VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Катушка Тесла
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность: Физика, как предмет изучения в школе, часто не может заинтересовать учащихся, потому что формулы и законы в учебниках зачастую выглядят довольно абстрактно и, с точки зрения учащихся, им сложно найти практическое применение. На примере Катушки Тесла у них можно развить интерес к этой науке.
Проблема: Многие школьники нашего возраста не заинтересованы в физике, они считают ее скучной и неинтересной. Они не видят практического ее применения, и рассматривают ее лишь как обязательный предмет для изучения в школе.
Предмет исследования: Трансформатор Тесла, Качер Бровина.
Цель: Создание Катушки Тесла и написание инструкции по ее сборке.
Методы исследования: Теоретические и практические.
Задачи:
Поиск и сбор информации;
Сборка Катушки Тесла;
Написание собственной инструкции;
Подведение итогов.
Гипотеза: Возможно после презентации моего проекта ученики заинтересуется изучением физики. Собранная модель может вызвать интерес у моих товарищей к конструированию различных приборов, что активно развивает такие умственные способности, как логику и мышление, а также умение работать кропотливо и аккуратно.
Краткое содержание работы: В данный проект входит подробная инструкция по сборке Катушки Тесла, информация о ее применении и принципе действия.
Способ представления работы на защите: Презентация, собственная действующая модель Катушки Тесла.
Введение
Мой проект представляет из себя сборник информации о Катушке Тесла, написанный на понятном школьникам языке. Целью является создание упомянутой катушки, имеющей компактный размер, и простой инструкции по сборке этого устройства.
Катушка Тесла представляет из себя резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение высокой частоты. Я планирую собрать самый безопасный вариант катушки, включающий в себя элементы Качера Бровина, главным отличием которого является меньшая мощность и отсутствие длинных отходящих дуг, которые по сути являются небольшими молниями.
В сборке качер довольно прост, что делает возможным собрать его в домашних условиях ученикам старшей и средней школы. Это я и собираюсь сделать. Мне пришлось поискать доступную для понимания людям моего возраста информацию про данное изобретение. Это натолкнуло меня на мысль создать свою инструкцию для безопасной катушки. После сборки я собираюсь испытать её.
Теория
Ход работы
Поиск информации, изучение материалов и инструкций
Закупка материалов
Монтаж (сборка, спаивание частей)
Тестирование
Подбор оптимальных параметров для достижения максимального эффекта от работы катушки
Подведение итогов, анализ работы
Использование
Во-первых, трансформатор используется как наглядный экспонат на различных научно-развлекательных шоу. Качер при большой мощности и при определенных условиях создает впечатляющие молнии (электрические разряды) в воздухе, которые порой достигают длины в несколько метров. Другой же тип катушки может использоваться для показа экспериментов, при которых лампы, не подключенные к источнику питания, загораются, когда их подносят к катушке. На трансформаторе Тесла можно создавать музыку путем изменения напряжения катушки.
Во-вторых, это устройство использовалось самим Теслой для радиоуправления, радио и беспроводной передачи энергии.
В-третьих, в начале ХХ века трансформатор нашел свое применение в медицине. Пациентов обрабатывали слабыми высокочастотными токами, которые протекали по коже и оказывали оздоравливающее воздействие, не причиняя вреда внутренним органам.
Сейчас он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах. Однако трансформатор не имеет широкого применения, т.к. при его сборки возникают значительные трудности с подбором мощности, передачи ее на расстояние и т.д.
Принцип работы
В связи с тем, что мое устройство является модифицированной Катушкой Тесла, включающей некоторые элементы Качера Бровина, ниже приведен принцип работы обоих изобретений.
Катушка Тесла
Трансформатор Тесла в рассматриваемой простейшей конструкции, показанной на схеме, работает в импульсном режиме. Первая фаза — это заряд конденсатора до напряжения пробоя разрядника. Вторая фаза — генерация высокочастотных колебаний в первичном контуре.
Качер Бровина
Качер Бровина является разновидностью генератора на одном транзисторе. Он представляет из себя полупроводниковый разрядник (по аналогии с разрядником Теслы), в котором электрический заряд тока проходит в кристалле транзистора без образования плазмы, или электрической дуги. Кристалл транзистора восстанавливается сразу после его пробоя.
Практика
Сборка Катушки Тесла с использованием транзистора
Я собрал Катушку Тесла с использованием транзистора, модель SSTC, он же качер, потому что он более безопасен по сравнению с катушкой, в которой используются трансформатор и искровик (разрядник), т.к. такая катушка рассчитана на более высокое напряжение.
В устройстве я использовала источник постоянного тока и транзистор, но не использовала искровик и трансформатор.
В основе работы катушки лежит действие колебательного контура. Первичная катушка вместе с конденсатором С2 образуют первичный колебательный контур, который соединяется через транзистор.
