Трансформатор тесла практическое применение. Трансформатор Тесла: принцип работы, устройство и применение высоковольтного резонансного трансформатора

Что такое трансформатор Тесла и как он работает. Какова конструкция и основные элементы катушки Тесла. Где применяется трансформатор Тесла в наши дни. Какие эффекты создает высоковольтный резонансный трансформатор.

История создания трансформатора Тесла

Трансформатор Тесла был изобретен известным ученым и изобретателем Николой Тесла в конце 19 века. Первый патент на «Аппарат для получения токов высокой частоты и высокого потенциала» Тесла получил в 1891 году.

Изначально трансформатор разрабатывался как часть системы для беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния. Тесла мечтал создать глобальную систему беспроводного электроснабжения, но эта идея так и не была реализована в полной мере.

Тем не менее, трансформатор Тесла нашел другие применения и стал одним из самых известных изобретений ученого. Сегодня это устройство используется в основном для демонстрационных и развлекательных целей.

Принцип работы трансформатора Тесла

Трансформатор Тесла представляет собой резонансный трансформатор без сердечника, способный создавать высокое напряжение при высокой частоте. Его основные компоненты:

• Первичная обмотка с небольшим количеством витков
• Вторичная обмотка с большим количеством витков
• Тороид на вершине вторичной обмотки
• Разрядник
• Конденсатор

Принцип работы трансформатора Тесла основан на явлении электромагнитного резонанса между двумя связанными колебательными контурами:

1. Первичный контур образован первичной обмоткой и конденсатором
2. Вторичный контур образован вторичной обмоткой и ее собственной распределенной емкостью

Когда частота колебаний в первичном контуре совпадает с собственной резонансной частотой вторичного контура, возникает резонанс. Это приводит к значительному повышению напряжения во вторичной обмотке.

Устройство и основные элементы трансформатора Тесла

Рассмотрим подробнее конструкцию и назначение основных элементов трансформатора Тесла:

Первичная обмотка

Выполняется из толстого провода или медной трубки с малым числом витков (5-15). Служит для создания переменного магнитного поля и передачи энергии во вторичный контур.

Вторичная обмотка

Содержит большое число витков тонкого провода (800-1500). Намотана на диэлектрический каркас. На ней возникает высокое напряжение за счет резонанса.

Тороид

Металлический тор на вершине вторичной обмотки. Выполняет функции:

• Увеличение емкости вторичного контура
• Накопление энергии перед пробоем
• Формирование электростатического поля

Разрядник

Служит для создания колебаний в первичном контуре. Может быть:

• Искровой (статический или вращающийся)
• Электронный (на лампах или полупроводниках)

Конденсатор

Входит в состав первичного колебательного контура. Накапливает энергию и создает импульсы тока через первичную обмотку при срабатывании разрядника.

Виды трансформаторов Тесла

Существует несколько основных типов трансформаторов Тесла, различающихся по конструкции и принципу работы:

SGTC (Spark Gap Tesla Coil)

Классическая конструкция с искровым разрядником. Простая в изготовлении, но малоэффективная. Используется в основном любителями.

VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil)

Использует электронные лампы в качестве генератора колебаний. Может работать в непрерывном режиме. Создает эффектные «огненные» разряды.

SSTC (Solid State Tesla Coil)

Работает на полупроводниковых элементах (транзисторах). Имеет высокий КПД и возможность точного управления. Позволяет создавать музыкальные катушки Тесла.

DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil)

Усовершенствованная версия SSTC с двумя резонансными контурами. Наиболее эффективна, но сложна в настройке. Создает самые мощные и длинные разряды.

Эффекты, создаваемые трансформатором Тесла

Трансформатор Тесла способен создавать различные впечатляющие электрические эффекты:

Стримеры

Тонкие светящиеся разветвленные каналы в воздухе. Образуются при ионизации воздуха сильным электрическим полем. Могут достигать нескольких метров в длину.

