Ми висунули гіпотезу. припустимо, що трансформатор Тесла можна сконструювати в домашніх умовах.
В ході роботи ми спробуємо створити трансформатор і перевірити його дію за допомогою індикаторів.
Перш за все, ми поставили перед собою мету.
створення трансформатора Тесла в домашніх умовах і
дослідження високої напруги, створюваного
Для досягнення мети були поставлені такі завдання:
Проаналізувати електричну схему трансформатора, запропоновану в літературі;
Визначити, які елементи схеми вимагають заміни;
Перевірити роботу трансформатора за допомогою індикаторів.
У роботі були використані емпіричні методи дослідження (вивчення літератури і джерел, порівняння, експеримент).
1 Трансформатор Тесла
Роботу резонансного трансформатора можна пояснити на прикладі звичайних гойдалок. Якщо їх розгойдувати в режимі примусових коливань, то максимально досягається амплітуда буде пропорційна прикладеному зусиллю. Якщо розгойдувати в режимі вільних, резонансних коливань, то при зусиллях рівних з примусовими коливаннями, максимальна амплітуда зростає багаторазово. Так і з трансформатором Тесла - в ролі гойдалок виступає вторинний коливальний контур, а в ролі прикладеного зусилля - генератор. Їх узгодженість ( "підштовхування" строго в потрібні моменти часу) забезпечує первинний контур або задає генератор (в залежності від пристрою).
Модифікації трансформаторів Тесла
У всіх типах трансформаторів Тесла основний елемент трансформатора - первинний і вторинний контури - залишається незмінним. Однак одна з його частин - генератор високочастотних коливань може мати різну конструкцію.
На даний момент існують:
SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil) - трансформатор тесла на розряднику. Найперша і "класична" конструкція (її використовував сам Тесла). В якості ключового елемента використовує розрядник. У малопотужних конструкціях розрядник - просто два шматки дроту, що знаходяться на деякій відстані, а в потужних - складні обертові розрядники. Трансформатори цього типу ідеальні, якщо вам потрібна тільки велика довжина стримера. [5]
VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil) - трансформатор тесла на лампі. В якості ключового елемента використовується потужна радиолампа. Такі трансформатори можуть працювати в безперервному режимі і видавати товсті стримери. Цей тип найчастіше використовують для високочастотних тесел, які через характерного вигляду своїх стримеров отримали назву "факельнік". [5]
SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil) - трансформатор тесла, в якому в якості ключового елемента використовуються напівпровідники. Зазвичай це MOSFET або IGBT транзистори. Цей тип трансформаторів може працювати в безперервному режимі. Зовнішній вигляд стримеров, створюваних цією котушкою, може бути самий різний. Цим типом тесел найпростіше управляти (грати музику, наприклад). [5]
DRSSTC (ДРССТЦ, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) - трансформатор з двома резонансними контурами, в якому в якості ключів використовуються напівпровідники, в переважній більшості випадків, це IGBT транзистори. ДРССТЦ - найскладніший у виготовленні і налаштуванні тип трансформаторів тесла. Характерна довжина стримеров трансформатора цього типу трохи менше ніж у SGTC, а керованість трохи гірше, ніж у SSTC. [5]
В абревіатурах назв котушок Тесла, що живляться постійним струмом, часто присутні букви DC, наприклад DCSGTC.
Використання трансформатора Тесла
Вихідна напруга трансформатора Тесла може досягати декількох мільйонів вольт. Ця напруга в резонансній частоті здатне створювати значні електричні розряди в повітрі, які можуть мати многометровую довжину. Ці явища зачаровують людей з різних причин, тому трансформатор Тесла використовується як декоративний виріб. Трансформатор використовувався Тесла для генерації і поширення електричних коливань, спрямованих на управління пристроями на відстані без проводів (радіоуправління), бездротової передачі даних (радіо) і бездротової передачі енергії. На початку XX століття трансформатор Тесла також знайшов популярне використання в медицині. Пацієнтів обробляли слабкими високочастотними струмами, які протікаючи по тонкому шару поверхні шкіри не завдавали шкоди внутрішнім органам (скін-ефект. Дарсонвалізація), надаючи при цьому «тонізуючу» і «оздоровчий» вплив. Невірно вважати, що трансформатор Тесла не має широкого практичного застосування. Він використовується для підпалу газорозрядних ламп і для пошуку течі в вакуумних системах. Також, він виготовляється багатьма любителями високовольтної техніки заради супроводжуючих її роботу ефектів.
