катушка Тесла применяется для развлекательных мероприятий.

Влияние на здоровье

Выше было указано, что после изобретения катушки Тесла ее использовали в медицинских целях, однако многие источники сообщают, что трансформатор Тесла является смертельно опасным. Кто же прав, а кто обманывает? В большинстве случаев высокое напряжение является для человека смертельным, так как оно ведет к образованию ожогов, а также к остановке сердца. Однако некоторые типы трансформаторов Тесла обладают так называемым скин-эффектом, который позволяет электричеству воздействовать лишь на поверхность предмета, а в данном случае — на кожу человека. Как уже было сказано выше, это тонизирует кожу и омолаживает ее. Опять же, медицинских подтверждений этого факта нет, однако об этом очень много писали в свое время.

Катушка Тесла как часть культуры

Даже если вы не увлекаетесь наукой, все равно, вероятнее всего, уже видели катушку Тесла, так как она используется в самых разнообразных сферах развлечений. В первую очередь ее можно увидеть во многих фильмах, которые выходили на экраны кинотеатров в самые разные годы. Одним из самых известных фильмов, в которых очень важную роль отыграл трансформатор Тесла, стала экранизация одноименного романа «Престиж». Также очень часто катушку Тесла можно встретить в компьютерных играх, где она чаще всего выступает в роли мощного оружия. Более того, вы можете встретить трансформаторы Тесла даже в музыкальном искусстве. Оказывается, вы можете изменять звучание электрического разряда, увеличивая и уменьшая частоту тока. И некоторые исполнители и музыкальные группы используют это, чтобы записывать музыку. А тот, кто не хочет все усложнять, прибегает к помощи катушки Тесла, чтобы создать реалистичные звуки разрядов молний, как это сделала, например, известная певица Бьорк. Таким образом, в современном мире трансформаторы Тесла используются очень широко, однако нельзя сказать, что они применяются по назначению. Свое время в качестве функционального устройства катушка Тесла уже отжила, и она, по сути, должна была кануть в Лету, как и большинство старых устройств. Однако благодаря визуальным эффектам, которые она создает, катушка Тесла смогла дожить до сегодняшнего дня, и ее продолжают использовать постоянно, пусть и в качестве предмета развлечения. Стоит также отметить, что она используется и в обучающих целях, так как именно на ней можно наглядно продемонстрировать начинающим физикам, как выглядит электрический разряд, как он себя ведет и так далее. Проще говоря, трансформатор Тесла — это устройство, которое просуществовало сто лет и не потеряло своей актуальности даже в двадцать первом веке, который всем известен своим невероятным прогрессом в области высоких технологий.

В 1997 году я заинтересовался катушкой Тесла и решил построить свою. К сожалению, я потерял интерес к ней, прежде чем я смог её запустить. Через несколько лет я нашел свою старую катушку, немного пересчитал её и продолжил строительство. И снова я забросил ее. В 2007 году друг показал мне свою катушку, напомнив мне о моих незавершенных проектах. Я опять нашел свою старую катушку, пересчитал все и в этот раз завершил проект.

Катушка Тесла — это резонансный трансформатор. В основном это LC схемы, настроенные на одну резонансную частоту.

Высоковольтный трансформатор используется для зарядки конденсатора.

Как только конденсатор достигает достаточного уровня заряда, он разряжается на разрядник и там проскакивает искра. Происходит короткое замыкание первичной обмотки трансформатора и в ней начинаются колебания.

Поскольку ёмкость конденсатора фиксирована, схема настраивается путем изменения сопротивления первичной обмотки, изменяя точку подключения к ней. При правильной настройке, очень высокое напряжение будет в верхней части вторичной обмотки, что приведет к впечатляющим разрядам в воздухе. В отличие от традиционных трансформаторов, соотношение витков между первичной и вторичной обмотками практически не влияет на напряжение.

Этапы строительства

Спроектировать и построить катушку Тесла довольно легко. Для новичка это кажется сложной задачей (мне это тоже казалось сложным), но можно получить рабочую катушку, следуя инструкциям в этой статье и проделав небольшие расчеты. Конечно, если вы хотите очень мощную катушку, нет никакого способа кроме изучения теории и проведения множества расчетов.

Вот основные шаги, с которых следует начать:

1. Выбор источника питания. Трансформаторы которые используются в неоновых вывесках, вероятно, лучше всего подойдут для начинающих, так как они относительно дешевые. Я рекомендую трансформаторы с выходным напряжением не меньше чем 4кВ.
2. Изготовление разрядника. Это могут быть просто два винта, вкрученных в паре миллиметров друг от друга, но я рекомендую приложить немного больше усилий. Качество разрядника сильно влияет на производительность катушки.
3. Расчет ёмкости конденсатора. Используя формулу ниже, рассчитайте резонансную емкость для трансформатора. Значение конденсатора должно быть примерно в 1,5 раза больше этого значения. Вероятно, лучшим и наиболее эффективным решение будет сборка конденсаторов. Если вы не хотите тратить деньги, можете попробовать изготовить конденсатор сами, но он может не работать, а его емкость трудно определить.
4. Изготовление вторичной обмотки. Используйте 900-1000 витков эмалированной медной проволоки 0,3-0,6мм. Высота катушки обычно равна 5 её диаметрам. Водосточная труба из ПВХ, возможно, не самый лучший, но доступный материал для катушки. Полый металлический шар прицеплен к верхней части вторичной обмотки, а её нижняя часть заземлена. Для этого желательно использовать отдельное заземление, т.к. при использовании общедомового заземления есть шанс испортить другие электроприборы.
5. Изготовление первичной обмотки. Первичная обмотка может быть сделана из толстого кабеля, или ещё лучше из медной трубки. Чем толще трубка, тем меньше резистивных потерь. 6 миллиметровой трубы вполне достаточно для большинства катушек. Помните, что толстые трубы намного сложнее сгибать и медь трескается при многочисленных перегибах. В зависимости от размера вторичной обмотки, от 5 до 15 витков с шагом от 3 до 5 мм должно хватить.
6. Соедините все компоненты, настройте катушку, и все готово!

Перед тем как начать делать катушку Тесла настоятельно рекомендуется ознакомиться с правилами ТБ и работы с высокими напряжениями!

Также обратите внимание, что не были упомянуты схемы защиты трансформатора. Они не были использованы, и пока проблем нет. Ключевое слово здесь — пока.

Детали

Катушка делалась в основном из тех деталей, которые были в наличии.
Это были:
4кВ 35mA трансформатор от неоновой вывески.
0.3мм медная проволока.
0.33μF 275V конденсаторы.
Пришлось докупить 75мм водосточную трубу ПВХ и 5 метров 6мм медной трубки.

Вторичная обмотка

Вторичная обмотка сверху и снизу покрыта пластиковой изоляцией, для предотвращения пробоя

Вторичная обмотка была первым изготовленным компонентом. Я намотал около 900 витков провода вокруг сливной трубы высотой около 37см. Длина использованного провода была примерно 209 метров.

Индуктивности и емкости вторичной обмотки и металлической сферы (либо тороида) можно рассчитать по формулам которые можно найти на других сайтах. Имея эти данные можно рассчитать резонансную частоту вторичной обмотки:
L = [(2πf) 2 C] -1

При использовании сферы диаметром 14см, резонансная частота катушки равна примерно 452 кГц.

Металлическая сфера или тороид

Первой попыткой было изготовление металлической сферы путем обвертывания пластикового шара фольгой. Я не смог разгладить фольгу на шаре достаточно хорошо, и решил изготовит тороид. Я сделал небольшой тороид, обмотав алюминиевой лентой гофрированную трубу, свернутую в круг. Я не смог получить очень гладкий тороид, но он работает лучше, чем сфера из-за своей формы и за счет большего размера. Для поддержки тороида под него был подложен фанерный диск.

Первичная обмотка

Первичная обмотка состоит из медных трубок диаметром 6 мм, намотанных по спирали вокруг вторичной. Внутренний диаметр обмотки 17см, внешний 29см. Первичная обмотка содержит 6 витков с расстоянием 3 мм между ними. Из-за большого расстояния между первичной и вторичной обмоткой, они могут быть слабо связаны между собой.
Первичная обмотка вместе с конденсатором является LC генератором. Необходимая индуктивность может быть рассчитана по следующей формуле:
L = [(2πf) 2 C] -1
С — емкость конденсаторов, F-резонансная частота вторичной обмотки.

Но эта формула и калькуляторы основанные на ней дают лишь приблизительное значение. Правильный размер катушки должен быть подобран экспериментально, поэтому лучше сделать её слишком большой, чем слишком маленькой. Моя катушка состоит из 6 витков и подключена на 4 витке.

Конденсаторы

Сборка из 24 конденсаторов с гасящим резистором 10МОм на каждом

Так как у меня было большое количество мелких конденсаторов, я решил собрать их в один большой. Значение конденсаторов может быть рассчитано по следующей формуле:
C = I ⁄ (2πfU)

Значение конденсатора для моего трансформатора 27.8 нФ. Фактическое значение должно быть немного больше или меньше этого, так как быстрый рост напряжения в связи с резонансом может привести к поломке трансформатора и / или конденсаторов. Небольшую защиту от этого обеспечивают гасящие резисторы.

Моя сборка конденсаторов состоит из трех сборок с 24 конденсаторами в каждой. Напряжение в каждой сборке 6600 В, общая ёмкость всех сборок 41.3нФ.

Каждый конденсатор имеет свой 10 МОм гасящий резистор. Это важно, так как отдельные конденсаторы могут сохранять заряд в течение очень долгого времени после того, как питание было отключено. Как видно из рисунка ниже, номинальное напряжение конденсатора является слишком низким, даже для 4 кВ трансформатора. Чтобы хорошо и безопасно работать оно должно быть по крайней мере, 8 или 12 кВ.

Разрядник

Мой разрядник это просто два винта с металлическим шариком в середине.
Расстояние регулируется таким образом, что разрядник будет искрить только тогда, когда он является единственным подключенным к трансформатору. Увеличение расстояния между ними теоретически может увеличить длину искры, но есть риск разрушения трансформатора. Для большей катушки необходимо строить разрядник с воздушным охлаждением.

Как сделать катушку Тесла своими руками. Бифилярная катушка Тесла | Электронщик

Катушка Тесла представляет две катушки L1 и L2, которая посылает большой импульс тока в катушку L1. У катушек Тесла нет сердечника. На первичной обмотке наматывают более 10 витков. Вторичная обмотка тысячу витков. Еще добавляют конденсатор, чтобы минимизировать потери на искровой разряд.

Катушка Тесла выдает большой коэффициент трансформации. Он превышает отношение числа витков второй катушки к первой. Выходная разность потенциалов катушки Тесла бывает больше нескольких млн вольт. Это создает такие разряды электрического тока, что эффект получается зрелищным. Разряды бывают длины в несколько метров.

Принцип катушки Тесла

Чтобы понять, как работает катушка Тесла, нужно запомнить правило по электронике: лучше раз увидеть, чем сто услышать. Схема катушки Тесла простая. Это простейшее устройство катушки Тесла создает стримеры.

Из высоковольтного конца катушки Тесла вылетает стример фиолетового цвета. Вокруг нее есть странное поле, которое заставляет светиться люминесцентную лампу, которая не подключена и находится в этом поле.

Стример – это потери энергии в катушке Тесла. Никола Тесла старался избавляться от стримеров за счет того, чтобы подсоединить его к конденсатору. Без конденсатора стримера нет, а лампа горит ярче.

Катушку Тесла можно назвать игрушкой, кто показывает интересный эффект. Она поражает людей своими мощными искрами. Конструировать трансформатор – дело интересное. В одном устройстве совмещаются разные эффекты физики. Люди не понимают, как функционирует катушка.

Катушка Тесла имеет две обмотки. На первую подходит напряжение переменного тока, создающее поле потока. Энергия переходит во вторую катушку. Похожее действие у трансформатора.

Вторая катушка и Cs образуют дают колебания, суммирующие заряд. Некоторое время энергия держится в разности потенциалов. Чем больше вложим энергии, на выходе будет больше разности потенциалов.

Главные свойства катушки Тесла:

• Частота второго контура.
• Коэффициент обеих катушек.
• Добротность.

Коэффициент связи обуславливает быстроту передачи энергии из одной обмотки во вторичную. Добротность дает время сохранения энергии  контуром.

Подобие с качелями

Для лучшего понимания накапливания, большой разности потенциалов контуром, представьте качели, раскачивающиеся оператором. Тот же контур колебания, а человек служит первичной катушкой. Ход качели – это электрический ток во второй обмотке, а подъем – разность потенциалов.

Оператор раскачивает, передает энергию. За несколько раз они сильно разогнались и поднимаются очень высоко, они сконцентрировали в себе много энергии. Такой же эффект происходит с катушкой Тесла, наступает переизбыток энергии, случается пробивание и виден красивый стример.

Раскачивать колебания качелей нужно в соответствии с тактом. Частота резонанса – число колебаний в сек.

Длину траектории качели обуславливает коэффициент связи. Если раскачивать качели, то они быстро раскачаются, отойдут ровно на длину руки человека. Этот коэффициент единица. В нашем случае катушка Тесла с повышенным коэффициентом – тот же трансформатор.

