XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Получение высоких напряжении
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Получение высокого напряжения (высоким называют напряжение выше 1000–1500 В, см. § 1.1) представляет серьёзный практический интерес, так как высокое напряжение востребовано во многих областях науки и техники. Необходимость в высоких напряжениях встречается как в повседневных, но тем не менее важных областях техники (например, распределение электроэнергии), так и в новых, сложных отраслях науки (например, изучение элементарных частиц и лечение рака).
В наши дни работа почти каждого прибора и инструмента во многом зависит от получения высокого напряжения, причем зачастую для каждого прибора способ получения тока с высоким напряжением ввиду характеристик прибора будет уникальным.
В нашей работе рассматриваются как классические устройства и схемы получения высокого напряжения, которые приобрели наибольшую популярность ввиду универсальности своих возможностей, так и более редкие, и уникальные, но имеющие не менее важное значение в истории науки и для работы многих устройств, которые требуют альтернативных способов получения высокого напряжения, в связи с условиями работы и характеристиками приборов. Примерами альтернативных способов получения высоких напряжении являются генератор Ван де Граафа и трансформатор Теслы, действующие модели которых являются продуктами данной работы.
Генератор Ван де Граафа и катушка Теслы будут переданы в кабинет физики нашей школы. По нашему мнению, собранные устройства являются хорошим дополнением для уроков физики в 10 и 11 классах, в чём и заключается практическая значимость проекта.
Цель работы: собрать действующие модели трансформатора Теслы и генератора Ван де Граафа, получить с их помощью высокое напряжение, а также продемонстрировать различные его особенности.
Задачи работы:
-
Подобрать и проанализировать научную литературу по теме получения и использования высоких напряжений.
-
Спроектировать и собрать модели трансформатора Теслы и генератора ван де Граафа.
-
Получить высокое напряжение с помощью трансформатора Теслы и генератора Ван де Граафа и продемонстрировать их свойства на опыте.
-
Провести анализ проделанной работы, сделать выводы.
Методы работы:
Теоретического уровня: анализ, работа с понятием, синтез, сравнение, обобщение, моделирование.
Эмпирического уровня: опытно-экспериментальная работа.
Этапы работы:
1 этап. Теоретический: подбор и анализ научной литературы по теме работы.
2 этап. Практический: проектирование и сборка модели трансформатора Теслы и генератора ван де Граафа; получение высокого напряжения с помощью собранных приборов.
3 этап. Аналитический: анализ проделанной работы, подведение итогов.
Глава 1. Теоретический базис проекта
§ 1.1. Сущность понятия “Высокое напряжение”
В нашей работе определение высокого напряжение даётся в соответствие со стандартом Международной электротехнической комиссии, которое и используется в большинстве стран мира (в том числе РФ).
Высокое напряжение – в общем смысле совокупность уровней напряжения сверх 1000 В для переменного тока и 1500 В для постоянного.
Стоит отметить, что в некоторых областях техники, напряжение начинает считаться высоким, если способно вызвать травму у человека или повреждение техники. Так, согласно методическим рекомендациям образовательного учреждения и системы министерства образования России в школах, в кабинетах физики, на столы учащихся запрещено подавать напряжение свыше 46 В постоянного тока, так как оно считается опасным. А в космонавтике напряжение считается высоким, если оно больше, чем 12 В.
§ 1.2. Использование высокого напряжения в науке и технике
Высокое напряжение востребовано в многочисленных областях науки и техники, некоторые из них приведены ниже.
Распределение электроэнергии
На сегодняшний день почти все электростанции расположены вдали от основных потребителей электричества – городов и крупных производств. Поэтому электрический ток приходится передавать на очень большие расстояния (так, например, высоковольтная линия «Итат — Барнаул — Экибастуз — Кокчетав — Кустанай — Челябинск» построенная в 1980—1990 годах имеет протяжённость — 2344 км). Для того чтобы минимизировать тепловые потери электроэнергии в многокилометровых линиях электропередач, в них понижают силу тока за счет повышения напряжения до сотен киловольт (см. приложение 1). Так, согласно данным с сайта Единой энергетической системы России (ЕЭС) (7) по высоковольтным линиям электропередач течёт ток с напряжением 220-500 кВ и выше.