Ефекти, що спостерігаються при роботі трансформатора Тесла
Під час роботи котушка Тесла створює гарні ефекти, пов'язані з утворенням різних видів газових розрядів. Багато людей збирають трансформатори Тесла заради того, щоб подивитися на ці вражаючі, красиві явища. В цілому котушка Тесла виробляє 4 види розрядів:
Стримери (від англ. Streamer) - тьмяно світяться тонкі розгалужені канали, які містять іонізовані атоми газу і отщепленим від них вільні електрони. Стример протікає від терміналу (або від найбільш гострих, викривлених ВВ-частин) котушки прямо в повітря, не йдучи в землю, так як заряд рівномірно стікає з поверхні розряду через повітря в землю. Стример - це, по суті справи, видима іонізація повітря (світіння іонів), створювана ВВ-полем трансформатора. [6]
Спарк (від англ. Spark) - це іскровий розряд. Йде з терміналу (або з найбільш гострих, викривлених ВВ частин) безпосередньо в землю або в заземлений предмет. Являє собою пучок яскравих, швидко зникаючих або змінюють один одного ниткоподібних, часто сильно розгалужених смужок - іскрових каналів. Також має місце особливий вид іскрового розряду - ковзний іскровий розряд. [6]
Коронний розряд - світіння іонів повітря в електричному полі високої напруги. Створює красиве блакитнувате світіння навколо ВВ-частин конструкції з сильною кривизною поверхні. [6]
Дугового розряд - утворюється в багатьох випадках. Наприклад, при достатній потужності трансформатора, якщо до його терміналу близько піднести заземлений предмет, між ним і терміналом може спалахнути дуга (іноді потрібно безпосередньо доторкнутися предметом до терміналу і потім розтягнути дугу, відводячи предмет на більшу відстань). Особливо це властиво ламповим котушок Тесла. Якщо котушка недостатньо потужна і надійна, то спровокований дугового розряд може пошкодити її компоненти. [6]
Часто можна спостерігати (особливо поблизу потужних котушок), як розряди йдуть не тільки від самої котушки (її терміналу і т. Д.), Але і в її сторону від заземлених предметів. Також на таких предметах може виникати і коронний розряд. Рідко можна спостерігати також тліючий розряд. Цікаво зауважити, що деякі іонні хімічні речовини, нанесені на розрядний термінал, здатні змінювати колір розряду. Наприклад, іони натрію змінюють звичайний забарвлення спарка на помаранчевий, а брому - на зелений.
Робота резонансного трансформатора супроводжується характерним електричним тріском. Поява цього явища пов'язано з перетворенням стримеров в іскрові канали, які супроводжуються різким зростанням сили струму і кількості енергії, що виділяється в них. Кожен канал швидко розширюється, в ньому стрибкоподібно підвищується тиск, в результаті чого на його кордонах виникає ударна хвиля. Сукупність ударних хвиль від розширення іскрових каналів породжує звук, що сприймається як «тріск» іскри.
Багато людей вважають, що котушки Тесла - це особливі артефакти з винятковими властивостями. Існує думка, що трансформатор Тесла може бути генератором вільної енергії і є вічним двигуном, виходячи з того, що сам Тесла вважав, що його генератор бере енергію з ефіру (особливої невидимої матерії, в якій поширюються електромагнітні хвилі) через іскровий проміжок. Іноді можна почути, що за допомогою «Котушки Тесла» можна створити антигравітацію і ефективно передавати електроенергію на великі відстані без проводів. Однак слід підкреслити, що в численної практиці жоден з перерахованих ефектів не спостерігається. Хоча передача енергії без проводів має місце, коефіцієнт корисної дії подібного способу транспортування енергії вкрай низький, як і порівняно мало максимальна відстань між передавальної котушкою і приймальні, на якому передача енергії більш-менш ефективна.
Також варто відзначити, що котушка Тесла - це звичайний резонансний трансформатор. Його принцип роботи легко описується і розраховується за класичними формулами, а результат роботи на практиці завжди передбачуваний. Однак у наш час в інтернеті існують цілі співтовариства людей, серед яких абсурдні і лженаучние теорії щодо роботи резонанс - трансформатора користуються популярністю і виставляються як щось незрозуміле і недосліджене, невизнана сучасною наукою, але є незаперечним фактом. Всіх їх об'єднує одне - невизнання такої речі, як науковий експеримент. який є одним з основних критеріїв науковості емпіричної теорії. Наближено суть можна пояснити так: теорія може бути визнана науковою тільки в тому випадку, якщо вона була підтверджена експериментально, коли дані, отримані одним вченим, легко відтворювані і іншими дослідниками. Таким чином, такі ідеї, як левітація і антигравітація за допомогою котушки Тесла ніколи не стануть відторгатися сучасною наукою як щось неможливе в принципі, безпідставно - неможливість реалізації цих ідей підтверджена експериментально.