Человек толкает качели, но не держит, то коэффициент связи малый, качели отходят еще дальше. Раскачивать их дольше, но для этого не требуется сила. Коэффициент связи больше, чем быстрее в контуре накапливается энергия. Разность потенциалов на выходе меньше.

Добротность – противоположно трению на примере качелей. Когда трение большое, то добротность маленькая. Значит, добротность и коэффициент согласовываются для наибольшей высоты качели, или наибольшего стримера. В трансформаторе второй обмотки катушки Тесла добротность – значение переменное. Два значения сложно согласовать, его подбирают в результате опытов.

Главные катушки Тесла

Тесла изготовил катушку одного вида, с разрядником. База элементов намного улучшилась, возникло много видов катушек, по подобию их также называют катушками Тесла. Виды называют и по-английски, аббревиатурами. Их называют аббревиатурами по-русски, не переводя.

• Катушка Тесла, имеющая в составе разрядник. Это начальная обычная конструкция. С малой мощностью это два провода. С большой мощностью – разрядники с вращением, сложные. Эти трансформаторы хороши, если необходим мощный стример.
• Трансформатор на радиолампе. Он работает бесперебойно и дает утолщенные стримеры. Такие катушки применяют для Тесла высокой частоты, они по виду похожи на факелы.
• Катушка на полупроводниковых приборах. Это транзисторы. Трансформаторы действуют постоянно. Вид бывает различным. Этой катушкой легко управлять.
• Катушки резонанса в количестве двух штук. Ключами являются полупроводники. Эти катушки самые сложные для настройки. Длина стримеров меньше, чем с разрядником, они хуже управляются.

Чтобы иметь возможность управлять видом, создали прерыватель. Этим устройством тормозили, чтобы было время на заряд конденсаторов, снизить температуру терминала. Так увеличивали длину разрядов. В настоящее время имеются другие опции (играет музыка).

Главные элементы катушки Тесла

В разных конструкциях основные черты и детали общие.

• Тороид – имеет 3 опции.Первая – снижение резонанса.
  Вторая – скапливание энергии разряда. Чем больше тороид, тем содержится больше энергии. Тороид выделяет энергию, повышает его. Это явление будет выгодным, если применять прерыватель.
  Третья – создание поля со статическим электричеством, отталкивающим от второй обмотки катушки. Эта опция выполняется самой второй катушкой. Тороид ей помогает. Из-за отталкивания стримера полем, он не бьет по короткому пути на вторую обмотку. От применения тороида несут пользу катушки с накачкой импульсами, с прерывателями. Значение наружного диаметра тороида в два раза больше второй обмотки.
  Тороиды можно изготовить из гофры и других материалов.
• Вторичная катушка – базовая составляющая Тесла.
  Длина в пять раз больше диаметра мотки.
  Диаметр провода рассчитывают, на второй обмотке влезало 1000 витков, витки наматывают плотно.
  Катушку покрывают лаком, чтобы защитить от повреждений. Можно покрывать тонким слоем.
  Каркас делают из труб ПВХ для канализации, которые продаются в магазинах для строительства.

• Кольцо защиты – служит для попадания стримера в первую обмотку, не повреждая. Кольцо ставится на катушку Тесла, стример по длине больше второй обмотки. Он похож на виток провода из меди, толще провода первой обмотки, заземляется кабелем к земле.
• Обмотка первичная – создается из медной трубки, использующейся в кондиционерах. Она имеет низкое сопротивление, чтобы большой ток шел по ней легко. Толщину трубы не рассчитывают, берут примерно 5-6 мм. Провод для первичной обмотки применяют с большим размером сечения.
  Расстояние от вторичной обмотки выбирается из расчета наличия необходимого коэффициента связи.
  Обмотка является подстраиваемой тогда, когда первый контур определен. Место, перемещая ее регулирует значение частоты первички.
  Эти обмотки изготавливают в виде цилиндра, конуса.

• Заземление – это важная составляющая часть.
  Стримеры бьют в заземление, замыкают ток.
  Будет недостаточное заземление, то стримеры будут ударять в катушку.

Катушки подключены к питанию через землю.

Есть вариант подключения питания от другого трансформатора. Этот способ называется «магниферным».

Биполярные катушки Тесла производят разряд между концами вторичной обмотки. Это обуславливает замыкание тока без заземления.

Для трансформатора в качестве заземления применяют заземление большим предметом, проводящим электрический ток – это противовес. Таких конструкций немного, они опасны, так как имеет место высокая разность потенциалов между землей. Емкость от противовеса и окружающих вещей отрицательно влияет на них.

Это правило действует для вторичных обмоток, у которых длина больше диаметра в 5 раз, и мощностью до 20 кВА.

Катушка Тесла своими руками

Как изготовить что-то эффектное по изобретениям Тесла? Увидев его идеи и изобретения, будет сделана катушка Тесла своими руками.

Это трансформатор, создающий высокое напряжение. Вы можете трогать искру, зажигать лампочки.

Для изготовления нам нужен медный провод в эмали диаметром 0,15 мм. Подойдет любой от 0,1 до 0,3 мм. Вам нужно порядка двухсот метров. Его можно достать из различных приборов, допустим, из трансформаторов, либо купить на рынке, это будет лучше. Еще вам понадобится несколько каркасов. Во-первых, это каркас для вторичной обмотки. Идеальный вариант – это 5 метровая канализационная труба, но, подойдет что угодно диаметром от 4 до 7 см, длиной 15-30 см.

Для первичной катушки вам понадобится каркас на пару сантиметров больше первого. Также понадобится несколько радиодеталей. Это транзистор D13007, либо его аналоги, небольшая плата, несколько резисторов, 5, 75 килоом 0,25 Вт.

Проволоку мотаем на каркас около 1000 витков без перехлестов, без больших промежутков, аккуратно. Можно управиться за 2 часа. Когда намотка закончена, намазываем обмотку лаком в несколько слоев, либо другим материалом, чтобы она не пришла в негодность.

Намотаем первую катушку. Она мотается на каркасе больше и мотается проводом порядка 1 мм. Здесь подойдет провод, порядка 10 витков.

Если изготавливать трансформатор простого типа, то состав его – это две катушки без сердечника. На первой обмотке около десяти витков толстого провода, на второй – не менее тысячи витков. При изготовлении, катушка Тесла своими руками имеет коэффициент в десятки раз больше, чем число витков второй и первой обмоток.

Выходное напряжение трансформатора будет достигать миллионы вольт. Это дает красивое зрелище в несколько метров.

Сложно намотать катушку Тесла своими руками. Еще труднее создать облик катушке для привлечения зрителей.

Сначала необходимо определиться с питанием в несколько киловольт, закрепить к конденсатору. При лишней емкости изменяется значение параметров диодного моста. Далее, подбирается промежуток искры для создания эффекта.

• Два провода скрепляются, оголенные концы были повернуты в сторону.
• Выставляется зазор из расчета пробивания немного большем напряжении данной разности потенциалов. Для переменного тока разность потенциалов будет выше определенного.
• Подключается питание катушке Тесла своими руками.
• Наматывается вторичная обмотка 200 витков на трубу из изоляционного материала. Если все изготовлено по правилам, то разряд будет хороший, с ветвями.
• Заземление второй катушки.

Получается катушка Тесла своими руками, которую можно изготовить дома, владея элементарными познаниями в электричестве.

Безопасность

Вторичная обмотка находится под напряжением, способным убить человека. Ток пробивания достигает сотен ампер. Человек может выжить до 10 ампер, поэтому не нужно забывать о мехах защиты.

Расчет катушки Тесла

Без расчетов можно изготовить слишком большой трансформатор, но разряды искры сильно разогревают воздух, создают гром. Электрическое поле выводит из строя электрические приборы, поэтому трансформатор необходимо располагать подальше.

Для расчета длины дуги и мощности расстояние между проводами электродов в см делится на 4,25, далее производится в квадрат, получается мощность (Вт).

Для определения расстояния корень квадратный от мощности умножается на 4,25. Обмотка, создающая разряд дуги в 1,5 метра, должна получать мощность1246 ватт. Обмотка с питанием в 1 кВт создает искру в 1,37 м длины.

Бифилярная катушка Тесла

Такой метод намотки провода распределяет емкость больше, чем при стандартной намотке.

Такие катушки обуславливают приближения витков. Градиент конусообразный, а не плоский, в середине катушки, или с провалом.

Емкость тока не изменяется. Из-за сближения участков разность потенциалов между витков во время колебаний повышается. Следовательно, сопротивление емкости при большой частоте в несколько раз снижается, а емкость увеличивается.

Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала

КАТУШКА ТЕСЛА SSTC

Представляем очередную мощную полупроводниковую катушку Тесла, которая как и предыдущий вариант была подсмотрена в буржунете. Катушки Тесла, как мы знаем, являются устройствами, используемыми для генерации высокого напряжения. В случае SSTC это напряжение около 80 — 100 кВ. 

Структура SSTC (электронная катушка Тесла) отличается от классических катушек (SGTC) использованием электронного инвертора вместо генератора на основе искрового промежутка. Это обеспечивает гораздо более компактную конструкцию и устраняет необходимость в высоком напряжении на первичной стороне (схема питается от прямого и отфильтрованного сетевого напряжения). В результате нет необходимости использовать дорогие и труднодоступные высоковольтные трансформаторы и конденсаторы.

Работа катушки основана на использовании явления электрического резонанса. Резонансный контур расположен на вторичной стороне, созданной индуктивностью многослойной однослойной воздушной катушки, и рассеянной емкостью, создаваемой как обмотками, так и емкостью тора, верхней клеммы катушки и даже самого коронного разряда. Чтобы катушка работала, вторичный резонансный контур должен быть «накачан» сильным сигналом с частотой, идеально синхронизированной с возникающим в нем резонансом. Здесь источником этого сигнала является электронный инвертор. 

Схема высоковольтного генератора SSTC

Что касается данной конструкции, это типичная схема, использующая мост с транзистором. Ниже приведены принципиальные схемы мощной Теслы SSTC (блок питания, контроллер и мост). Функции напряжений БП:

• 15 В используется для питания драйверов. 
• 5 В для 74HC14 — эта микросхема имеет ограниченное рабочее напряжение. 
• 12 В предназначено для питания вентиляторов охлаждения и NE555.

Принцип работы довольно прост. Антенна принимает электрическое поле резонатора, получая сигнал с формой волны, всегда соответствующей резонансу на вторичной стороне. Этот сигнал сначала «обрезается» до соответствующего уровня с помощью диодного ограничителя, а затем формируется цепью 74HC14 в прямоугольную волну. Используя эту обратную связь, катушка невосприимчива к отстройке — обычно емкость во вторичной цепи зависит от окружающей среды, и даже приближение руки к резонатору может вызвать значительное изменение резонансной частоты. Если сигнал управления поступает на контур от генератора постоянной частоты, это приведет к потере разряда, а часто даже к сгоранию транзисторов в мосту. Данное схемное решение полностью устраняет такие проблемы. 

Сформированный сигнал управляет парой драйверов MOSFET, которые в свою очередь управляют мостовыми транзисторами через трансформатор. 

Участок схемы, использующий м/с NE555, является так называемым прерывателем. Он нужен для включения / выключения работы катушки регулируемыми интервалами. Это позволяет изменять поведение разрядов и разгружает электронику, давая ей время остыть, а в случае более продвинутого прерывателя даже модулировать разряды так, чтобы они воспроизводили звук. Другая функция прерывателя — генерировать импульс, который вызывает одиночное переключение моста при включении катушки. Этот импульс вызывает колебания в резонаторе, позволяя катушке начать работать. 

Сам мост является типичным H-мостом на МОП-транзисторах. Он питается от сетевого напряжения, которое фильтруется одним твердотельным конденсатором 2200 мкФ 400 В. В качестве устройства плавного пуска использован сильноточный термистор NTC.

Транзисторы в мосту защищены набором диодов. Стабилитроны на затворе также должны защищать полевые ключи. Диоды MBR2545 и 15ETX06 используются для блокировки и замены встроенных транзисторных диодов внешними сверхбыстрыми диодами. Поскольку внешние диоды работают в десятки раз быстрее, это уменьшает явление перекрестных замыканий и потерь на переключение. Наличие этих диодов имеет важное значение, так как они отвечают за защиту от скачков напряжения, возникающих при переключении. Эти импульсы замыкаются на шину питания, где поглощаются конденсаторами С1 и С2, затем накопленная в них энергия берется мостом и, таким образом, восстанавливается. 

Антипараллельный дискретный диод во много раз быстрее, чем ключевой диод, поэтому с ним таких проблем не возникает, диод Шоттки на стоке и блокирует протекание тока через диод MOSFET, предотвращая его включение. Это является необходимым дополнением, поскольку несмотря на то, что более быстрые и более медленные диоды различаются по времени отключения, они закрываются почти так же быстро — во время, ограниченное главным образом паразитными факторами, такими как индуктивность соединений.

В общем SSTC — это особый случай высоковольтного генератора, который не следует рассматривать как обычный инвертор, работающий на ферритовом стержне. Здесь у нас есть резонансная вторичная система, на которую динамически настраиваем часть мощности. 