Коронный разряд

Свечение ионизированного воздуха вокруг электродов с высокой напряженностью поля. Проявляется как голубоватое свечение вокруг острых краев.

Искровой разряд

Яркие извилистые молнии между терминалом трансформатора и заземленными объектами. Сопровождаются громким треском.

Дуговой разряд

Непрерывный светящийся канал между электродами. Возникает при достаточно высокой мощности трансформатора.

Современное применение трансформатора Тесла

Хотя изначальная идея Теслы о беспроводной передаче энергии не нашла широкого применения, его трансформатор используется в наши дни в различных областях:

Научные демонстрации и образование

Трансформаторы Тесла часто используются в музеях науки и учебных заведениях для наглядной демонстрации явлений электромагнетизма.

Развлекательные шоу

Эффектные электрические разряды трансформатора Тесла применяются в театрализованных представлениях и музыкальных шоу.

Тестирование изоляции

Высоковольтные трансформаторы Тесла используются для проверки электрической прочности изоляционных материалов.

Медицина

Модифицированные катушки Тесла применяются в некоторых физиотерапевтических процедурах для воздействия высокочастотным электромагнитным полем.

Исследования плазмы

Трансформаторы Тесла используются в научных лабораториях для создания и изучения плазменных образований.

Меры безопасности при работе с трансформатором Тесла

Трансформатор Тесла — потенциально опасное устройство, создающее высокое напряжение. При работе с ним необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:

• Использовать изолирующие перчатки и обувь
• Не приближаться к работающему трансформатору ближе безопасного расстояния
• Обеспечить надежное заземление устройства
• Не работать с трансформатором в одиночку
• Избегать контакта с металлическими предметами вблизи работающего трансформатора
• Не включать устройство во влажной среде

При соблюдении правил безопасности трансформатор Тесла может стать увлекательным инструментом для изучения электричества и впечатляющих демонстраций.

Трансформатор (катушка) тесла принцип работы, схема, применение

Содержание:

Трансформатор (катушка) Тесла (Tesla Coil, TC) — это повышающий высокочастотный резонансный трансформатор — два колебательных контура, настроенных на одинаковую резонансную частоту. В сети можно найти множество примеров ярких реализаций этого необычного устройства.

Катушка без ферромагнитного сердечника, состоящая из множества витков тонкого провода, увенчанная тором, испускает настоящие молнии, впечатляя изумленных зрителей.

С точки зрения электротехники в нашем примитивном понимании, трансформатор Теслы — это первичная и вторичная обмотка, простейшая схема, которая обеспечивает питание первичной обмотки на резонансной частоте вторичной обмотки, но выходное напряжение возрастает в сотни раз. В это сложно поверить, но каждый может убедиться в этом сам.

Как работает трансформатор тесла

Катушка Тесла названа так в честь ее изобретателя Николы Тесла (около 1891 года). История данного изобретения начинается с конца 19 века, когда гениальный ученый-экспериментатор Никола Тесла, работая в США, только поставил перед собой задачу научиться передавать электрическую энергию на большие расстояния без проводов. Аппарат для получения токов высокой частоты и высокого потенциала был запатентован Теслой в 1896 году.

Не смотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты.

Трансформатор Тесла – прекрасная игрушка для тех, кто хочет сделать что-то эдакое. Это устройство не перестает поражать окружающих мощью своих огромных разрядов. Более того, сам процесс конструирования трансформатора очень увлекателен – не часто так много физических эффектов сочетаются в одной несложной конструкции.

Несмотря на то, что сама по себе “Тесла” очень проста, многие из тех, кто пытаются ее сконструировать не понимают как работает трансформатор Тесла.

Принцип действия трансформатора Тесла похож на работу обычного  трансформатора.

  Трансформатор Тела состоит из двух обмоток – первичной (Lp) и вторичной (Ls) (их чаще называют “первичка” и “вторичка”). К первичной обмотке подводится переменное напряжение и она создает магнитное поле. При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную.

