Создание модели катушки Тесла и исследование ее возможностей

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Зыков К.Д. 1

---

1МАОУ "Лицей №38"

Еделев А.Ю. 1

---

1МАОУ "Лицей №38"

Работа в формате PDF

2.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. 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. Мне очень нравится посещать кружок «Радиоэлектроники». Тема для проекта нашла меня сама, когда я смотрел в интернете очередные интересные схемы. Заинтересовал меня и видеофрагмент, где автор демонстрировал удивительные опыты с катушкой Тесла: зажигал лампы на расстоянии без проводов, передавал электричество на расстояние без проводов, а также создавал мощнейшие электрические разряды. Я загорелся идеей создания такой самодельной катушки, хотя бы небольшой мощности.

Актуальностьработы. Работа посвящена созданию катушки Тесла, с помощью которой можно показать возможность передачи электричества на расстояние без проводов. Передача тока без проводов и на сегодняшний день является наиболее актуальной. Я считаю, что заинтересовать других ребят удивительной наукой физикой через интересные опыты с катушкой Тесла тоже не менее актуально.

Цель работы: 

- сделать прибор для передачи тока на расстоянии без проводов.

- объяснить принцип действия данного прибора.

- продемонстрировать работу данного прибора.

Задачи:

1.Ознакомиться с принципом работы «катушки Тесла».

2.Сконструировать самодельную «катушку Тесла» из простых и доступных материалов.

3.Провести испытание модели в действии.

Гипотеза: из доступных радиодеталейможно собрать действующую модель «Катушки Тесла».

2. Историческая справка

Электроэнергия  играет  важную роль  в  быту современного  человека,
сопровождая  его  повсюду.  Каждый  из  нас  пользуется   бытовыми электроприборами,  лифтами,  банкоматами,  компьютерами, мобильными телефонами и т. д. Все  эти  и  многие  другие,  привычные  каждому человеку  электроприборы, служат одной цели - создание для человека более удобные и комфортные условия жизни. Но есть одно но: они не могут функционировать без постоянного электроснабжения.  При  этом  количество  электроприборов,  окружающих нас,  не  становится  меньше,  оно постоянно  увеличивается  из  года  в  год. Увеличивается  и   потребность   в  эффективной  передаче  электроэнергии. Все мы знаем, что при передаче электричества через провода часть его теряется из-за сопротивления самих проводов. 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 Никола Тесла.

Прибор, названный по его же именем, былзапатентован 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала». Сам же Никола Тесла это изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. 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 Н. 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.Трансформа́тор (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.

3. Устройство и принцип работы катушки Теслы

Простейший трансформатор или катушка Теслы состоит из двух катушек без общего сердечника, а также разрядника, конденсатора и тороида.

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 Теслы 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.

Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек — первичной и вторичной, а также разрядника, конденсаторов, тороида и терминала. 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.

Качер Бровина

Одним из вариантов трансформатора Тесла является качер Бровина. В его конструкцию могут входить полевые или биполярные транзисторы, реже – радиолампы (триоды и пентоды). Качер Бровина был изобретен в 1987 году советским радиоинженером Владимиром Ильичом Бровиным в качестве элемента электромагнитного компаса.

Качер представляет собой полупроводниковый разрядник ( по аналогии с разрядником Тесла), в котором электрический разряд тока проходит в кристалле транзистора без образования плазмы (электрической дуги). При этом кристалл транзистора после его пробоя полностью восстанавливается, т.к. это обратимый лавинный пробой.

Рис.1

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.

4. Модель Катушки Тесла

Катушка Тесла представляет из себя резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение высокой частоты. Я планирую собрать самый безопасный вариант катушки (он же SSTC), включающий в себя элементы Качера Бровина, главным отличием которого является меньшая мощность и отсутствие длинных отходящих дуг, которые, по сути являются небольшими молниями.

Для изготовления самодельной Катушки Тесла я взял обычную пластиковую трубу диаметром 20мм и длиной 220мм и намотал туда медную проволоку диаметром 0,15мм по всей длине виток к витку так, чтобы получилось около 760 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 6,5 витков вокруг на одну пятую длины катушки, но так чтобы обмотки не соприкасались. Промежуток между катушками должен быть около 10мм. 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 конденсаторы 2х1000uF и пару проводов и выключатель.