Вторичная цепь LC активно налагает синусоидальную форму волны тока на первичной обмотке, которую пытаемся синхронизировать, чтобы минимизировать потери на переключение. Если ключи переключаются не синхронно с ходом резонатора, это заставляет ток течь через него, вызывая перенапряжения и повышенные потери. Поэтому крайне важно минимизировать время простоя — ключи должны переключаться как можно ближе к нулевому току, в то время как большое простойное время переключает их «жестко» и увеличивает время, в течение которого диоды должны проводить ток, индуцированный вторичной цепью. 

К сожалению, на практике (по крайней мере, на таком простом контроллере) всегда будут небольшие перенапряжения, приводящие к переключению диодов с антипараллельными ключами. Проблема в том, что диоды, встроенные в МОП-транзисторы, очень медленные, их отключение занимает много времени. Это приводит к перекрестным замыканиям, потому что диоды не могут выйти из проводимости, а тут уже включится противоположный ключ, что очевидно, очень вредное явление. В обычном инверторе это просто увеличивает время простоя — при блокировке ключа генерируется только короткое замыкание, после которого достаточно дождаться выключения диодов. Здесь же этого сделать нельзя, поскольку после закрытия ключей резонатор все же заставляет ток течь.

Установлены ключи попарно на старые процессорные кулеры, чтобы обеспечить надежное охлаждение. Когда вентиляторы включены, заметного увеличения температуры радиаторов не происходит. 

Конденсаторы, соединенные последовательно с первичной обмоткой, предотвращают прохождение постоянного тока, которое может повредить ключи. 

1. Затворные резисторы R1..R4 вместе с параллельными диодами выполняют две важные функции. Первое — это предотвращение перекрестных коротких замыканий — резистор замедляет зарядку затвора, задерживая активность транзистора, а диод обеспечивает быструю разрядку затвора и закрытие ключа. Это исключает риск возникновения ситуации, когда верхнее и нижнее плечо одновременно открыты. 
2. Вторая функция — подавление паразитных колебаний — индуктивность обмотки GDT и емкость затвора создают систему LC, которая может возбуждаться во время переключения. Такие колебания могут выводить транзистор из состояния насыщения, что приводит к большим потерям и создает риск его повреждения. 

Здесь следует упомянуть, что значение резисторов на затворах транзистора зависит от конкретной их модели. Некоторые типичные значения известны, но их следует определять индивидуально с помощью экспериментов и измерений с помощью осциллографа, чтобы установить наиболее оптимальное время простоя.

Резонатор был намотан на трубу из ПВХ диаметром 110 мм (канализационная) с помощью провода диаметром 0,18 мм; длина самой намотки 45 см. Эти значения довольно велики, так что при желании вы можете легко использовать гораздо меньший резонатор.

Тор изготовлен из алюминиевой гибкой трубки (также стандартная) 80 мм и имеет внешний диаметр 280 мм, что дает ёмкость около 12 пФ. Резонансная частота вторичного контура составляет около 100 кГц. 

Первичная обмотка была сделана на трубе из ПВХ диаметром 160 мм, с центром вокруг резонатора. Это обеспечивает хорошую механическую поддержку обмоток. Оригинальный вариант насчитывает 13 витков 2,5 мм2.

Антенна сделана из медного провода 0,8 мм, 4 катушки по 20 мм внизу и около 60 мм основания, она помещена под резонатор вместе со всей электроникой в открытом корпусе. Когда она торчала наверх результат был намного хуже. В схеме транзисторы IRFP 460, диоды Шотки SBL3060, S40D45 и MUR860, потому что были под рукой, все остальное по схеме. GDT на данный момент работает на сердечнике 3E5, но можно и 3E25 диаметром 25 мм. Резисторы 12R вместо 27R.

Как видите, мощное электрическое поле катушки Тесла способно эффективно зажигать газоразрядные лампы, на фото светится трубчатая люминесцентная лампа. Максимальное расстояние, с которого она может засветиться, почти в три раза больше, чем показано на фотографии.

И ещё несколько разрядов на фотографиях:

Разряды имеют около 20-25 сантиметров.

Внимание: человек практически не чувствует поражения таким электрическим током поскольку он не стимулирует нервные окончания, это также означает, что даже относительно сильный удар не влияет на частоту сердечных сокращений мышц, как это происходит при постоянном или переменном напряжении 50 Гц. Тем не менее, несмотря на это и учитывая тот факт, что имеется опасный ток (для SSTC это миллиамперы, но для DRRSTC или SGTC ток может достигать мгновенных значений, рассчитанных в амперах), высокая мощность (малый ток, хотя и умноженный на десятки кВ), которую излучает катушка накачки — ткани человека подвергаются воздействию и это может привести к обширному термическому повреждению. Причём первой страдает нервная система!

Кроме того, следует учитывать, что прерыватель добавляет к излучению низкочастотную форму волны (например 10 — 50 Гц), а вот она уже может быть опасной. Всё это приводит к дополнительному риску, так как человек, который не знает об этом, может сознательно продлить касание, ошибочно думая, что если не чувствуется ток электричества, он в безопасности. Конечно, часто люди, которые касались разрядов от небольших катушек, не чувствовали негативных последствий (или, скорее, они были слишком малы, чтобы быть очевидными), но также есть случаи, когда игры с DRSSTC заканчивались парастазами и другими заболеваниями. Так что будьте осторожны с ВВ всегда!

   Форум по высоковольтным генераторам

   Форум по обсуждению материала КАТУШКА ТЕСЛА SSTC

Проектно-исследовательская работа по физике «Катушка Тесла и беспроводная передача электроэнергии на расстояние»

Муниципальное

общеобразовательное учреждение –

Средняя общеобразовательная школа с.Сокольниково

Катушка Тесла

и беспроводная передача электроэнергии

на расстояние

Выполнил:

ученик 8 класса

МОУ — СОШ с. Сокольниково

Можайского района МО

Киселев Константин Александрович

Научный руководитель:

Буждыган Нестор Емельянович,

учитель физики

МОУ-СОШ с. Сокольниково

Можайского района МО

с.Сокольниково, 2019

Предисловие.

В 1899 году в Колорадо-Спрингс (США) был провел эксперимент, который был столь же грандиозным, сколь и опасным. Башню высотой в несколько десятков метров венчала большая медная полусфера, и при включении установки возникали искровые разряды длиной до сорока метров. Молнии сопровождались громовыми раскатами, слышимыми за 15 миль.

Вокруг башни пылал огромный световой шар. Идущие по улице люди испуганно шарахались, с ужасом наблюдая, как между их ногами и землёй проскакивают искры. Лошади получали электрошоковые удары через железные подковы. На металлических предметах возникали синие ореолы – «огни святого Эльма«.

Человек, устроивший всю эту электрическую фантасмагорию, югославский ученый-энергетик Никола Тесла, вовсе не собирался пугать людей. Его цель была иной, и она была достигнута: за двадцать пять миль от башни под аплодисменты наблюдателей разом загорелись 200 электрических лампочек. Электрический заряд был передан без всяких проводов.

Этот широко известный эксперимент Теслы до сих пор не повторен.

Содержание:

Предисловие…………………………………………………………………………………1 стр.

Введение………………………………………………………………………………………………….2 стр.

Глава I. SGTC — Spark Gap Tesla Coil – катушка (генератор, трансформатор) Тесла

с искровым разрядником……………………………………………………………………3 стр.

1. 1. Биография Николы Тесла……………………………………………………………3 стр.

   2. Теоретическая часть………………………………………………………………….4 стр.

   3. Сборка установки катушки Тесла с искровым разрядником………………………5 стр.

Глава II. DRSSTC— DualResonantSolidStateTeslaCoil –особый тип

транзисторных катушек  Тесла (качер Бровина)………………………………………..12 стр.

2. 1. Сборка установки качера Бровина…………………………………………………12 стр.

   2. Явления и эффекты, наблюдаемые при работе качера Бровина…………………13 стр.

   3. Перспективы использования беспроводной передачи электроэнергии на расстояние.

3. Влияние катушки Тесла (каких-либо видов) на организм человека……………..14 стр.

4. Заключение…………………………………………………………………………..15 стр.

5. Список используемой литературы…………………………………………………15 стр.

6. Приложение………………………………………………………………………….16 стр.

Введение:

Мотив.

1. Изучая научные статьи по поводу работы трансформатора Тесла в сети Интернет, я понял, что многие люди считают трансформатор Тесла изделием, используемым только для декора, то есть для каких-либо световых шоу. Я бы хотел развеять этот миф.

2. Данную катушку Тесла можно использовать на уроках и во внеурочное время в классе и школе для проведения различных опытов и объяснения физических явлений и законов.

Актуальность темы.

Никола Тесла хотел использовать и использовал свой трансформатор для беспроводной передачи энергии на огромные расстояния. Возможно, развивая эту технологию дальше, можно добиться того, чего хотел добиться Тесла – широкого использования в современных условиях этого явления в качестве альтернативного источника энергии и передачи ее на большие расстояния.

Цель работы:

Создать рабочую установку высокочастотной Катушки Тесла и экспериментально исследовать явление беспроводной передачи энергии.

Задачи для достижения цели:

• Найти и проанализировать необходимую информацию по данной теме;

• Изучить биографию Николы Тесла;

• Найти необходимые материалы, для создания трансформатора;

• Изготовить рабочую установку Катушки Тесла;

• Провести исследования, доказывающие наличие сильного электромагнитного поля вокруг катушки способного передавать электричество без проводов;

• Рассказать о процессе изготовления и сделать вывод.

Объект исследования: физическое явление беспроводной передачи энергии.

Предмет исследования: Катушка Тесла – прибор, который способен передавать электричество без проводов.

Метод исследования: экспериментальный.

Практическая значимость: передача электроэнергии без каких-либо проводов и других проводников электричества.

Глава I. SGTC — Spark Gap Tesla Coil или катушка (генератор, трансформатор) Тесла с искровым разрядником

1. 1. Биография Николы Тесла:

Никола Тесла был рожден в Хорватском селе Смилян в июле 1856 года. Отец мальчика был священником, а мать была домохозяйкой, воспитывала четырех детей и иногда помогала мужу в церкви.  

Родители мечтали дать сыну духовное образование, но Никола думал о другом. И уже почти смирившись с выбором своей профессии родителями, неожиданно заболевает холерой. Отец, видя тяжелое состояние сына, идет на уступке юноше и разрешает ему получить техническое образование.

В 1875 году Николай Тесла стал студентом Грацкого технического училища и очень успешно учится.

После выздоровления у Николы начинаются проявляться различные необъяснимые видения с сопровождением вспышек яркого света. В них он начинает  видеть свои будущие изобретения. Сначала эта способность пугала молодого человека, но потом он учится расслабляться и сознательно использовать свое творческое воображение в своих работах.

В 1879 году умирает отец и Никола чтобы финансово помочь своей семье идет работать учителем в гимназии. А в следующем году, благодаря финансовой помощи, поступает в университет Прага, на факультет философии.  

После учебы переезжает в Венгрию и начинает свою работу в качестве чертежника и проектировщика. И у Николы Тесла появляется уникальная возможность экспериментировать и воплощать в жизнь свои идеи.  За это время он изобретает двигатель переменного тока и показывает его работу в Страсбурге.

В 1884 году Тесла переезжает в Нью-Йорк. Знакомиться с Эдисоном, но отношения между ними не завязываются. Они начинают между собой конфликтовать, так как оппонент не смог принять концепции переменного тока. Никола вынужден был покинуть команду Эдисона. 

Но Никола Тесла получает финансовую поддержку от различных меценатов за патенты от своих изобретений. Наблюдая за грозой, он приходит к идее, что земля проводит электрический ток, и научившись этим пользоваться население планеты раз и навсегда откроет для себя огромные ресурсы электрической энергии.

Многие свои изобретения он публично выставлял, но люди, сочли это за колдовские действия, начали бояться Николу и его приборов. Огромное число людей видела необъяснимые для себя явления вокруг дома Теслы и начала обходить его стороной. Народ начал слагать о нем различные пугающие истории и легенды.

Но Никола Тесла все это время работал над созданием устройства, которое смогло обеспечить всех жителей, почти бесплатным электричеством. За всю свою жизнь он изобрел: катушку Теслы, двигатель переменного тока и сам ток, способ сохранения и передачи энергии света, радио, рентген лучи, лазер, плазму  и многое другое.

Умер он в январе 1943 года, его смерть также окутана легендой. Как и вся его жизнь. Многие его изобретения остаются неразгаданной тайной.

Рисунок 1. Никола Тесла

1. 2. Теоретическая часть.Что такое катушка Тесла (SGTC)?

Простейшая катушка Тесла включает в себя входной трансформатор, разрядники, конденсатор, первичную обмотку, вторичную обмотку и тороид.Первичная обмотка обычно содержит всего несколько витков медной трубки или провода большого диаметра, а вторичная около 1000 витков провода меньшей площади сечения. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от обычных трансформаторов, здесь нет ферромагнитного сердечника. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён очень интересный элемент — разрядник. Разрядник, в простейшем случае представляет собой два массивных электрода с регулируемым зазором. Электроды должны быть устойчивы к протеканию больших токов через электрическую дугу между ними и иметь хорошее охлаждение.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 электрический пробой.

Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов. Для полноценной работы трансформатора эти два колебательных контура должны быть настроены на одну резонансную частоту. Обычно в процессе настройки подстраивают первичный контур под частоту вторичного путём изменения ёмкости конденсатора и числа витков первичной обмотки для получения максимального напряжения на выходе трансформатора.

Рисунок 2. Схема катушки Тесла Рисунок 3. Трансформатор Тесла

1. 3. Сборка установки катушки Тесла с искровым разрядником (SGTC).

Вторична катушка (обмотка)

Для начала я рассчитаю параметры вторичной катушки. Наматывать вторичку я буду на каркас диаметром 110мм (канализационная труба) и обмоточным проводом 0.62мм в диаметре. Чтобы найти количество витков нужно длину намотки на катушке разделить на длину провода, где длина намотки должна составлять 4 диаметра каркаса (440мм), см. формула 1. Чтобы найти длину обмоточного провода, который понадобится для намотки нужно число витков умножить на длину одного витка, см. формула 3, где длина одного витка находится по формуле 2.

Чтобы найти индуктивность однослойной цилиндрической катушки (вторички) нужно воспользоваться формулой 4.

Чтобы найти собственную ёмкость однослойной цилиндрической катушки (вторички) нужно воспользоваться формулой 5.

𝑊 –число витков

𝑊 –число витков

d — диаметр каркаса, м

𝐿 – индуктивность катушки, Гн; 

𝐷 – диаметр катушки, см; 

𝑙 – длина намотки катушки, см; 

𝑊– число витков,шт.; 

𝐶- собственная ёмкость вторичной катушки;

𝐷 – диаметр катушки, см; 

𝑙 – длина намотки катушки, см; 

Вторичную катушку я наматывал с помощью специальной самодельной установки, используя шаговый электродвигатель. Перед наматыванием я покрыл трубу тонким слоем эпоксидной смолы. Укладывал обмоточный провод витком к витку и без каких-либо нахлёстав (рис. 6). После намотки покрыл трубу с обмоточным проводом эпоксидной смолой в несколько слоев (рис. 7).

Рисунок 4. Намотка вторичной Рисунок 5. Покрытие эпоксидной смолой намотанной

катушки вторичной катушки

Первичная катушка (обмотка)

Первичная обмотка в данном случае была цилиндрическая, поэтому для её расчёта можно использовать формулы выше данные (2,3,4,5). В качестве провода для первички я использовал шину от трансформатора сварочного аппарата (рис. 8). Она была в искривленном состоянии, поэтому её пришлось выпрямлять с помощью молотка (рис. 9). Первичную катушку я наматывал на канализационную трубу диаметром 160мм. В данном случае я поменял изоляцию шины на свою, так как старая была в плохом состоянии.

Рисунок 6. Первичная катушка

Входной трансформатор

В качестве входного трансформатора я использовал трансформатор из микроволновки на 2200В (МОТ).Представляет собой обычный силовой трансформатор с одной лишь разницей, что его сердечник работает в режиме, близком к насыщению. Это означает, что несмотря на малые размеры, он имеет мощность до 1,5 кВт. Однако, есть и отрицательные стороны у такого режима работы. Это и большой ток холостого хода, около 2-4 А, и сильный нагрев даже без нагрузки. Обычное выходное напряжение у МОТа — 2000-2200 вольт при силе тока 500-850 мА.

У всех МОТов «первичка» намотана внизу, «вторичка» сверху. Делается это для хорошей изоляции обмоток. На «вторичке», а иногда и на «первичке» намотана накальная обмотка магнетрона, около 3,6 вольт. Причём между обмотками можно заметить две металлические перемычки. Это — магнитные шунты. Основное их назначение — замкнуть на себя часть создаваемого «первичкой» магнитного потока и таким образом ограничить магнитный поток через «вторичку» и её выходной ток на некотором уровне. Делается это из-за того, что при отсутствии шунтов при коротком замыкании во «вторичке» (при дуге) ток через «первичку» многократно возрастает и ограничивается лишь её сопротивлением, которое и так очень мало. Таким образом, шунты не дают трансформатору быстро перегреться при подключенной нагрузке. Хотя МОТ и греется, но в данном случае я не делаю для него охлаждение, так как включаться вся установка будет на маленький промежуток времени. (рис. 10).

Таких трансформаторов у меня было два. Возможно, эти два трансформатора, можно было бы соединить последовательно для достижения хорошего эффекта и включить в основную схему, но был риск того, что они окажутся в противофазе. Поэтому я использовал один МОТ.

Рисунок 7. Трансформатор из микроволновки (МОТ)

Разрядник

Один из основных элементов классической катушки Тесла является разрядник. В данном случае я использовал два массивных болта в качестве двух электродов, а регулировку расстояния между ними осуществлял за счет гаек, вставленных в противоположные стенки.

Рисунок 8. Готовый разрядник

Конденсатор

Конденсатор для первичного колебательного контура я решил изготовить самостоятельно (самодельный).Его я изготовил следующим образом: взял шесть банок объёмом 1 литр и залил в них соленую воду нужной консистенции (важно, чтобы количество соли и воды во всех банках было одинаковое), далее обернул эти банки плотно фольгой и поставил на лист фанеры, сделал вывод снизу (вывод алюминиевой фольги) и вывод сверху (вывод соленой воды).

Рисунок 9. Процесс изготовления конденсатора

Рисунок 10. Готовый конденсатор

Тороид

Тороид я изготовил из алюминиевой гофрированной трубы для отвода горячих газов диаметром 115мм, свернутой в бублик с внешним диаметром 340мм. Верхний конец вторичной катушки прикрепил к тороиду с помощью алюминиевого скотча. Ёмкость гофры можно рассчитать по формуле 6.

𝑇1 – внешний диаметр тороида, см; 

𝑇2 – диаметр трубы тороида, см.

Рисунок 11. Тороид

Заземление

Очень важно позаботится о заземлении нижнего конца вторичной обмотки. Оно должно быть очень качественным. Ведь если заземление будет плохим, то разряд катушки может пробить прямо в неё, и она будет повреждена. Это приведет к неисправности катушки. В моём случае заземление было качественным.

Два колебательных контура

Как говорилось ранее трансформатор Тесла состоит из двух связанных колебательных контуров. В данном случае первый колебательный контур состоит из конденсатораи первичной катушки, а второй – из вторичной катушки и тороида (здесь он выполняет функцию конденсатора). Также можно отметить, что к первому колебательному контуру относится и разрядник. Чтобы контуры вошли в резонанс нужно настроить их на одну резонансную частоту, которую можно рассчитать по формуле 7, но для этого нужно еще дополнительно знать результаты выше данных формул и формул 8,9.

ƒ – частота колебательного контура, Гц; 

𝐿 – индуктивность контура, Гн; 

𝐶 – емкость контура, Ф.

С – собственная емкость катушки; 

Сдоп.– емкость тороида или сферы.

(9)

– емкость первичного контура; 

– емкость вторичного контура;

– индуктивность первичного контура;

– индуктивность вторичного контура.

Результаты моих вычислений:

𝑊 = 711 витков;

Длина провода = 245м;

Длина витка = 0.3454м;

𝐿 = 12 460Гн;

𝐶 = 8пФ;

= 14. 8пФ;

ƒ = 0.5МГц;

= 22.8пФ.

(Здесь представлены лишь результаты основных формул).

Корпус и конечное собирание катушки

Корпус для катушки я изготовил из фанеры толщиной 10 мм с отверстием под вторичную катушку сверху. Также внутри была стойка под неё.По бокам наклеил несколько рисунков, предупреждающих об опасности при применении трансформатора Тесла.

Рисунок 12. Самодельный трансформатор Тесла

Результат работы:

К сожалению трансформатор не заработал. Между болтами (электродами) загорается дуга, это говорит о том, что первый колебательный контур замкнут, ноколебания в первичном контуре не возбудиликолебания во вторичномконтуре. Вероятнее всего, стримера не было по причине отсутствия резонанса, т.к. ёмкость самодельного конденсатора была определена мною приблизительно.Чтобы достичь резонанса я менял количество витков первичной обмотки, но безуспешно.

Отрицательный результат – тоже результат.

Этот трансформатор я решил оставить на время, но не останавливаться и сделать другую катушку на транзисторе (DRSSTC) (качер Бровина).

Глава II. DRSSTC— DualResonantSolidStateTeslaCoil –

особый тип транзисторных  катушек  Тесла (качер Бровина).

Что такое катушка Тесла (DRSSTC)?

Эта катушка, качер Бровина, почти ничем не отличается от прошлой катушки. Просто в данном случае для накачки первичного контура используется генератор электромагнитных колебанийна различных активных радиоэлементах.

В настоящее время при его сборке используют полевые или биполярные транзисторы, реже – радиолампы (триоды и пентоды). Качер – это качатель реактивностей, как сам расшифровал эту аббревиатуру автор изобретения Владимир Ильич Бровин.

Сборка установки качера Бровина.

Для сборки я использовал схему с применением транзистора КТ805. В моем случае КТ805АМ, так как это более совершенная модификация транзистора.

Рисунок 13. Схема катушки Тесла (качера Бровина)

Первое, что я сделал, это намотал вторичную обмотку. Наматывал на канализационную трубу диаметром 50мм обмоточным проводом 0.09мм в диаметре. Делал это с помощью специальной установки (как и в прошлый раз) с использованием дрели. Это значительно облегчило процесс. Всего по схеме я намотал 2500 витков с высотой намотки 22.5см. Первичную обмотку (4 витка без каркаса) я наматывал на трубку диаметром 74мм (банка из-под чипсов) проводом сечением 4.Направление витков обеих катушек обязательно должно совпадать.

Далее мне понадобился конденсатор 1000 и два резистора – 2.2кОм и 220 Ом (вместо резистора сопротивлением 150 Ом,я использовал резистор 220 Ом). Аккуратно все спаял по схеме, не перегревая компоненты и тем более транзистор. Тороид я изготовил из диэлектрической крышки ик неподключенному концу катушки подсоединил иглу – это дало возможность наблюдать «стример» – коронообразное свечение, возникшее на ее кончике, во время работы устройства (можно обойтись и без иглы – стример точно так же будет появляться на конце провода вторичной обмотки) и запустил катушку без корпуса, чтобы проверить её на работоспособность.

К счастью эта катушка Тесла (качер Бровина) заработала, мы увидели электрические разряды и я приступил к созданию корпуса.

Роль корпуса выполняет металлическая коробка от компьютерного блока питания. С помощью металлических деталей сделал подставку для всей схемы. Также транзистор я установил на алюминиевый радиатор и его прикрепил к металлическому основанию. Кулер, кнопку и вход 220В со шнуром я оставил. Для понижения напряжения до 12В использую блок питания на 12В и 2А. Плату из него я достал и вмонтировал в корпус, изолировав от него. Светодиод, который был в плате, вынес на корпус, соединил все провода, закрепил сверху на корпусе с помощью уголков вторичную катушку, на клей закрепил первичную, закрутил все болты и гайки, наклеил несколько наклеек, предупреждающих об опасности использования трансформатора.

Рисунок 14. Процесс изготовления катушки Тесла

2. 1. Явления и эффекты, наблюдаемые при работе качера Бровина.

Эта катушка Тесла на транзисторе получилась и прекрасно заработала. Для проверки использовали люминесцентную и другие лампы:

• При поднесении люминесцентной лампы на расстояние до 60 см от вторичной катушки – лампа загорается. (см.Приложение, рис.19).

• При поднесении энергосберегающей лампочки – она светится очень ярко. (см. Приложение, рис. 20).

• При поднесении газоразрядных трубок – в трубках возникал электрический разряд и трубки начинали излучать свет различных цветов в зависимости от газового наполнения трубок. (см. Приложение, рис. 21).

Вот она – беспроводная передача электроэнергии!

• Однопроводная передача электроэнергии. Подключив конец 2-х метрового провода к игле тороида, а другой конец к одному выводу люминесцентной лампы – она загорится. (см. Приложение, рис. 22).

• На кончике иглы тороида наблюдается коронный разряд (стример), который вполне зажигает спичку и ионизирует воздух (сильно чувствуется запах озона).

(см. Приложение, рис. 23).

• S-образное колесо установленное на острие иголки начинает вращаться под действием реактивной силы. (см. Приложение, рис. 24).

• При поднесении горящей свечи к стримеру – свеча тухнет. (см. Приложение, рис. 25).

• Цифровые приборы (компьютеры, смартфоны, калькуляторы и др.) отказываются работать, «глючат» и не показывают четких и точных результатов. (см. Приложение, рис. 18)

1. 3. Перспективы использования беспроводной передачи электроэнергии на расстояние.

Концепция беспроводной передачи электрической энергии на расстояние была сформулирована и осуществлена Николой Тесла. Такая передача использует высокочастотные электромагнитные поля, создаваемые заряженными частицами, для переноса энергии через воздушный зазор между передатчиками и приемниками.

Электроэнергия преобразуется в переменное электромагнитное поле, передается по воздуху, и затем с помощью приемника преобразуется в пригодный для использования электрический ток.

В современных условиях большинство жилых и производственных помещений, вся социальная инфраструктура, предприятия и учреждения, бытовая техника, частично транспорт и др. используют двухпроводную, трех- и четырех- проводную систему передачи переменного электрического тока. А это очень затратно: линии электропередач, кабели, электропроводка, тепловые потери энергии на данных линиях (джоулевое тепло) и прочее.