простая схема трансформатора тесла

Вторичная обмотка вместе с собственной паразитной (Cs) емкостью образуют колебательный контур, который накапливает переданную ему энергию. Часть времени вся энергия в колебательном контуре храниться в виде напряжения. Таким образом, чем больше энергии мы вкачаем в контур, тем больше напряжения получим.

колебание напряжения в трасформатре тесла

Тесла обладает тремя основными характеристиками:

1. резонансной частотой вторичного контура,
2. коэффициентом связи первичной и вторичной обмоток,
3. добротностью вторичного контура.

Коэффициент связи определяет насколько быстро энергия из первичной обмотки передается во вторичную, а добротность – насколько долго колебательный контур может сохранять энергию.

Основные детали  и конструкции трансформатора Тесла

Конструкция трансформатора тесла

Тороид

Тороид – выполняет три функции.

Первая – уменьшение резонансной частоты – это актуально для SSTC и DRSSTC, так как силовые полупроводники плохо работают на высоких частотах.

Вторая – накопление энергии перед образованием стримера.

Стример — это, по сути дела, видимая ионизация воздуха (свечение ионов), создаваемая ВВ-полем трансформатора.

Чем больше тороид, тем больше в нем накоплено энергии  и, в момент, когда воздух пробивается, тороид отдает эту энергию в стример, таким образом,  увеличивая его. Для того, чтобы извлечь выгоду из этого явления в теслах с непрерывной накачкой энергии, используют прерыватель.

Третья – формирование электростатического поля, которое отталкивает стример от вторичной обмотки теслы. От части, эту функцию выполняет сама вторичная обмотка, но тороид может ей хорошо помочь. Именно по причине электростатического отталкивания стримера, он не бьет по кратчайшему пути во вторичку.

От использования тороидоа больше всего выиграют теслы с импульсной накачкой – SGTC, DRSSTC и теслы с прерывателями. Типичный внешний диаметр тороида – два диаметра вторички.

Тороиды обычно изготавливают из алюминиевой гофры, хотя есть множество других технологий,

Вторичная обмотка – основная деталь Теслы

Типичное отношение длинны обмотки теслы к ее диаметру намотки 4:1 – 5:1.

Диаметр провода для намотки теслы обычно выбирают так, чтобы на вторичке помещалось 800-1200 витков.

ВНИМАНИЕ!

Не стоит мотать слишком много витков на вторичке тонким проводом. Витки на вторичке нужно распологать как можно плотнее друг к другу.

Для защиты от царапин и от разлезания витков, вторичные обмотки обычно покрывают лаками. Чаще всего для этого применяются эпоксидная смола и полиуретановый лак. Лакировать стоит очень тонкими слоями. Обычно, на вторичку, наносят минимум 3-5 тонких слоев лака.

Мотают вторичную обмотку на воздуховодных (белых) или, что хуже, канализационных (серых) ПВХ трубах.

Найти эти трубы можно в любом строительном магазине.

Защитное кольцо

Защитное кольцо – предназначено для того, чтобы стример, попав в первичную обмотку не вывел электронику из строя. Эта деталь устанавливается на теслу, если длинна стримера больше длинны вторичной обмотки. Представляет собой незамкнутый виток медного провода (чаще всего, немного толще, чем тот из которого изготавливается первичная обмотка трансформатора тесла). Защитное кольцо заземляется на общее заземление отдельным проводом.

Первичная обмотка

Первичная обмотка – обычно изготавливается из медной трубы для кондиционеров. Должна обладать очень маленьким сопротивлением для того, чтобы по ней можно было пропускать большой ток. Толщину трубки обычно выбирают на глаз, в подавляющем большинстве случаев, выбор падает на 6 мм трубку. Так-же в качестве первички используют провода большего сечения.

Относительно вторичной обмотки устанавливается так, чтобы обеспечить нужный коэффициент связи.

Часто играет роль построечного элемента в тех теслах, где первичный контур является резонансным. Точку подключения к первичке делают подвижной и ее перемещением изменяют резонансную частоту первичного контура.