Схема собрана на монтажной плате с помощью паяльника, транзистор приклеен к радиатору термопастой. Также я припаял пару проводов, чтобы было удобно монтировать катушки к генератору, 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. Также я спаял к концам блока питания катушки маленький выключатель.

Пайка деталей по схеме (рис.2):

Рис.2 Результат на рисунке 3:

Рис.3

В процессе экспериментов я решил собрать более мощную катушку. По схеме (рис 4.).

Катушку паял навесным монтажом.

Вторичную обмотку покрыл слоем лака для предотвращения электрического пробоя и потемнения проволоки.

Рис.4

Получилась более интересная и наглядная модель (рис.5)

Рис 5

5. Расчет параметров:

, где К W-число витков в соответствующей обмотке

индуктивность первичной катушки в мкГн

индуктивность вторичной катушки в мкГн

емкость вторичной катушки в пФ

емкость тора в пФ

рабочая частота катушки в кГц

общая емкость вторичного контура

-длина первички, см -длина вторички, см

-диаметр первички, см -диаметр вторички, см

- диаметр провода вторички, мм

-кол-во витков первички, шт -кол-во витков вторички, шт

- наружный диаметр тора, см -диаметр трубы тора, см

6. Эксперименты с катушками Тесла

Эксперимент 1.

Линейчатый разряд, образованный одним электродом в разомкнутой цепи.

Эксперимент 2.

Можно коснуться электрода рукой. Это электричество не приносит никакого вреда организму. На его концах выходит напряжение около 31000Вольт. Но у этого тока маленькая сила тока и очень большая частота около 375кГц.

Эксперимент 3.

Ионизация газа в энергосберегающих люминесцентных лампах.

7.Заключение.

Можно подвести некоторые итоги. Мои гипотезы подтвердились самодельная Катушка Тесла получилась и заработала.

1) лампочки, наполненные инертным газом светятся вблизи катушки, следовательно, вокруг установки действительно существует электромагнитное поле высокой напряженности;

2) лампочки загорались сами по себе у меня в руках на определенном расстоянии, значит, электрический ток может передаваться без проводов.

На его концах выходит напряжение около 1000вольт. Но у этого тока маленькая сила тока и очень большая частота около 20МГц.:

Необходимо отметить и еще одну важную вещь: действие этой установки на человека:

Как Вы заметили при работе меня не било током: токи высокой частоты, которые проходят по поверхности человеческого организма не причиняют ему вреда, наоборот, оказывают тонизирующее и оздоровительное действие, это используется даже в современной медицине. Однако надо заметить, что электрические разряды, которые Вы видели, имеют высокую температуру, поэтому долго ловить молнию руками не советую!

Почему мы не используем катушку Тесла? Так как у неё очень маленький КПД. Около 10%.

Применение

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 Теслы 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.

Современное применение идей Теслы:

Переменный ток, впервые полученный Тесла, является основным способом передачи электроэнергии на большие расстояния

Электрогенераторы, которые изобрел Никола Тесла, являются основными элементами в генерации электроэнергии на ГЭС, АЭС, ТЭС и т. д.

Электродвигатели используются во всех современных электропоездах, электромобилях, трамваях, троллейбусах

Радиоуправляемая робототехника получила широкое распространение не только в детских игрушках и беспроводных телевизионных и компьютерных устройствах (пульты управления), но и в военной сфере, в гражданской сфере, в вопросах военной, гражданской и внутренней, а также и внешней безопасности стран.

Беспроводные заряжающие устройства начинают использоваться для зарядки мобильных телефонов или ноутбуков.

Оригинальные современные противоугонные средства для автомобилей работают по принципу все тех же катушек.

Использование в развлекательных целях и в медицине.

Итог работы

1.Выполняя данную работу, я приобрел навыки работы с инструментами, научился оценивать результаты своей работы, учился связывать теорию с практикой, пользоваться инструментальными методами исследования.

2. Данный прибор можно применять на уроках физики 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. Еще его можно использовать в больницах или в других помещениях, где должен быть ионизированный воздух.

8. Литература.

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

http://www.374.ru/index.php?x=2007-11-19-20

Приложение:

1. Ионизация газа в лампах

2. Линейчатый разряд