Беспроводная передача электроэнергии позволяет нам избавиться от линий передач иэлектрических проводов, что приведет к существенной экономии цветных и черных металлов. Она может обеспечить заряд компьютеров и мобильных телефонов, автомобилей, летательных аппаратов. Беспроводная передача электроэнергии возможна даже в космосе для питания космических летательных аппаратов от солнечных батарей.

Катушка Тесла дает нам возможность еще и однопроводной передачи электроэнергии на расстояние. Для этого подсоединим один конец провода к игле, а другой к выводу люминесцентной лампы. Она загорится! Это значит, что с помощью катушки Тесла можно использовать один провод для передачи энергии. Таким образом, если мы планируем передавать электроэнергию без проводов, посредством электромагнитного излучения, частота генерации должна быть высокой. Для однопроводной системы высокая частота также желательна: изолированный проводник в пространстве имеет достаточно малую ёмкость и индуктивность, что делает его резонансную частоту крайне высокой, а, как известно, максимальный КПД мы получим при наличии наилучшего согласования между каскадами системы, иными словами, проводник войдёт в резонанс с высокодобротным контуром.

На сегодняшний день ученые разных стран разрабатывают различные технологии беспроводной передачи электрической энергии и формы передачи энергии, в том числе и через землю.

3. Влияние катушки Тесла (каких-либо видов) на организм человека:

Являясь источником высокого напряжения, трансформатор Тесла может быть смертельно опасен. Особенно это касается сверхмощных трансформаторов с управлением на лампах или полевых транзисторах. В любом случае, даже для маломощных трансформаторов Тесла характерен выброс высоковольтной высокочастотной энергии, способной вызвать локальные повреждения кожного покрова в виде плохо заживающих ожогов. Для трансформаторов Тесла средней мощности (50-150 Ватт), такие ожоги могут привести к повреждению нервных окончаний и значительное повреждение подкожных слоев, включая повреждение мышц и связок. Трансформаторы Тесла с искровым возбуждением менее опасны с точки зрения ожогов, однако, высоковольтные разряды, следующие с паузами, наносят больший вред нервной системе и способны вызвать остановку сердца (у людей с проблемами сердца). В любом случае, вред, который могут нанести высокочастотные мощные генераторы, к которым относятся трансформаторы Тесла, сугубо индивидуален и, зависит от особенностей организма и психического состояния конкретного человека.

Замечен факт, что женщины наиболее остро реагируют на излучения мощных радиочастотных устройств, соответственно и реакция на мощные трансформаторы у женщин острее чем у мужчин.

4. Заключение

Катушка Тесла – прекрасное изобретение великого ученого. Это изделие может решить множество проблем человека, которые до сих пор преследуют его. Вопросы, которыми занимался Никола Тесла, остаются актуальными и сегодня. Их рассмотрение позволяет творческим инженерам физических специальностей шире смотреть на проблемы современной науки. Для начала 20 века его изобретения были для людей фантастикой.  Подобно Ломоносову, Никола Тесла опередил своё время и не получил заслуженного признания при жизни, впрочем, и поныне его труды не оценены по достоинству. 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.

Качер Бровина – оригинальный вариант генератора высокочастотных электромагнитных колебаний, с помощью которого можно беспроводно и с однопроводной связью передавать электрическую энергию на расстояние.

А главное – своим проектом я показал, что вполне успешно, своими руками и минимальным бюджетом можно создавать оригинальные устройства, проводить исследования по изучению физических явлений и законов, а также рассматривать возможности практического применения своих исследований. Хочу повторить, что моя работа в этом направлении не закончена и в будущем я добьюсь широкого использования этого явления.

Я считаю, что моя работа имеет просветительный характер, вызывает появление интереса к более углубленному изучению физики, побуждает к исследовательской и экспериментальной деятельности, а возможно приведет к увлечению на всю жизнь.

5. Список используемой литературы:

1. https://contur-sb.com/peredacha-elektroenergii-na-rasstoyanie-bez-provodov/

2. http://luniverse.org/great_lives_007_6.html

3. http://radioskot.ru/publ/kacher_brovina/1-1-0-438

4. http://teslacoil.ru/know-how/kak-sdelat-toroid-dlya-transformatora-tesla/

5. https://uchim-klass.ru/biografiya/tesla-nikola

6. Приложение.

Рисунок 15. От качера Бровина загорается люминесцентная и газоразрядная лампы

Рисунок 16. Катушка Тесла зажигает люминесцентную лампу.

Рисунок 17. Полностью собранная катушка Тесла

Рисунок 18. Влияние катушки Тесла на калькулятор (оборудование)

Рисунок 19. Люминесцентная лампа загорается на расстоянии 60 см от катушки

Рисунок 20. От качера Бровина загорается энергосберегающая лампа

Рисунок 21. От трансформатора загораются газоразрядные трубки

Рисунок 22. Однопроводная передача электроэнергии

Рисунок 23. Стример и зажигание спички от него

Рисунок 24. Вращающееся S-образное колесо

Рисунок 25. Потухание свечи от воздействия на неё стримера

Рисунок 26. Однопроводная передача электроэнергии.

Как работают катушки Тесла | RealClearScience

Тесла на заднем плане изучает хвастовство. (Фото: Викимедиа)

Представьте себе затворника, всю ночь капающего в поту в темной лаборатории, освещенного только потрескивающими искрами, которые вылетают из огромных машин и бросают лиловое сияние на его лицо. Это Никола Тесла, архетип безумного ученого. Его изобретения наполняют мир вокруг нас; они играют важную роль в нашей современной электросети.Это тихие, надежные, незаметные машины.

Но, пожалуй, самым известным его изобретением является катушка Тесла (см. Фото выше), устройство, которое производит красивые летающие дуги электрической энергии. Как это работает?

Принципы, лежащие в основе катушки Тесла, относительно просты. Просто имейте в виду, что электрический ток — это поток электронов, а разница в электрическом потенциале (напряжении) между двумя точками — это то, что толкает этот ток. Ток подобен воде, а напряжение — холму.Большое напряжение — это крутой холм, по которому потечет поток электронов. Небольшое напряжение похоже на почти плоскую равнину, на которой почти нет потока воды.

Мощность катушки Тесла заключается в процессе, называемом электромагнитной индукцией , то есть изменяющееся магнитное поле создает электрический потенциал, который заставляет ток течь. И наоборот, протекающий электрический ток создает магнитное поле. Когда электричество протекает через намотанную катушку с проволокой, оно генерирует магнитное поле, которое заполняет область вокруг катушки по определенной схеме, показанной линиями ниже:

Фотография изменена из Национальной лаборатории Лос-Аламоса.

Аналогичным образом, если магнитное поле течет через центр свернутого в спираль провода, в проводе генерируется напряжение, которое вызывает протекание электрического тока.

Электрический потенциал («холм»), создаваемый в катушке с проволокой магнитным полем, проходящим через ее центр, увеличивается с количеством витков проволоки. Изменяющееся магнитное поле внутри катушки из 50 витков будет генерировать в десять раз больше напряжения, чем в катушке всего из пяти витков. (Однако меньший ток может фактически протекать через более высокий потенциал, чтобы сохранить энергию.)

Именно так работает обычный электрический трансформатор переменного тока, который можно найти в каждом доме. Постоянно колеблющийся электрический ток, протекающий из электросети, наматывается через серию витков вокруг железного кольца для создания магнитного поля. Железо обладает магнитной проницаемостью, поэтому магнитное поле почти полностью содержится в железе. Кольцо направляет магнитное поле (обозначено зеленым цветом ниже) вокруг и через центр противоположной катушки с проводом.

Фото: Викимедиа

Соотношение катушек на одной стороне к другой определяет изменение напряжения.Чтобы перейти от напряжения домашней стены 120 В к, скажем, 20 В для использования в адаптере питания ноутбука, на выходной стороне катушки будет в 6 раз меньше витков, чтобы снизить напряжение до одной шестой от исходного уровня.

Катушки

Тесла делают то же самое, но с гораздо более резким изменением напряжения. Во-первых, они используют предварительно изготовленный высоковольтный трансформатор с железным сердечником для перехода от настенного тока со 120 В до примерно 10 000 В. Провод с напряжением 10 000 вольт наматывается на одну очень большую (первичную) катушку с небольшим количеством витков.Вторичная катушка содержит тысячи витков тонкой проволоки. Это увеличивает напряжение от 100000 до одного миллиона вольт. Этот потенциал настолько велик, что железный сердечник обычного трансформатора не может его вместить. Вместо этого между катушками есть только воздух, что можно увидеть на катушке Тесла ниже:

Большая (первичная) катушка с несколькими витками находится внизу. Вторичная катушка с тысячами витков — это вертикально стоящий цилиндр, отделенный от нижней катушки воздухом.(Фото: Викимедиа)

Катушка Тесла требует еще одного: конденсатора, который накапливает заряд и зажигает все это одной огромной искрой. Схема катушки содержит конденсатор и небольшое отверстие, называемое искровым разрядником. Когда катушка включена, электричество течет по цепи и наполняет конденсатор электронами, как батарея. Этот заряд создает в цепи собственный электрический потенциал, который пытается перекрыть искровой промежуток. Это может произойти только тогда, когда в конденсаторе накоплен очень большой заряд.

В конце концов, накопилось столько заряда, что нарушается электрическая нейтральность воздуха в середине искрового промежутка. Цепь замыкается на мгновение, и огромное количество тока вырывается из конденсатора и проходит через катушки. Это создает очень сильное магнитное поле в первичной катушке.

Катушка вторичного провода использует электромагнитную индукцию для преобразования этого магнитного поля в электрический потенциал, настолько высокий, что он может легко разорвать молекулы воздуха на его концах и толкнуть их электроны по дуге, создавая огромные пурпурные искры.Купол в верхней части устройства заставляет вторичную катушку проводов более полно получать энергию от первой катушки. С помощью некоторых тщательных математических расчетов количество передаваемой электроэнергии может быть увеличено до максимума.

Летящие синие стримеры электронов стекают с катушки через горячий воздух в поисках проводящего места для приземления. Они нагревают воздух и превращают его в плазму светящихся ионных нитей, прежде чем рассеяться в воздухе или попасть в ближайший проводник.

Создается потрясающее световое шоу, а также громкое жужжание и потрескивание, которые можно использовать для воспроизведения музыки.Электрическое зрелище настолько ошеломляет, что Тесла, как известно, использовал свое устройство, чтобы напугать и заворожить посетителей своей лаборатории.

Тесла, возможно, не изобрел луч смерти или бесплатную бесконечную силу, но он разработал простую, но блестящую машину, чтобы продемонстрировать чистую мощь и красоту электричества.

Как работает катушка Тесла

Катушка Тесла хорошо известна тем, что вырабатывает чрезвычайно высокие напряжения. В этом разделе мы объясним, как катушка oneTesla 10 дюймов может достигать напряжения более четверти миллиона вольт с использованием связанных резонансных цепей.Мы будем опираться на основы, чтобы дать вам подробное объяснение того, что происходит.

Содержание:

Ток, магнитные поля и индукция

Начнем с основ электромагнетизма. Одно из уравнений Максвелла, закон Ампера, гласит, что ток, протекающий по проводу, создает вокруг него магнитное поле.

Если мы хотим использовать это магическое поле в наших интересах, как мы это делаем в электромагните, мы скручиваем провод.Магнитные поля от отдельных витков складываются в центре.

Постоянный ток создает статическое магнитное поле. Что происходит, когда мы пропускаем через провод изменяющийся ток? Другое уравнение Максвелла, закон индукции Фарадея, говорит нам, что магнитное поле, изменяющееся во времени, индуцирует на проводе напряжение, пропорциональное скорости изменения магнитного поля:

Если ток внезапно отключается, закон Фарадея сообщает нам, что произойдет резкий скачок напряжения.Если через катушку протекает осциллирующий ток, он индуцирует в ней колеблющееся магнитное поле. Это, в свою очередь, индуцирует на катушке напряжение, которое стремится противодействовать току возбуждения. Интуитивно понятно, что магнитное поле является «упорным», вызывая напряжение, которое препятствует любому изменению поля.

Трансформаторы

Трансформатор использует закон индукции для повышения или понижения напряжения переменного тока. Он состоит из двух витков проволоки вокруг сердечника. Сердечник — это мягкое железо или феррит, материалы, которые легко намагничиваются и размагничиваются.

Колебательный ток в первичной обмотке создает колеблющееся магнитное поле в сердечнике. Ядро концентрирует поле, гарантируя, что большая его часть проходит через вторичный. Когда магнитное поле колеблется, оно индуцирует колебательный ток во вторичной катушке. Напряжение на каждом витке провода одинаковое, поэтому общее напряжение на катушках пропорционально количеству витков:

Поскольку энергия сохраняется, ток на стороне трансформатора с более высоким напряжением меньше в той же пропорции.

