XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Самодельная катушка Тесла
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
У каждого человека есть свои хобби, увлечения. Кто-то любит играть футбол, кто-то работать с компьютером, а я люблю мастерить что-нибудь своими руками.
Когда я был учеником начальных классов, я начал интересоваться электроникой. И как-то раз увидел интересное видео, где демонстрировалась катушка Тесла, с мощными разрядами молний. И спустя несколько лет, я решил, что можно изготовить, что то подобное. Как Тесла, собрать большое устройство нет возможности, а простое и компактное можно было попробовать.
В сети интернет есть много разных схем и уже готовых устройств, но сделать, что то своими руками будет куда интереснее.
Актуальность работы. Обычные потребители электроэнергии зависят от длины проводов и места, где располагается источник питания. Идея использования электроприборов без использования проводов, на сегодняшний день, остается актуальной.
Работа посвящена созданию модели катушки Тесла, с помощью которой можно показать возможность передачи электричества на расстояние без проводов. Я считаю, что своей работой заинтересую других ребят удивительной наукой физикой через интересные эксперименты с катушкой Тесла.
Цель работы:
- изготовить прибор для передачи тока на расстоянии без проводов (макет катушки Тесла).
- продемонстрировать работу данного прибора.
Задачи:
1.Ознакомиться с принципом работы «катушки Тесла».
2. Найти схему простую электрическую схему «катушки Тесла»
3.Провести испытание модели в действии.
Гипотеза: «Катушку Тесла» можно изготовить школьнику из простых электрических компонентов старой аппаратуры.
Обзор литературы
Великое открытие человека – это конечно, открытие электричества. Сегодня нельзя представить нашу жизнь без электричества: освещение, обогрев, приготовление пищи, компьютеры, мобильные телефоны и еще много каких помощников человека. Все эти и многие другие, привычные каждому человеку электроприборы, служат одной цели - создание для человека более удобные и комфортные условия жизни. Какой бы ни был прибор, у него есть один главный недостаток – длина питающего кабеля. Электрические розетки не всегда располагаются там, где нам хотелось бы. Сама передача электроэнергии от производителя до потребителя это сложный процесс, необходимо учитывать материал, геометрические особенности проводников, но все равно будут потери, связанные с сопротивлением и нагревом проводников. Ученые заинтересованы решением вопроса передачи электричества без потерь. Но чтобы не было потерь, значит надо обойтись без проводов. Вот тогда и появилась идея о передачи электричества на расстоянии без проводов.
И первым ученым, которому это удалось, является сербский изобретатель Никола Тесла. Прибор, названный его же именем, был запатентован 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».
Сам же Никола Тесла это физик, инженер, изобретатель в области электротехники и радиотехники. Родился и вырос в Австро - Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США. Также он известен как сторонник существования эфира: известны многочисленные его опыты и эксперименты, целью которых было показать наличие эфира как особой формы материи, поддающейся использованию в технике. Именем Николы Тесла названа единица измерения магнитной индукции. Современники-биографы считали Тесла «человеком, который изобрёл XX век» и «святым заступником» современного электричества. Ранние работы Тесла проложили путь современной электротехнике, его открытия раннего периода имели инновационное значение. Иногда даже говорят, что он изобрел 20-й век. Но чтобы понять принцип работы катушки Тесла надо знать, что такое трансформатор.
Трансформатор (от лат. transformo — преобразовывать) — это прибор, с помощью которого производится преобразование напряжения переменного тока. Всякий трансформатор имеет железный сердечник, на который надеты две катушки (обмотки). Концы одной из этих обмоток подключаются к источнику переменного тока, а те приборы, которые потребляют электроэнергию, подключаются к концам второй обмотки. Обмотка, подключённая к источнику тока, называется первичной, а обмотка, к которой подключена нагрузка, - вторичной.
Устройство и принцип работы катушки Тесла
Простейший трансформатор или катушка Тесла состоит из двух катушек без общего сердечника, а также разрядника, конденсатора и тороида.
Первичная катушка обычно содержит несколько витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная около 1000 витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник.
Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора главным образом выполняют ёмкость тороида и собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.
Принцип работы таков: конденсатор заряжается от высоковольтного источника питания, затем разряжается через искровой промежуток на первичную катушку. Таким образом, на вторичную катушку передается часть энергии, и возникают резонансные колебания, что приводит к возникновению на выходе высокого напряжения. Разряды с тороида могут достигать длины в несколько метров, но расстояние пробоя зависит от мощности и напряжения первичного контура.
Трансформатор Тесла основан на использовании резонансных стоячих электромагнитных волн в катушках. Его первичная обмотка содержит небольшое число витков и является частью искрового колебательного контура, включающего в себя также конденсатор и искровой промежуток. Вторичной обмоткой служит прямая катушка провода. При совпадении частоты колебаний колебательного контура первичной обмотки с частотой одного из собственных колебаний (стоячих волн) вторичной обмотки вследствие явления резонанса во вторичной обмотке возникнет стоячая электромагнитная волна и между концами катушки появится высокое переменное напряжение.
Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов. После достижения между электродами разрядника напряжения пробоя, в нём возникает лавинообразный электрический пробой газа. Конденсатор разряжается через разрядник на катушку. Поэтому цепь колебательного контура, состоящего из первичной катушки и конденсатора, остаётся замкнутой через разрядник, и в ней возникают высокочастотные колебания. Во вторичной цепи возникают резонансные колебания, что приводит к появлению на терминале высокого напряжения. Во всех типах трансформаторов Тесла основной элемент трансформатора — первичный и вторичный контуры — остается неизменным. Однако одна из его частей — генератор высокочастотных колебаний может иметь различную конструкцию. Если к нему поднести катушку с медной проволокой, то на его концах появится напряжение. А если поднести люминесцентные лампы, то они загораются сами по себе. Это происходит из-за того что вокруг катушки образуется мощное магнитное поле.
Самодельная катушка Тесла
В сети Интернет нашел простую схему, так называемой, катушки Тесла – качер Бровина. Схема простая. Состоит их простых и доступных элементов.
Для изготовления самодельной Катушки Тесла я взял обычную пластиковую трубку от использованной пищевой фольги диаметром 35мм и длиной 200мм и намотал туда медную проволоку диаметром 0,18мм по всей длине виток к витку так, получилось около 600 витков. Это будет вторичной катушкой. Теперь надо намотать первичную катушку. Для неё используется толстый провод сечением от 1 до 5мм. Я взял проволоку диаметром 2,5мм и сделал 4 витка вокруг вторичной катушки на всю длину, но так чтобы обмотки не соприкасались. Промежуток между катушками должен быть около 10мм. Кстати нужные проволоки можно найти в старых трансформаторах. Теперь надо собрать высокочастотный генератор, без которого работать катушка Тесла просто не будет. Для изготовления генератора нам понадобится обычный транзистор кт-805 типа nPn, а также радиатор для него, два резистора на 2,2 кОм и на 150 Ом, а также неполярный конденсатор на 100nF и пару проводов и выключатель. Все эти компоненты можно выпаять из старой радиоаппаратуры.
Собрал я схему навесным монтажом с помощью паяльника т.к. схема небольшая и я решил обойтись без печатной платы и все это аккуратно приклеил к радиатору транзистора. Также я еще припаял, чтобы было удобно монтировать катушки к генератору пару проводов, а именно к базе транзистора, к коллектору и резистору R1. Потом к этим проводам прикрутил катушки как показано на схеме. К первичной катушке провода базы и резистора, а на вторичную катушку вывод коллектора.. После этого всё аккуратно поместил в коробку губки из под обуви.
Эксперименты с катушкой Тесла
Модель катушки Тесла не испускает разряды. Демонстрацию ее работы попробуем продемонстрировать на нескольких экспериментах.
Эксперимент 1.
Подносим любой металлический предмет к шару нашей модели и медленно начинаем отводить, в этот момент происходит линейчатый разряд, образованный одним электродом в разомкнутой цепи.
Эксперимент 2.
Подносим автомобильную лампочку к катушке тесла и наблюдаем ионизацию газа в обычной лампе накаливания, а если поднесем лампу на 220В то увидим, что нить накаливания просто начнет нагреваться.
Эксперимент 3.
Поднесем газоразрядные трубки и пронаблюдаем ионизацию газа. У нас были неоновая, криптоновая трубки и энергосберегающие люминесцентные лампы.
6.Заключение.
Изготовить модель работающей катушки Тесла по силам любому школьнику, у которого есть желание и свободное время. С её помощью можно зажигать люминесцентные лампы на расстоянии без проводов, лишь подводя их к катушке. На его концах выходит напряжение около 1000 вольт. Но у этого тока маленькая сила тока и очень большая частота около 20МГц. Поэтому это электричество не приносит никакого вреда. Зато если пустить его через диодный мост и стабилитрон, то можно будет спокойно заряжать телефон без проводов. Но вы скажете, зачем мы не используем эту катушку Тесла. Мы её не используем, так как у неё очень маленький КПД. В наших экспериментах это наглядно видно, лампы светятся, когда их подносись вплотную к самой катушке.
Эксперименты с моделью катушки Тесла можно посмотреть в коротком видео по ссылке https://disk.yandex.ru/i/NufxhOrBN2pIag
1.Выполняя данный проект, я приобрел навыки работы с инструментами, научился оценивать результаты своей работы, учился связывать теорию с практикой, пользоваться инструментальными методами исследования. Кроме того, изготовление самодельных приборов побудило меня к самостоятельному получению знаний за счет более глубокого изучения дополнительной литературы.
2. Данный прибор можно применять на уроках физики и технологии, как дополнительный материал для объяснения принципа работы трансформатора и электромагнитной индукции. А так же на занятиях кружка по физике и во время проведения внеурочных мероприятий для показа удивительных экспериментов с катушкой Тесла. Я надеюсь, что увидев зажигательные опыты с помощью катушки Тесла, у учащихся нашей школы возрастёт интерес к изучению физики.
Список используемой литературы.
1. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т./Под ред. Г. С. Ландсберга. Т.2. Электричество и магнетизм. – 10 изд. перераб. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы.
Интернет-ресурсы:
https://electric-220.ru/news/princip_raboty_katushki_tesla/2014-03-18-553
https://www.rutvet.ru/kak-sobrat-katushku-tesla-svoimi-rukami-8871.html
https://stuki-druki.com/authors/Tesla.php
https://www.eprussia.ru/epr/31/2008.htm
https://ru.wikipedia.org/wiki/Трансформатор_Теслы
https://24smi.org/celebrity/4623-nikola-tesla.html