Первичные обмотки обычно делают цилиндрическими, плоскими или  коническим. Обычно, плоские первички используются в SGTC, конические- в SGTC  и DRSSTC, а цилиндрические — в SSTC, DRSSTC и VTTC.

первичные обмотки трансформатора тесла

Заземление

Заземление – как не странно, тоже очень важная деталь теслы. Очень часто задаются вопросом – куда же бьют стримеры? — стримеры бьют в землю!

Стримеры замыкают ток, показанный на картинке синим цветом

Таким образом, если заземление будет плохое, стримерам будет некуда деваться и им придется бить в теслу (замыкать свой ток), вместо того, чтобы извергаться  в воздух.

Поэтому задавая вопрос обязательно ли заземлять теслу?

Заземление для теслы – обязательно.

Существуют трансформаторы Тесла без первичной обмотки. У них питание подается прямо на “земляной” конец вторички. Такой метод питания называется “бэйзфид” (basefeed).

Иногда, в качестве источника бэйзфидного питания используется другой трансформатор Тесла, такой метод питания называют “магниферным” (Magnifier).

Существуют так называемые биполярные теслы, они отличаются тем, что разряд происходит не в в воздух, а между двумя концами вторичной обмотки. Таким образом, путь тока легко может замкнуться и заземление не нужно.

Вот самые распространенные типы катушек Тесла в зависимости от способа управления ими:

1. SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор Тесла на искровом промежутке. Это классическая конструкция, подобную схему изначально применял сам Тесла. В качестве коммутирующего элемента здесь используется разрядник. В конструкциях малой мощности разрядник представляет собой два куска толстого провода, расположенных на некотором расстоянии, а в более мощных применяются сложные вращающиеся разрядники с использованием двигателей. Трансформаторы этого типа изготавливают если требуется лишь большая длинна стримера, и не важна эффективность.
2. VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор Тесла на электронной лампе. В качестве коммутирующего элемента здесь используется мощная радиолампа, например ГУ-81. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и производить довольно толстые разряды. Данный тип питания чаще всего используют для построения высокочастотных катушек, которые из-за типичного вида своих стримеров получили название “факельники”.
3. SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла, в котором в качестве ключевого элемента применяются полупроводники. Обычно это IGBT или MOSFET транзисторы. Данный тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых такой катушкой может быть самым разным. Этим типом трансформаторов Тесла проще управлять, например можно играть на них музыку.
4. DRSSTC (ДРССТЦ, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла с двумя резонансными контурами, здесь в качестве ключей используются, как и в SSTC, полупроводники. ДРССТЦ – наиболее сложный в управлении и настройке тип трансформаторов Тесла.

Для получения более эффективной и эффектной работы трансформатора Тесла применяют именно схемы топологии DRSSTC, когда мощный резонанс достигается и в самом первичном контуре, а во вторичном соответственно — более яркая картина, более длинные и толстые молнии (стримеры).

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.

Практическое  применение трансформатор тесла

Величина напряжения на выходе трансформатора 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 практическое 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.

Трансформатор 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 на практике 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.

Новое в трансформаторах тесла

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.

схема трансформатора тесла на транзисторе

Схема трансформатора тесла выглядит невероятно просто и состоит из:

1. первичной катушки, выполненной из провода сечением не менее 6 мм², около 5-7 витков;
2. вторичной катушки, намотанной на диэлектрик, это провод диаметром до 0,3 мм, 700-1000 витков;
3. разрядника;
4. конденсатора;
5. излучателя искрового свечения.

Главное отличие трансформатора Теслы от всех остальных приборов — в нем не применяются ферросплавы в качестве сердечника, а мощность прибора, независимо от мощности источника питания, ограничена только электрической прочностью воздуха. Суть и принцип действия прибора в создании колебательного контура, который может реализовываться несколькими методами:

1. Генератор колебаний частоты, построенный на основе разрядника, искрового промежутка.
2. Генератор колебания на лампах.
3.  На транзисторах.