Катушка Тесла — это очень мощный трансформатор. Давайте вкратце рассмотрим, что было бы, если бы это был идеальный трансформатор. Первичная обмотка имеет шесть витков, а вторичная — около 1800 витков. На первичную обмотку подается напряжение 340 В, поэтому на вторичной будет подаваться напряжение 340 В x 300 = 102 кВ. Это много! Но не совсем четверть миллиона. Кроме того, поскольку катушка Тесла имеет воздушный сердечник и катушки расположены относительно далеко друг от друга, только небольшая часть магнитного поля, создаваемого первичной обмоткой, фактически связана с вторичной обмоткой.Чтобы лучше понять, что происходит, нам нужно ввести резонансные контуры.

Резонансные цепи

Резонансный контур подобен камертону: он имеет очень сильный амплитудный отклик на одной конкретной частоте, называемой резонансной или собственной частотой. В случае камертона зубцы сильно вибрируют при возбуждении с частотой, определяемой его размерами и свойствами материала. Резонансный контур достигает самых высоких напряжений при работе на собственной частоте, которая определяется стоимостью его компонентов.

В резонансных цепях используются конденсаторы и катушки индуктивности, поэтому они также известны как LC-цепи. Они также известны как «резервуарные контуры» из-за присутствующих элементов накопления энергии.

Конденсаторы хранят энергию в виде электрического поля между двумя пластинами, разделенными изолятором, известным как диэлектрик. Размер конденсатора зависит от размера пластин, расстояния между ними и свойств диэлектрика. Интересно, что верхняя нагрузка на катушку Тесла действует как однопластинчатый конденсатор, а земля, окружающая катушку, действует как противодействующая пластина.Емкость верхней нагрузки определяется ее размерами и близостью к другим объектам.

Катушки индуктивности накапливают энергию в виде магнитного поля вокруг провода или в середине петли из провода. Первичный индуктор в катушке oneTesla 10 ”состоит из шести витков провода AWG14, а вторичный — примерно 1800 витков провода AWG36.

LC-цепь может иметь катушку индуктивности и конденсатор, включенные последовательно или параллельно. Здесь мы используем последовательные LC-цепи, например:

Подумайте, что происходит, когда вы не управляете схемой (предположим, что источник переменного тока на приведенном выше рисунке заменен проводом), а начинаете с заряженного конденсатора.Конденсатор хочет разрядиться, поэтому заряд течет по цепи через катушку индуктивности к другой пластине. При этом внутри индуктора создается магнитное поле. Когда заряд на каждой пластине конденсатора равен нулю, ток перестает течь. Но в этот момент индуктор имеет энергию, накопленную в магнитном поле, которое имеет тенденцию противодействовать изменениям. Магнитное поле схлопывается, вызывая продолжающийся ток в том же направлении, тем самым перезаряжая конденсатор и возобновляя цикл в противоположном направлении.

Резонансная частота LC-контура или частота, при которой энергия циклически меняется между конденсатором и катушкой индуктивности, как описано выше, составляет:

Привод цепи на ее резонансную частоту добавляет энергию в течение каждого цикла. Обеспечивая последовательность своевременных толчков, мы можем создавать чрезвычайно высокие напряжения! В катушке Тесла вспыхивает искра и разряжает цепь, когда напряжение становится достаточно высоким.

DRSSTC

Катушка oneTesla 10 ”использует топологию двойного резонанса, отсюда и название твердотельная катушка Тесла с двойным резонансом, или DRSSTC.В DRSSTC цепь, управляющая вторичной LC-цепью, представляет собой другую LC-цепь, настроенную на ту же резонансную частоту. На следующей диаграмме L _pri и L _sec являются первичной и вторичной индукторами соответственно. Они слабо связаны, связывая примерно одну десятую своего магнитного поля.

Есть несколько причин, по которым в катушках Тесла не используется магнитный сердечник. Прежде всего, напряжения в катушке Тесла настолько высоки, что сердечник быстро насыщается, а это означает, что он больше не будет намагничиваться после определенной точки.Кроме того, большинство материалов создают сопротивление и нагреваются в магнитном поле, которое быстро переключается, как в случае катушки. Высокое напряжение, создаваемое катушкой, также может вызвать дугу в сердечнике. Но, что наиболее важно, очень важно, чтобы первичная и вторичная обмотки были слабо связаны, чтобы вторичная обмотка не нагружалась первичной обмоткой.

Полумост

Как нам провести праймериз? Мы используем источник постоянного напряжения и подаем напряжение попеременно на первичную обмотку.

Переключатели, которые мы используем для подачи постоянного напряжения в переменном направлении через первичную обмотку, — это IGBT, сокращение от биполярных транзисторов с изолированным затвором. IGBT — это транзистор, способный управлять очень высокими напряжениями и токами. Это его схематический символ:

.

Его клеммы помечены как коллектор, затвор и эмиттер как пережиток электронных ламп до эры транзисторов. Упрощенная модель IGBT представляет собой нормально разомкнутый переключатель, который замыкается при приложении положительного напряжения затвора (VGE).На следующей схеме полумоста S1 и S2 представляют IGBT. Они попеременно включаются и выключаются, что переключает полярность шины V /2 между первичной обмоткой L _{и первичной обмоткой} C _{, первичной катушкой индуктивности и конденсатором. Катушка oneTesla 10 ”питается от шины напряжением 340 В постоянного тока, которое мы получаем от выпрямленного и удвоенного линейного напряжения.}

На плате управления мы получаем напряжение на шине из преобразованного и удвоенного линейного напряжения. Подробнее об этой части схемы мы поговорим позже.

Коммутация при нулевом токе

Когда IGBT полностью включены (переключатели замкнуты), они почти идеальные проводники. Когда они полностью выключены (переключатели полностью разомкнуты), они почти идеальные изоляторы. Однако, когда они находятся в переходном состоянии между полностью открытыми и полностью закрытыми или наоборот, они ведут себя как резисторы. Напомним, что количество мощности, рассеиваемой в цепи, равно P = VI.Если мы попытаемся переключить IGBT при большом токе в цепи, он сильно нагреется! Мы должны синхронизировать переключение IGBT с естественным переходом через ноль первичной LC-цепи. На плате oneTesla мы добиваемся переключения при нулевом токе, измеряя первичный ток и используя управляющую логику, чтобы гарантировать, что транзисторы переключаются в правильное время.

Привод ворот

БТИЗ — далеко не идеальные переключатели. Мы хотим, чтобы они переключались быстро, чтобы минимизировать время, в течение которого они обладают сопротивлением и рассеивают мощность.Проблема с быстрым переключением затворов заключается в том, что они имеют значительную внутреннюю емкость, и требуется большой заряд, чтобы заполнить эту емкость и достичь напряжения включения на затворе (напряжение конденсатора определяется как V = Q / C ).

Чтобы зарядить CGE за максимально короткое время, мы хотим использовать короткий сильноточный импульс. ИС привода затвора предназначены именно для этого. Мы используем микросхемы UCC3732x, которые могут подавать короткие импульсы до 9А. Логическая схема, предшествующая драйверам затворов, даже близко не способна обеспечить достаточный ток для быстрого включения затворов, поэтому драйверы затворов являются важными компонентами.Наконец, нам нужно изолировать драйверы затвора от IGBT с помощью трансформаторов управления затвором (GDT). Для включения каждого IGBT необходимо приложить напряжение затвора между его затвором и эмиттером. Это легко сделать с нижним (нижним) IGBT — его эмиттер всегда находится на земле, а это означает, что его затвор нужно только поднять до +15 В. С верхним (верхним) IGBT все не так просто, потому что его эмиттер связан с коллектором нижнего IBGT, узлом, который колеблется между 0 и V _шиной /2 (что в нашем случае составляет 170 В. ).Это означает, что нам нужно подвести затвор верхнего IGBT к шине V /2 + 15 В, чтобы включить его.

К счастью, есть простой способ обойти это! Мы можем управлять первичной обмоткой трансформатора 1: 1: 1 с помощью (биполярного) управляющего сигнала, полученного от двухтактной пары UCC. Более конкретно, мы управляем первичной обмоткой трансформатора с разницей выходов инвертирующего и неинвертирующего драйвера затвора. Это гарантирует, что в половине случаев этот сигнал будет положительным, а в половине случаев — отрицательным.Благодаря действию трансформатора, напряжение на каждой вторичной обмотке GDT гарантированно повторяет напряжение на первичной обмотке, независимо от того, где мы соединяем концы. Это означает, что мы можем просто подключить вторичную обмотку через затвор и эмиттер каждого IGBT и гарантировать, что напряжение V _ge всегда будет колебаться между 0 и 15 В (независимо от потенциала эмиттера).

Выпрямитель и удвоитель

Полумост в oneTesla приводится в действие удваивающим выпрямителем, как показано на схеме выше.Этот выпрямитель поочередно заряжает каждый конденсатор в чередующихся полупериодах входного переменного тока, что приводит к удвоению напряжения источника на нагрузке. В положительной части цикла верхний диод проводит и заряжает верхний конденсатор.

В отрицательной части цикла нижний диод проводит и заряжает нижний конденсатор. Напряжение на нагрузке — это сумма напряжений на каждом конденсаторе.

Логика
Как упоминалось ранее, управляющая логика необходима для определения первичного тока и предотвращения включения и выключения IGBT, пока через них проходит ток. Давайте рассмотрим приведенную выше схему слева направо. (Обратите внимание, что номера деталей на схеме не соответствуют номерам на плате, но мы используем их здесь только в пояснительных целях. Для получения полной информации см. Файлы Eagle, доступные по адресу http://onetesla.com/downloads. схематический.)

Трансформатор тока снижает первичный ток до безопасного уровня для использования в логической части платы. R1 — это резистор мощностью 5 Вт, который нагружает трансформатор и ограничивает ток. D1 начинает проводить, когда сигнал превышает 5,7 В, что представляет собой напряжение шины плюс прямое падение напряжения на диоде, эффективно предотвращая превышение сигналом 5,7 В. D2 начинает проводить, когда сигнал составляет -0,7 В. Вместе D1 и D2 представляют собой защитные диоды, которые ограничивают сигнал и предотвращают повреждение логических микросхем, если сигнал от трансформатора тока слишком высокий.Далее, G1 и G2 — это инверторы, которые выравнивают сигнал для последующих ИС.

Оптический приемник выдает 5 В или 0 В в зависимости от сигнала прерывателя. R1, R2 и R3 образуют сеть резисторов, которая гарантирует, что катушка может быть запущена в работу только сигналом прерывателя при запуске, в отсутствие формы сигнала обратной связи. Когда катушка только запускается, сигнал обратной связи отсутствует, но сигнал прерывателя проходит через UCC. Когда катушка работает, сигнал обратной связи доминирует в верхней части пути прохождения сигнала.

Инвертированный сигнал прерывателя и прямоугольная волна из возведенного в квадрат сигнала первичного тока затем подаются в триггер D-типа, который выполняет логику, определяющую, когда драйверы затвора получают сигнал. Они включаются только при переходе через ноль, а также при наличии сигнала от прерывателя. D-триггер ведет себя согласно следующей таблице истинности:

В нашей схеме \ PRE и D вытянуты высоко. Инвертированный сигнал прерывателя, который подается в \ CLR, устанавливает высокий уровень \ Q, когда прерыватель включен.Когда прерыватель выключается, \ Q остается на высоком уровне до следующего спада CLK (который синхронизируется с переходами через ноль первичного тока), после чего он переключается на низкий уровень.

Инвертирующий драйвер затвора включается, когда IN высокий, а EN низкий. Драйвер неинвертирующего затвора включается, когда IN высокий, а EN высокий.

Прерыватель
Прерыватель oneTesla — это устройство на основе микроконтроллера, которое преобразует входящий поток MIDI-команд в поток импульсов для катушки Тесла.Эти импульсы включают или выключают всю катушку, тем самым контролируя как мощность, так и воспроизводя музыку.

MIDI-команды принимаются через входной MIDI-разъем. Согласно спецификациям MIDI, оптоизолятор 4N25 обеспечивает изоляцию, необходимую для устранения контуров заземления. Когда микроконтроллер получает команду включения ноты, он начинает выводить поток импульсов с частотой ноты. Длина этих импульсов указывается в справочной таблице в прошивке. Прерыватель использует отдельные MIDI-каналы для одновременного воспроизведения нескольких нот — для воспроизведения двух каналов программа просто генерирует последовательности импульсов, соответствующие каждому каналу, а затем выполняет логическую функцию ИЛИ над последовательностями импульсов перед их выводом.Ограничение максимальной ширины импульса гарантирует, что в результирующем потоке не будет слишком длинных импульсов.

Регулятор мощности линейно масштабирует ширину импульса в зависимости от положения потенциометра. Хотя это не дает линейной длины искры, у него есть преимущество предсказуемого масштабирования энергопотребления катушки, функция, которая была бы потеряна, если бы кривые масштабирования были настроены для линейного роста искры.

Так как же он делает музыку?

Звук — это волна давления.Его высота определяется частотой волны. Мы можем издавать звук разными способами: обычные динамики вызывают вибрацию мембраны, а катушки Тесла используют расширение и сжатие воздуха из-за нагрева от плазмы.