Вторичный колебательный контур образуется вторичной катушкой (индуктивностью) и емкостью этой же катушки. Для увеличения емкости иногда к терминалу крепиться тонкостенный тор или шар из алюминия или другого проводящего материала.
Итак, вот основные шаги, с которых следует начать:
Схема питается через блок питания 12 вольт от бытовой электрической сети переменного тока, напряжением 220 вольт.
Изготовление вторичной обмотки. В качестве каркаса катушки использовали пластиковую трубу диаметром 40 мм. На нее намотали около 1300 витков медного провода диаметром 0.15 мм. Для большей эффективности вторичную обмотку следует намотать равномерно по всей площади сердечника в 1 слой без зазоров. В моем случае она была также зафиксирована изолентой. Изготовление первичной обмотки. Первичная обмотка может быть сделана из медной многожильной проволоки толщиной 2.5 мм. В качестве каркаса использовался цилиндр из пластика диаметром 48 мм. Было сделано 11 витков и для подсоединения к электрической схеме с помощью клеммной коробки оставлены отводы по 100 мм с каждой стороны.
Каркасы первичной и вторичной обмотки были жестко закреплены соосно на подставке из пластмассовой коробки
Электрическая схема представлена на рисунке.
Диодный мост и конденсаторы были соединены навесным монтажом, все выводы изолированы термоусадочной трубкой (Резисторы и стабилитроны были закреплены на коммутационной плате. Полевой транзистор был закреплен на отдельном радиаторе с использованием термопасты для наилучшего охлаждения .
Готово! Итог сборки.
Наилучшие результаты были достигнуты в результате подбора следующих элементов, указанных на схеме:
В качестве балластной нагрузки для ограничения тока вместо катушки L1 использована лампа накаливания 60 Вт.
Переменное напряжение преобразуется в постоянное при помощи диодной сборки на 330 В, 10А.
Емкости конденсаторов как указано на схеме.
Резисторы R1 – 50 кОм, R2 – 1кОм.
Катушка L2 – 11 витков многожильного медного провода сечением 2.5 мм^2.
Катушка L3 – 1300 витков медного эмалированного провода диаметром 0.2 мм.
Полевой транзистор FGH60N60 – n-канал, с диодом, напряжение до 600 вольт, ток 60 А.
В качестве терминала использована швейная игла.
Так как схема работает напрямую от напряжения 220 В, все контакты тщательно заизолированы, соединение через коннекторы на 30А. При длительном использовании радиатор существенно нагревался. Можно было наблюдать свечение на конце провода (вторичной обмотки), оно же наблюдалось в лампочке накаливания при возникновении контакта с проводом. Энергосберегающая лампочка при подносе к катушке загоралась и без непосредственного контакта с прибором. Выяснилось, что не следует включать катушку возле остальных электроприборов, т.к. она создает помехи в передаче электро- и радиосигналов (следствием, к примеру, были помехи в работе телевизора и близстоящих энергосберегающих ламп).
Заключение
Моей целью было создать безопасную Катушку Тесла и написать понятную инструкцию по ее сборке. Выполнив работу, я пришла к следующим выводам:
Создание Катушки Тесла (качера) не является очень сложной работой. Ее вполне по силам собрать ученику средней, а тем более старшей школы. Сборка не занимает много времени, мне хватило около 3 дней, также было отведено определенное время на испытания.
При сборке Катушки Тесла следует соблюдать определенную осторожность. Излучение, возникающее при работе катушки, может вывести из строя некоторые электроприборы (например, телевизор) или создать помехи в их использовании. В связи с этим не стоит размещать ее рядом с электроприборами. Также, искровые разряды создают запах озона, как после грозы или шторма, так что рабочее помещение должно хорошо проветриваться при испытаниях.
Материалы, требующиеся для построения Катушки Тесла, стоят относительно недорого и их можно найти практически в любом магазине электронных приборов и запчастей.
Катушка Тесла является отличным наглядным пособием для изучения физики, применимым на практике. В процессе сборки и испытаний я хорошо разобралась с различными физическими законами, касающимися электродинамики, в частности электромагнитных колебаний и волн.
Если вы хотите создать прототип безопасной Катушки Тесла, то вам следует воспользоваться полученной инструкцией.
Библиография
Electric-220:http://electric-220.ru/news/princip_raboty_katushki_tesla/2014-03-18-553
Страничка эмбеддера: http://bsvi.ru/kak-rabotaet-transformator-tesla-na-palcax-chast-1/
Википедия «Трансформатор Тесла»: https://ru.wikipedia.org/wiki/Трансформатор_Тесла
Википедия «Искровой разряд»: https://ru.wikipedia.org/wiki/Искровой_разряд
Википедия «Коронный разряд»: https://ru.wikipedia.org/wiki/Коронный_разряд
Википедия «Электрическая дуга»: https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрическая_дуга
Википедия «Скин-эффект»: https://ru.wikipedia.org/wiki/Скин-эффект
Приложения
11