Вплив на організм людини
Так як напруга на виході даного трансформатора є змінним високочастотним, а струм надзвичайно малий, то, незважаючи на потенціал в мільйони вольт, розряд в тіло людини не може викликати зупинку серця або інші серйозні ушкодження організму, не сумісні з життям. На противагу цьому, інші високовольтні генератори, наприклад, високовольтний умножитель телевізора. і інші побутові високовольтні генератори постійного струму, що мають незрівнянно меншу вихідну напругу - близько 25000 В - є смертельно небезпечними, так як мають не сумісні з життям значення струму на виході. Існує також думка щодо небезпеки електромагнітного поля котушки Тесла, яке сформувалося завдяки враженням від значних розрядів в повітрі. Однак це твердження не є вірним, тому що потужності електромагнітного поля трансформатора Тесла вистачає лише на підтримку роботи пристрою, тому його величина і потужність не здатні заподіяти ніякої шкоди людському організму.
Використання в музичному мистецтві
2 Конструювання трансформатора Тесла
2.1 Як працює «Качор Бровина»
Качор працює за принципом блокинг-генератора (Додаток 1). При подачі живлення на схему відбувається відкриття транзистора, тече струм через емітер-колектор на первинну обмотку. Проходячи через первинну обмотку струм, наводить ЕРС у вторинній обмотці, викликаючи появу негативного потенціалу на базі транзистора, тим самим закриває його. Струм у первинній обмотці зникає, транзистор відкривається. І цикл повторюється.
2.2 Конструювання трансформатора
Порядок конструювання трансформатора відбитий в Додаток 1.
Для створення трансформатора за основу взята схема «Качор Бровина» (Додаток 2) і доопрацьована (Додаток 3). При складанні пристрою використовувалися наступні елементи:
C1, C2, C4, C5 - 3.7 нФ
С7 - 10 мкФ 400В
L1 - Дросель від ЛДС (обмеження струму до 4 ампер)
VD1 - D3SB60 (600В 4А)
VD2, VD3 - 1N5400 (50В 3А)
VD4 - світлодіод 12В
TV1 - феритовий дросель
TV2 - трансформатор на вторинній обмотці 24В 1А
R2 - 100 кОм (багатооборотний)
VT1 - MJE13007 (700В 8А)
М1 - кулер від комп'ютерного блоку живлення
2.3 Перевірка роботи трансформатора
Порядок роботи системи простий:
провести заземлення системи за допомогою дроту на близько розташовані металеві предмети великої маси і розміру (батарея центрального опалення);
включити трансформатор в побутову мережу, розраховану на 220;
піднести індикатор до терміналу, зробити спостереження ефекту.
Перевірити роботу трансформатора вирішили за допомогою найпростіших елементів, таких як лампа розжарювання, газорозрядних ламп. Також в роботі були використані гострі предмети, на вістрі яких створюється розряд. Досить розташувати газорозрядні лампи поблизу трансформатора Тесла, що працює від мережі 220В, як в них створюється газовий розряд.
Одним з найбільш ефективних методів перевірки теорії є експеримент. Перевірити теорію зі створення електричного пристрою можна тільки зібравши даний пристрій і перевіривши його роботу. В ході роботи ми підтвердили висунуту гіпотезу, про створення трансформатора в домашніх умовах. У своїй роботі ми описали створення трансформатора Тесла, перевірку його роботи за допомогою найпростіших індикаторів: лампа розжарювання, люмінесцентна лампа, енергозберігаюча лампа, гострі предмети і т.д.
Дана робота передбачала перевірку одного з міфів сучасності - міф про трансформаторі, і зараз можна з повною впевненістю сказати, що міф зруйновано, трансформатор дійсно можна зібрати (навіть в домашніх умовах) і перевірити його роботу. Мета роботи повністю досягнута. Для досягнення цілей, робота здійснювалася згідно з планом:
1.Аналіз електричної схеми, запропонованої в літературі;
2. Визначення складу елементів, необхідних для складання
4.Проверка роботи на практиці за допомогою індикаторів.
У висновку можна зробити висновок: будь-яку теорію чи міф можна підтвердити або спростувати тільки за допомогою експерименту, тому що експеримент є одним з найбільш ефективних методів роботи.
Висновки: результат даної роботи в черговий раз доводить істину про те, що теорію треба доводити досвідченим шляхом, шляхом експерименту. Використовувати даний пристрій передбачається на уроках фізики в 10 класі при розгляді теми «Газові розряди», а також застосовувати для демонстрацій з метою залучення учнів до вивчення предмета.