Резонансная частота вторичной обмотки составляет около 230 кГц, что намного выше звукового диапазона. Мы можем использовать вспышки искр с частотой 230 кГц, чтобы создать волны давления на звуковой частоте. Вспышка искр загорается на каждом пике звукового сигнала. Быстрое зажигание искр происходит быстрее, чем ваш глаз может различить, поэтому он выглядит непрерывным, но на самом деле искра формируется и гаснет с интервалами звуковой частоты.Этот метод модуляции известен как модуляция плотности импульсов (PDM) или модуляция с повторением импульсов (PRM).

Ток в первичной обмотке продолжает увеличиваться, пока мост приводится в движение. Важно сделать импульсы достаточно короткими, чтобы IGBT не перегревались. За один цикл ток на первичной обмотке за короткое время может достигать сотен ампер. Из-за тепловых причин максимальный рабочий цикл моста составляет примерно 10%. В прошивке прерывателя есть справочная таблица частот и времени включения, которые определяются эмпирически путем изменения ширины импульса и наблюдения за характеристиками искры.

Электромагнитная индукция и катушки Тесла: как это работает

Никола Тесла известен как один из величайших умов науки. Его эксперименты помогли расширить области электричества и магнетизма, сделав возможными многие гаджеты и предметы роскоши, которыми мы наслаждаемся сегодня. Одно из самых известных изобретений Теслы — катушка Тесла, первое устройство, которое могло передавать электричество без проводов. Катушка была создана в 1891 году, до появления трансформаторов с железным сердечником.

Сегодня структуру катушки Тесла можно встретить в некоторых телевизорах и в лабораториях.

Как работает катушка Тесла?

Катушка Тесла состоит из 6 основных компонентов: разрядника, конденсатора, трансформатора, первичной обмотки, вторичной обмотки и верхней нагрузки. И первичная, и вторичная катушки имеют свой собственный конденсатор и соединены друг с другом искровым разрядником. Искровой разрядник — это пространство между двумя электрическими проводниками, в котором проходит «искра». Свечи зажигания в автомобиле имеют зазор, который способствует воспламенению топлива в двигателях.

На схеме ниже показана основная структура катушки Тесла и ее компонентов. Тор — это верхняя нагрузка.

Изображение Omegatron

Эксперименты с катушкой Тесла

Существуют десятки вариантов создания собственной катушки Тесла. Однако его создание может быть опасным экспериментом. Только взрослые должны пытаться строить и делать это на открытом воздухе, например, на складе или в гараже, в защитном снаряжении и с соблюдением указанных мер безопасности.

Вот некоторые из принадлежностей, которые вам понадобятся для создания простого эксперимента, изучения этого великолепного изобретения, электричества и электромагнитной индукции.

Принадлежности

• Труба из ПВХ (около 4 футов)
• Трансформатор / источник питания
• Дерево (для основания и разрядника)
• Медная проволока
• Конденсатор
• Гайки и болты искрового разрядника
• Тор

Базовая структура

Основанием для вашей катушки послужат два куска дерева.Между двумя частями будут трансформатор, конденсатор и искровой разрядник. Вы можете сделать свой собственный конденсатор из лейденской банки. Вторичная обмотка — это медная проволока, намотанная на трубу из ПВХ. Первичная обмотка также представляет собой медный провод, намотанный по спирали. Трансформатор / источник питания подключен к первичной обмотке. Трансформатор не следует включать до тех пор, пока все не будет настроено и вы не окажетесь на безопасном расстоянии. Когда все настроено и трансформатор включен, электрический ток проходит по проводу и концентрируется в верхней нагрузке или торе, что некоторые называют «молниями».

Катушка Тесла работает за счет электромагнитной индукции. Это когда изменяющееся магнитное поле вызывает электрический ток. Если вы знаете об электромагнитах, вы знаете, что когда электрический ток подается на медную проволоку, она становится похожей на магнит, генерируя собственное магнитное поле.

Что такое катушка Тесла, как она работает?

Катушка Тесла, одно из самых важных изобретений Николы Тесла, направлено на беспроводную передачу электроэнергии за счет увеличения электрического напряжения, с выходом с высокой частотой с низкой плотностью тока.

С этим принципом , изобретение радиоантенны , флуоресцентные и неоновые лампы и магнитный резонанс (магнитный резонанс-MR) , рентгеновский снимок , основа устройств , используемых в беспроводной передаче данных был основан.

Катушка Тесла состоит из: высоковольтного трансформатора , искрового разрядника , высоковольтного конденсатора , первичной обмотки , количество витков меньше , чем вторичная обмотка и вторичная обмотка , подключенная к , выход энергии высокого напряжения проводника (тороид).

Провод первичной обмотки имеет большую площадь поперечного сечения , чем вторичная обмотка. Проводящий провод наматывается вокруг диэлектрика заданного диаметра, и магнитное поле создается путем обеспечения потока тока проводника в спиральной форме .

Рисунок 1 — Схема катушки Тесла

Функционирование катушки Тесла можно резюмировать следующим образом: Рисунок 1 ; Трансформатор высокого напряжения заряжается конденсатором высокого напряжения .Как только напряжения на искровом промежутке, отрегулированные в соответствии с пиковым напряжением конденсатора, выравниваются, между искровыми промежутками возникает короткое замыкание . И первичная обмотка с конденсатором становится параллельной цепью .

Первичная катушка полностью заряженного конденсатора находится под напряжением, а вторичная катушка находится под действием энергии и магнитного поля . Вторичный резонансный контур, состоящий из первичного параллельного резонансного контура в форме LC и емкости тороида с высоковольтным выходом вторичной катушки относительно линии заземления,

резонанса попадают в частоту.

Следовательно,

и

условие будет выполнено.

Высокое напряжение электрическая энергия с высокой резонансной частотой возникает на выходе схемы, а рассеяние дуги осуществляется на тороиде. Таким образом, Nikola Tesla могла производить высокочастотную электрическую энергию высокого напряжения, чего не могли достичь генераторы, используя катушки с воздушным сердечником .

По переключению катушки Тесла; Катушка Тесла с искровым промежутком , Твердотельная катушка Тесла с использованием полупроводниковых силовых компонентов, таких как транзистор-MOSFET-IGBT, и осциллятор обратной связи , подающий синусоидальный ток на трансформатор.

Катушка

Тесла имеет электромагнитное поле вокруг тороидной части. Электроны в соседней люминесцентной лампе движутся, и лампа загорается. Однако из-за потерь световая эффективность будет низкой.

В рабочей системе катушек Тесла; высокое напряжение , высокое электромагнитное поле , дуги, которые могут достигать больших расстояний , высоковольтный конденсатор взрыв , производство токсичного озона , ожог и пожар и другие чрезвычайные опасности.Следовательно, , эксперименты с катушкой Тесла не должны проводиться людьми, у которых недостаточно технических знаний.

120. Катушки Тесла | UCLA Physics & Astronomy

Катушка Тесла — это высокочастотный трансформатор очень высокого напряжения. Принцип работы и схема описаны ниже. Наша меньшая катушка Тесла излучает достаточно радиочастоты, чтобы осветить люминесцентную лампу в футе от нас. Вы можете нарисовать на своем теле дугу длиной в фут, используя металлический стержень; частота настолько высока, что ионы в вашем теле не успевают переместиться достаточно далеко, чтобы нанести ущерб.

Гигантская катушка Тесла генерирует четырехфутовый разряд, который освещает люминесцентные лампы на расстоянии многих футов и обычно пугает любого, кто находится поблизости. Люди с кардиостимуляторами должны перейти в дальний конец комнаты.

Работа цепи Тесла

Предварительный повышающий трансформатор повышает линейное напряжение до десяти или двадцати тысяч вольт. (Для этой цели в гигантской катушке Тесла используется трансформатор неоновой вывески.Это напряжение возникает на искровом промежутке F с частотой 60 Гц, вызывая настроенную цепь, состоящую из конденсатора C и первичной обмотки Тесла (несколько витков) с частотой 1-3 МГц. Вторичная обмотка Тесла (много витков) имеет собственную резонансную частоту, определяемую ее индуктивностью и внутренней распределенной емкостью между ее обмотками. Первичный LC-контур настроен на эту резонансную частоту для максимальной связи.

Захватывающая демонстрация небольшой катушки Тесла — это держать люминесцентную лампу в одной руке и металлический стержень в другой.Когда вы рисуете дугу металлическим стержнем из катушки Тесла, ток проходит через ваше тело и зажигает лампочку. Напряжение более 1 миллиона вольт; почему это не шокирует и не убивает вас? На этот счет существует ряд гипотез: а. Скин-эффект — ток распространяется во внешнем мертвом слое кожи. б. Нервные цепи человека не реагируют на высокие частоты, такие как 1 МГц, возможно, по указанной выше причине; Ионы натрия и калия не успевают далеко продвинуться в нервных клетках.c. Импеданс катушки Тесла очень высок, и поэтому она индуцирует очень малые токи у людей.

Расчет глубины кожи с использованием проводимости морской воды, sigma = 4 mhos / m, дает глубину 0,25 см, поэтому этот эффект не играет большой роли в защите вас, по крайней мере, от болевого раздражения на поверхности кожи. Ответ, вероятно, — комбинация эффектов b и c сверху. Ток, проходящий через тело, слишком мал, чтобы генерировать достаточно тепла, чтобы травмировать человека, а высокая частота не стимулирует болевые нервы и не вызывает сокращение мышц.

Наша гигантская катушка Тесла ужалит вас, если вы попадете на ее контур до земли. Создатели катушек Тесла утверждают, что «мягкость» конкретной катушки Тесла зависит от чистоты разделения 60 Гц и высокой частоты в искровом промежутке.

Хорошее описание того, как на самом деле работает схема катушки Тесла, находится здесь.

Создание катушки Тесла, чтобы воспроизвести создание термоядерной энергии | by Naila Moloo

Представьте себе сумасшедшего ученого, бегающего по лаборатории с эксцентричным взглядом в глазах.Люди, возможно, смотрели на него странно, и вы тоже (если были живы тогда), но этот человек был на грани чего-то монументального. У него были большие мечты, и он был полон решимости воплотить их в жизнь. Его целью было обеспечить беспроводной электроснабжением по всему миру, и он приблизился к этому идеалу с катушкой Тесла.

Никола Тесла

Ученый, которого я описываю, — Никола Тесла. Возможно, вы слышали о нем раньше, так как он печально известен своими инновациями и ответственен за многочисленные изобретения, одним из самых революционных из которых была катушка Тесла, высокочастотный генератор , разработанный в 1891 году.

К этому моменту электричество было открыто, и люди уже начали изучать ток, способы его передачи и науку, лежащую в основе этого. Таким образом, поначалу, когда была представлена ​​катушка Тесла, это не обязательно считалось чем-то необычайно особенным. Однако вскоре стало ясно, какое большое влияние оказала эта находка.

Тесла создал множество конфигураций для катушек Тесла, используя их в своих экспериментах с генерацией рентгеновских лучей, электрическим освещением, фосфоресценцией и т. Д.Затем катушки Тесла начали использоваться в беспроводной телеграфии, а также в области медицины с электротерапией и приборами с фиолетовыми лучами.

Катушка использует резонанс и электромагнитную силу , о которых мы поговорим позже в этой статье. Но сначала — что делает катушка Тесла?

Материалы и конфигурация катушки Тесла

Катушки Тесла — это высокочастотные трансформаторы , которые генерируют электричество переменного тока высокого напряжения с низким током.Катушки Тесла похожи на две разомкнутые цепи, соединенные искровым разрядником.

Катушка Тесла имеет две катушки, каждая с конденсатором , которые действуют как батареи, поскольку они хранят электрическую энергию. Первая катушка называется первичной обмоткой и состоит из витков небольшого количества тяжелой медной проволоки, тогда как вторая обмотка, вторичная обмотка , имеет тысячи витков более тонкой проволоки вокруг полого цилиндра.

Эти катушки с конденсаторами соединены искровым разрядником , который представляет собой пространство между двумя высоковольтными электродами, которые создают электрические искры.Искровой разрядник действует как выключатель в цепи. Система питается от источника питания высокого напряжения , который обеспечивает необходимое количество энергии, необходимое для работы катушки Тесла.

Есть еще верхняя нагрузка, емкостной электрод. Это называется тор , который представляет собой металлический шар, подключенный к вторичной клемме катушки. Это отводит искры от первичных и вторичных петель. Поскольку он имеет такую ​​большую площадь поверхности, дуговые разряды, пробой воздуха и потери энергии сведены к минимуму.Основное воздействие, которое оказывает тор, — это уменьшение электрического поля на выводе с большой разностью потенциалов.

Моя мини-катушка Тесла

Чтобы увидеть, что на самом деле происходит с катушкой Тесла, я сам сделал ее мини-версию с помощью некоторых видео и статей на Youtube. Вы можете сделать один из них самостоятельно из следующих материалов:

• 1 тонкая медная проволока
• 1 толстая медная проволока
• 1 кусок наждачной бумаги (или ножницы, используемые для удаления эмали медных проводов)
• 1 батарея + 1 зажим аккумулятора
• 1 2N2222A Транзистор
• 1 Резистор 22 кОм
• 1 труба из ПВХ
• 1 переключатель
• Любая деревянная платформа (подойдет и кусок картона)
• 1 люминесцентная лампа
• 1 маленький пластиковый шарик
• кусок из алюминиевой фольги для покрытия шара

Я взял трубку из ПВХ и намотал на нее тонкую медную проволоку примерно на 350 витков (да, это заняло много времени!).Это была вторичная обмотка . Затем я заклеил ее внизу, чтобы она оставалась на месте, и сделал первичную катушку , намотав всего около 5 витков более толстого медного провода. Я наждачной бумагой удалил эмаль с кончиков медных проводов.