Устройство и принцип работы резонансного трансформатора

Эфир. Трансформатор Тесла. Описание работы

Читайте так же:

• Как сделать катушку тесла своими руками в домашних условиях.

Катушка Тесла. Устройство и виды. Работа и применение

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.

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 транзистора. 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.

Устройство и работа

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

Тороид выполняет несколько функций:

• Снижение частоты резонанса, особенно для вида катушки Тесла с полупроводниковыми ключами.Полупроводниковые элементы 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.

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.

Похожие темы

• Генератор Ван де Граафа. Работа и применение. Особенности
• Наведенное напряжение. Причины возникновения и опасность
• Атмосферное электричество. Виды и особенности. Явления
• Беспроводное электричество. Работа и применение. Особенности
• Эффект Бифельда-Брауна. Работа и применение. Особенности
• Капельница Кельвина. Устройство и работа. Особенности
• Электрофорная машина. Устройство и работа. Особенности
• Генератор Маркса. Работа и применение. Особенности
• Генератор Тестатика. Устройство и работа. Особенности
• Трибоэлектрический эффект. Принцип действия и особенности
• Электрический пробой. Виды и свойства. Особенности
• Поверхностный эффект. Характеристики и применение
• Электризация тел. Виды и свойства. Применение и особенности

Что такое Трансформатор Теслы

Сегодня трансформатор Тесла называют высокочастотным высоковольтным резонансным трансформатором, и в сети можно найти множество примеров ярких реализаций этого необычного устройства. Катушка без ферромагнитного сердечника, состоящая из множества витков тонкой проволоки, увенчанной тором, излучает настоящие молнии, впечатляя изумленных зрителей. Но все ли помнят, как и для чего изначально создавалось это удивительное устройство?

История этого изобретения начинается в конце 19 века.века, когда гениальный ученый-экспериментатор Никола Тесла, работая в США, поставил перед собой лишь задачу научиться передавать электрическую энергию на большие расстояния без проводов.

Вряд ли можно точно указать конкретный год, когда эта идея пришла к ученому точно, но известно, что 20 мая 1891 года Никола Тесла прочитал развернутую лекцию в Колумбийском университете, где представил свои идеи сотрудникам Американского института инженеров-электриков и проиллюстрировано визуальными экспериментами.

Целью первых демонстраций было показать новый способ получения света, используя для этого токи высокой частоты и высокого напряжения, а также выявить особенности этих токов. Справедливости ради отметим, что современные энергосберегающие люминесцентные лампы работают по принципу, который как раз был предложен для света Теслы.

Окончательная теория именно беспроводной передачи электроэнергии вырисовывалась постепенно, несколько лет ученый доводил до ума свою технологию, много экспериментируя и кропотливо совершенствуя каждый элемент схемы, он разработал прерыватели, изобрел резистивные высоковольтные конденсаторы, изобрел и модифицированные контроллеры цепей, но он не мог воплотить свой план в жизнь в том масштабе, в котором хотел.

Тем не менее, теория дошла до нас. Доступны дневники, статьи, патенты и лекции Николы Теслы, в которых можно найти начальные подробности, касающиеся этой технологии. Принцип работы резонансного трансформатора можно узнать, прочитав, например, патенты Николы Теслы №787412 или №649621, уже имеющиеся сегодня в сети.

Если попытаться вкратце понять, как работает трансформатор Тесла, рассмотреть его устройство и принцип работы, то ничего сложного нет.

Вторичная обмотка трансформатора выполнена изолированным проводом (например, из эмалированного провода), который уложен виток к витку в один слой на полом цилиндрическом каркасе, отношение высоты каркаса к его диаметру обычно принимают от 6 к 1 до 4 к 1.

После намотки вторичная обмотка покрывается эпоксидной смолой или лаком. Первичная обмотка выполнена из провода относительно большого сечения, обычно содержит от 2 до 10 витков, и укладывается в форму плоской спирали, либо наматывается как вторичная — на цилиндрическом каркасе диаметром несколько больше чем у вторичного.