С помощью припоя — сплава олова или свинца, который по существу сплавляет провода вместе — я припаял резистор к транзистору, нижнюю часть первичной катушки к базе, один конец вторичной катушки к коллектору, положительный полюс зажима аккумулятора к переключателю, а отрицательный полюс к выводу эмиттера.Затем я припаял другой конец вторичной катушки и свободный вывод переключателя к другому концу резистора. Это все равно зажгло бы лампочку, но, чтобы проиллюстрировать тор, я обернул алюминий вокруг пластикового шара и положил его на вторичную катушку. Это создало мини-версию катушки Тесла! Теперь вы можете зажечь люминесцентную лампу по беспроводной сети .

Изображение моей мини-катушки Тесла.

Но… Как работает катушка Тесла?

Мы узнали, что такое катушка Тесла, и какие интересные результаты она может иметь, создавая беспроводное электричество, но какова наука, стоящая за этим? Давай займемся этим!

В обычной катушке Тесла трансформатор получает приблизительно 100 вольт от источника напряжения, которое затем повышается до по крайней мере 50 000 вольт.

Конденсатор сохраняет это напряжение до тех пор, пока он не перестанет удерживаться и не достигнет критической точки. Затем искровой разрядник разрядит всю накопленную энергию, которая будет высвобождена в виде небольшого выброса или всплеска мощности.

Источник напряжения присоединен к первичной обмотке. Конденсатор первичной обмотки часто сравнивают с губкой, потому что он впитывает весь заряд. Первичная обмотка сделана из меди, так как она является хорошим проводником , поскольку она должна выдерживать большие количества заряда и тока без выхода из строя.

Ток течет к основному проводу и создается магнитное поле , а затем эта энергия перемещается во вторичную катушку, которая принимает реакции магнитного поля и использует их для создания огромных напряжений. Затем электричество перемещается к тороиду , высвобождая ток в виде дуги искр или потока энергии.

Это высокочастотное напряжение позволяет без проводов освещать лампочки на расстоянии нескольких футов.

Принцип, лежащий в основе катушки Тесла, — это резонанс , который возникает, когда происходит передача тока от первичной катушки ко вторичной катушке, идеально синхронизированная с максимальным увеличением энергии во второй катушке.

Применение катушек Тесла в термоядерных реакторах

Сегодня катушки Тесла в основном используются в высоковакуумных системах в качестве детекторов утечки или в качестве дисплеев в научных музеях и на выставках электроники в образовательных целях. Радиоприемники и телевизоры также используют разновидности катушек Тесла.

Хотя катушки Тесла, возможно, больше не имеют такого количества практических применений, научные концепции , , без оболочки, используются во многих вещах, одна из которых — это термоядерная энергия .

Термоядерные реакторы — это устройства, которые объединяют атома водорода вместе для создания энергии. В реакции синтеза атомы дейтерия и трития (оба изотопа водорода) объединяются, чтобы создать атомы гелия, выделяя нейтроны и энергию.

Вот как выглядит токамак:

И вот, как мы уже установили, так выглядит катушка Тесла:

Мы можем наблюдать некоторые сходства между ними и много различий. , тоже.Однако не столько общий внешний вид делает их намного более похожими, чем мы думали. Они используют аналогичные принципы в том, как они работают.

В токамаке плазма удерживается с помощью катушек тороидального поля , которые представляют собой магниты, удерживающие плазму внутри токамака с использованием сверхпроводников . В термоядерных реакторах вторичные магнитные катушки расположены на за пределами первичных обмоток. Вторичные катушки должны быть очень мощными, чтобы их магнитные поля проникали в плазменную камеру (отсюда большое количество обмоток, как в катушке Тесла).

Плазма ограничена в форме тора, который мы видели на вершине вторичной катушки в катушке Тесла. И токамаки, и катушки Тесла создают плазму. Разница, которую мы видим, заключается в том, что катушки Тесла не имеют возможности удерживать плазму, тогда как вся роль токамака заключается в том, что от до содержат плазму!

Подробнее о сверхпроводниках

Сверхпроводимость — это свойство сплавов или соединений не иметь электрического сопротивления при охлаждении до абсолютных температур .Сверхпроводники имеют решающее значение для создания термоядерного синтеза, поскольку они более эффективно переносят ток и создают более мощные магнитные поля.

Катушки тороидального поля ИТЭР — это самые мощные сверхпроводящие магниты из всех других термоядерных установок, хранящие 41 ГДж магнитной энергии и весящие более 6000 тонн. Они используют приблизительно 5 километров проводника для одной намотки катушки (а центральный сердечник магнита требует 134 оборотов провода!).

В обычных сверхпроводящих магнитных системах магниты погружены в охлаждающую жидкость, но это трудно сделать в более крупных магнитных системах, таких как ИТЭР. Для решения этой проблемы были изобретены проводники типа «кабель в кабелепроводе» CICC или , еще один вид сверхпроводящего кабеля. Это стальные рубашки с внутренним охлаждением, содержащие сверхпроводящие медные жилы.

Однако сверхпроводящие катушки в термоядерных устройствах все еще требуют довольно большого количества энергии , поскольку охлаждение магнита может работать только в том случае, если охлаждающая жидкость циркулирует по всем катушкам.Согласно веб-сайту ИТЭР, это означает, что в их токамаке должен быть поток 25 тонн жидкого гелия при -269 градусах Цельсия через 180 километров и 10 000 тонн проводника!

Как вы понимаете, было бы намного эффективнее (и проще), если бы сверхпроводники могли функционировать при комнатной температуре, что называется высокотемпературным сверхпроводником . Это позволило бы использовать более мощные магнитные поля.

Высокотемпературный сверхпроводник определяется как все, что имеет способность к сверхпроводимости при температуре выше жидкого азота .Однако это все равно очень холодно . Ученые пытаются заставить высокотемпературные сверхпроводники работать ближе к комнатной температуре, чем к абсолютному нулю, но пока это не так. Чтобы максимизировать производительность, сверхпроводники по-прежнему обычно используются при температурах на ° C ниже ° C, чем при температурах жидкого азота.

Вы можете прочитать статью, которую я написал о том, как можно использовать графен для сверхпроводимости, здесь.

Текущие проекты

Создание высокотемпературных сверхпроводников вовсе не является недостижимым, хотя, как бы сложно это ни звучало, прогресс идет быстро.Национальная лаборатория сильных магнитных полей недавно создала магнитное поле 45,5 тесла (эта единица определяется как «напряженность поля, генерирующая один ньютон силы на ампер тока на метр проводника»). Они сделали это, создав «маленькую большую катушку» , которая запускалась в отверстии большой внешней медной катушки, доказав, что высокотемпературные сверхпроводники действительно могут работать в больших магнитных полях!

KSTAR, Корейский исследовательский центр сверхпроводящего токамака, представляет собой сверхпроводящее термоядерное устройство, также называемое корейским искусственным солнцем .Этот токамак состоит из сверхпроводящих магнитов, которые недавно побили мировой рекорд по поддержанию температуры 100 миллионов градусов Цельсия в течение 20 секунд . Вы можете прочитать об этом здесь, если вам интересно! Юн Си-Ву, глава исследовательского центра KSTAR, утверждает, что это продвинет эксперимент ITER, и, если ITER будет успешным, термоядерная энергия может стать обильным источником энергии на сотни тысяч лет в будущем.

TL; DR

В заключение мы видим, что, построив катушку Тесла, мы можем в некоторой степени воспроизвести магнитные поля и ток, которые возникают в термоядерных устройствах, таких как токамаки.Давайте кратко рассмотрим, что мы узнали!

• Никола Тесла мечтал поставлять беспроводное электричество по всему миру, и он приблизился к этому, изобретая катушку Тесла
• Катушки Тесла — это высокочастотные трансформаторы, которые генерируют электричество переменного тока высокого напряжения с низким током
• Катушка Тесла состоит из двух катушек, двух конденсаторов, искрового разрядника и тора поверх вторичной катушки.
• Вы можете сделать свою собственную мини-катушку Тесла дома, что я и сделал!
• Токамаки и катушки Тесла создают плазму — у катушек Тесла просто нет способа сдержать это, а токамаки явно делают это
• Сверхпроводники имеют решающее значение для термоядерного синтеза, и в настоящее время ведутся работы над тем, чтобы они могли работать при менее низких температурах
• Высокотемпературные сверхпроводники неуклонно развиваются, что мы можем увидеть в таких экспериментах, как KSTAR

Синтез кажется сложной, многогранной энергией, но важно понимать, поскольку это может быть топливом будущего.Проведя эксперименты, которые копируют , как слияние работает в меньшем масштабе, слияние внезапно становится намного проще!

Следующие шаги

Для наглядного объяснения посмотрите мое видео!

Если вы хотите узнать больше, ознакомьтесь с этими ресурсами!

Если вы хотите увидеть больше моих работ, свяжитесь со мной в LinkedIn, Twitter или подпишитесь на мой ежемесячный информационный бюллетень!

Заставьте электричество петь с вашей собственной музыкальной катушкой Тесла

Никола Тесла изменил направление науки своей работой в области электричества, поэтому у него так много однофамильцев.Однако, за исключением автомобильной компании, ни одна из них не была так популярна, как катушка Тесла, заставляющая электричество петь.

А с комплектом oneTeslaTS DIY Kit, который доступен за 399,99 долларов США, что на 11% ниже его обычной цены, это буквально предложение. Этот комплект не только обучает семьи основам работы с электричеством, но и дает вам уникальный музыкальный инструмент.

Как работают катушки Тесла

Впервые построенная Тесла в 1891 году, катушка Тесла получила техническое название — цепь резонансного трансформатора.Это очень распространенные схемы; вы использовали его, если когда-либо пользовались радио. Как следует из названия, здесь используется катушка с проволокой — на самом деле две.

Первая, первичная обмотка, подключена к трансформатору, который увеличивает напряжение. Первичная катушка имеет конденсатор, который при достижении точки опрокидывания разряжается во вторичную катушку, в данном случае столбец катушки Тесла. Этот конденсатор заполняет и сбрасывает, заполняет и сбрасывает, посылая ток туда и обратно между первичной и вторичной обмотками.

В верхней части вторичной катушки находится верхний нагрузочный конденсатор, который, как только заряд будет достаточным, может начать искрение по направлению к проводящим поверхностям через воздушный зазор, что приведет к сильным искрам, которые мы так любим. Однако это только начало.

Как поют катушки Тесла?

Ключевое слово в техническом названии здесь — «резонансный». Это означает, что электрическая энергия колеблется между катушкой индуктивности и конденсатором, придерживаясь одной и той же частоты. Думайте об этом как о базовой ноте, которую ударяет катушка.Эта частота может быть изменена с помощью цепи прерывателя без остановки резонансного процесса. Делайте это достаточно часто, достаточно быстро и достаточно энергично, и вы сможете создавать разные ноты, когда искры разряжаются через воздушный зазор. И с помощью правильных элементов управления вы можете регулировать количество энергии в системе, чтобы катушка искрилась в нужное время и в нужной последовательности, чтобы превратить ее в музыкальный инструмент.

Sweet Music Of The Sparks

Что подводит нас к oneTeslaTS.В то время как любую катушку Тесла можно превратить в музыкальный инструмент, эта катушка, сделанная своими руками, добавляет некоторые инструменты, позволяющие легко играть прямо из коробки.

• Во-первых, он тщательно настроен для музыки. Первичная катушка протравлена ​​на печатной плате, вторичная тщательно намотана на станке, и все точно настроено, поэтому она поет прямо из коробки.
• Во-вторых, в электронику катушки встроен контроллер MIDI (цифровой интерфейс музыкальных инструментов) со стандартным разъемом DIN5. Если вы уже сочинили музыку для MIDI или уже загрузили ее, просто подключите MIDI-устройство и запускайте музыку.Или сыграйте вживую.
• В-третьих, есть SD-карта и портативный контроллер. ЖК-экран и интерфейс меню делают переключение между песнями таким же простым, как и отслеживание файлов.

Итак, собрав все вместе, вы можете играть любую песню в формате MIDI, даже зажигая с искрами вживую. Просто убедитесь, что все правильно заземлено и находится на безопасном расстоянии; есть причина, по которой каждый комплект снабжен предупреждением о высоком напряжении.

Катушки Тесла — это очень весело; они также часто открывают путь к более глубокому пониманию электричества и инженерии.Если вы хотите узнать больше об электротехнике всей семьей или уже планируете свой следующий костюм на Хэллоуин, этот комплект доставит вам часы удовольствия от сборки до игры. А за 399,99 долларов, что составляет 11% от рекомендованной розничной цены, это намного дешевле (и тише), чем уроки игры на скрипке, кстати.

Поклонники футуризма: Для создания этого контента не редакционная команда работала с аффилированным партнером. Мы можем взимать небольшую комиссию за товары, приобретенные через эту страницу. Этот пост не обязательно отражает взгляды или одобрение футуризма .ком ред.