Высота первичной обмотки, как правило, не превышает 1/5 высоты вторичной. К верхнему выводу вторичной обмотки подключается тор, а его нижний вывод заземляется. Далее рассмотрим все более подробно.

Например: вторичная обмотка намотана на каркасе диаметром 110 мм, эмалированным проводом ПЭТВ-2 диаметром 0,5 мм, и содержит 1200 витков, поэтому ее высота составляет около 62 см, а длина провода около 417 метров. Пусть первичная обмотка содержит 5 витков толстой медной трубки, намотанной на диаметр 23 см, и имеет высоту 12 см.

Затем сделайте тороид. Его емкость в идеале должна быть такой, чтобы резонансная частота вторичной цепи (заземленной вторичной обмотки вместе с тороидом и окружающей средой) соответствовала длине провода вторичной обмотки так, чтобы эта длина равнялась четверти длины волны (для нашего примера частота равна 180 кГц).

Для точного расчета может пригодиться специальная программа для расчета катушек Тесла, например VcTesla или inca. Для первичной обмотки подбирается высоковольтный конденсатор, емкость которого вместе с индуктивностью первичной обмотки, образовал бы колебательный контур, собственная частота которого была бы равна резонансной частоте вторичного контура. Обычно берется близкий по емкости конденсатор, а настройка осуществляется подбором витков первичной обмотки.

Суть трансформатора Тесла в каноническом виде заключается в следующем: конденсатор первичной цепи заряжается от подходящего источника высокого напряжения, затем он переключателем подключается к первичной обмотке, и так повторяется много раз в секунду.

В результате каждого цикла переключения в первичной цепи возникают затухающие колебания. Но первичная катушка является индуктором для вторичной цепи; следовательно, электромагнитные волны возбуждаются во вторичной цепи соответственно.

Так как вторичная цепь настроена в резонанс с первичными колебаниями, то на вторичной обмотке возникает резонанс напряжения, поэтому коэффициент трансформации (отношение витков первичной обмотки и охватываемых ею вторичных обмоток) также необходимо умножить на Q — добротность вторичной цепи, тогда реальное отношение напряжения на вторичной обмотке к напряжению на первичной.

А так как длина провода вторичной обмотки равна четверти длины волны индуцируемых в ней колебаний, то именно на тороиде будет пучность напряжения (а в точке заземления — пучность тока ), и именно здесь может иметь место наиболее эффективное разрушение.

Для питания первичной цепи используются разные схемы, от статического разрядника (разрядника) с питанием от МОТ (ВОТ — высоковольтный трансформатор от микроволновой печи) до резонансных транзисторных схем на программируемых контроллерах с питанием от выпрямленного сетевого напряжения , впрочем, сути от этого не меняется.

Вот самые распространенные типы катушек Тесла, в зависимости от того, как вы ими управляете:

SGTC (SSTC, Spark Gap Tesla Coil) — Трансформатор Тесла в разряднике. Это классическая конструкция, подобная схема изначально использовалась самим Теслой. В качестве переключающего элемента здесь используется разрядник. В маломощных конструкциях разрядник представляет собой два отрезка толстой проволоки, расположенных на некотором расстоянии, а в более мощных применяются сложные вращающиеся разрядники с использованием двигателей. Трансформаторы такого типа делаются, если требуется только большая длина стримера, а КПД не важен.

VTTC (WTC, Vacuum Tube Tesla Coil) — Трансформатор Тесла на электронной лампе. В качестве переключающего элемента здесь используется мощная радиолампа, например ГУ-81. Такие трансформаторы могут работать непрерывно и давать довольно толстые разряды. Этот вид мощности чаще всего используется для построения высокочастотных катушек, которые из-за типичного вида их стримеров называются «факелами».

SSTC (SSTC, Solid State Tesla Coil) — Трансформатор Тесла, в котором в качестве ключевого элемента используются полупроводники. Обычно это IGBT или MOSFET транзисторы. Этот тип трансформатора может работать непрерывно. Внешний вид стримеров, создаваемых такой катушкой, может быть самым разным. Трансформаторами Тесла такого типа легче управлять, например, на них можно проигрывать музыку.

DRSSTC (DRSTC, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) — Трансформатор Тесла с двумя резонансными контурами, здесь в качестве ключей в SSTC используются полупроводники. ДРССТЦ — самый сложный в управлении и настройке тип трансформаторов Теслы.

Для получения более экономичной и эффективной работы трансформатора Тесла используются именно схемы топологии DRSSTC, когда в самой первичной цепи достигается мощный резонанс, а во вторичной соответственно более яркая картинка, более длинные и густые молнии ( стримеры).

Сам Тесла пытался как мог добиться именно такого режима работы своего трансформатора, и зачатки этой идеи можно увидеть в патенте № 568176, где используются зарядные реакторы, далее Тесла развивал схему по этому пути , то есть стремился максимально эффективно использовать первичный контур, создавая резонанс. Об опытах ученого можно прочитать в его дневнике (заметки ученого об опытах в Колорадо-Спрингс, которые он проводил с 1899 по 19 гг.00, уже опубликованы в печатном виде).

Говоря о практическом применении трансформатора Тесла, не следует ограничиваться восхищением эстетичностью получаемых разрядов, и относиться к устройству как к декоративному. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора может достигать миллионов вольт, что в итоге является эффективным источником сверхвысокого напряжения.

Сам Тесла разработал свою систему для передачи электричества на большие расстояния без проводов, используя проводимость верхних воздушных слоев атмосферы. Предполагалось наличие приемного трансформатора аналогичной конструкции, который понизил бы принятое высокое напряжение до значения, приемлемого для потребителя, об этом можно узнать, прочитав патент Теслы №649.621.

Особо следует отметить характер взаимодействия трансформатора Теслы с окружающей средой. Вторичный контур — это разомкнутый контур, и система термодинамически не изолирована, даже не замкнута, это открытая система. Современные исследования в этом направлении ведутся многими исследователями, и точка на этом пути еще не поставлена.

Оптимальная производительность трансформаторов Tesla

• Дениколай, Марко

Аннотация

Кратко рассмотрена предыдущая работа, связанная с поиском улучшенных характеристик трансформаторов Теслы. С практической точки зрения обсуждаются возможности достижения оптимальной рабочей точки путем модификации основных компонентов. В частности, исследуется методика максимизации вторичного напряжения путем регулирования коэффициента настройки Т и коэффициента связи. Показано, что его результаты справедливы только в том случае, если номиналы первичной и вторичной индуктивности остаются неизменными, а номинал вторичного конденсатора уменьшается. В целом, лучшее улучшение по сравнению с типичным условием T=1 увеличивает вторичное напряжение только на 18% и требует приливной связи. Это, в свою очередь, создает серьезные инженерные проблемы, связанные с предотвращением пробоя диэлектрика между первичной и вторичной обмотками, и делает практическую полезность этого результата несколько сомнительной. В реальном трансформаторе Теслы наиболее практичным способом выполнения настройки является перемещение отвода, питающего первичную катушку, а не перемотка вторичной катушки или изменение конструкции вторичного верхнего вывода. Резонансные контуры не являются незатухающими, и очень важно достичь максимального напряжения на вторичной обмотке за кратчайшее время, чтобы свести к минимуму потери. Показано, что для достижения оптимальной производительности лучшей стратегией является настройка первичной катушки для достижения T = 1, а затем максимальное увеличение коэффициента связи, стремясь к одному из значений, выбранных из данной таблицы.

Публикация:

Обзор научных инструментов

Дата публикации:

Сентябрь 2002 г.

DOI:

10.1063/1.1498905

Биб-код:

2002RScI…73.3332D

Ключевые слова:

• трансформаторы силовые;
• обмотки трансформатора;
• емкость;
• индуктивность;
• Емкость;
• Сильноточный;
• Индуктивность;
• Трансформаторы;
• Обмотка;
• 84.