Рентгеновские трубки
Важным этапом в медицине и технике стало открытие рентгеновских лучей Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 году. Сегодня рентгеновские лучи (5) широко применяются в различных сферах деятельности человека: промышленности (обнаружение дефектов), криминалистике, химии (выяснение структуры вещества на атомном уровне) и медицине (к примеру, по данным ВОЗ во всем мире ежегодно проводится около 3,6 миллиардов диагностических медицинских обследований, таких как рентгенография. Это число продолжает расти по мере того, как все больше людей обращаются за медицинской помощью. Около 350 миллионов из них выполняются детям в возрасте до 15 лет).
Для получение рентгеновских лучей используют рентгеновские трубки, работа которых невозможна без высокого напряжения (см. приложение 2).
Ускорители элементарных частиц
Изучение элементарных частиц – одно из направлений фундаментальной физики, вызывающих в наши дни особый интерес. Для проведения исследований в этой области физики требуются специальные приборы – ускорители частиц (4). Первым из таких устройств являлся циклотрон, построенный американскими физиками Эрнестом Лоуренсом и Дэвидом Слоаном в 1931 году. На сегодняшний день ускорители частиц отличаются большим разнообразием. Так, согласно данным МАГАТЭ (6), сегодня в мире их насчитывается больше двадцати тысяч. Начиная от линейных промышленных ускорителей до уникальнейших проектов, созданных человеком, таких, как: NICA в Дубне и Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе. Они являются одними из основных инструментом физиков в познании мира на сегодняшний день. В список задач ускорителей частиц входят такие глобальные и сложные как:
- получение и изучение новых химических элементов (так, например, последний из известных науке химических элементов – оганесон, был открыт при помощи ускорителя частиц (Объединённый институт ядерных исследований, город Дубна 2005 год).
- изучение основных вопросов астрофизики, к примеру процессов внутри нейтронных звёзд, или образования Вселенной. Так, на ускорителях частиц экспериментально не раз подтверждались различные теории и предположения учёных (существование бозона Хиггса, о котором Питер Хиггс и Франсуа Энглер предполагали ещё в 1964 году, было доказано на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе лишь 2013 году).
В медицине с помощью более компактных и менее мощных ускорителей лечат раковые опухоли (лучевая терапия в НМИЦ онкологии им. Н. Н. Блохина, Москва).
Помимо всего вышеперечисленного, ускорители используют или планируют использовать в ближайшем будущем в пищевой промышленности, изготовлении материалов, проверке подлинности картин и даже переработке мусора.
В ускорителях частиц частицы ускоряются за счёт электрического поля, создаваемого при помощи высоких напряжений (см. приложение 3). Необходимость получения этих высоких напряжении, породила и необходимость в изобретении таких устройств как Генератор Ван де Граафа (пеллетрон) и умножитель Кокрофта-Уолта, способные создать напряжение в миллионы вольт (о них пойдёт речь далее в § 1.3).
§ 1.3. Получение высоких напряжений науке и технике
Для обеспечения работы приборов, которые потребляют ток с высоким напряжением (см. § 1.2), было создано множество устройств. Их можно разделить на два класса:
-
электростатические генераторы,
-
устройства для повышения переменного или импульсного напряжения.
Электростатические генераторы высокой разницы потенциалов
Электростатические генераторы (электростатические машины, индукционные машины) – это устройства, создающие малые токи (<10 мкА) которые обладают высоким напряжением (от 10 кВ до 10 МВ), при помощи накопления электрических зарядов, возникших в результате трибоэлектрического эффекта (появление электрических зарядов в материале, в результате трения) или электростатической индукции.
Далее будут описаны наиболее популярные электростатические машины.
Электрофорная машина
Электрофорная машина (см. приложение 4) была изобретена немецким физиком Августом Тёплером в 1865 году, однако сильно усовершенствовал и довёл до современного вида её в 1880-1883 годах британский инженер Джеймс Уимсхёрт, которого зачастую и называют ее создателем.
На сегодняшний день электрофорные машины получили широкую популярность в школах, где применяются для демонстрации электростатических явлений.
Генератор Ван де Граафа. Пеллетрон
Генератор Ван де Граафа был изобретён в 1931 году, американским физиком Робертом Ван де Граафом. В связи со своими характеристиками и простотой конструкции генератор Ван де Граафа, приобрёл огромную популярность и поспособствовал развитию ядерной физики. Он являлся ключевым элементом большинства ускорителей того времени (даже сравнительно примитивные генераторы Ван де Граафа способны создавать напряжение от тысяч до миллионов вольт). Однако и сегодня его устройство не потеряло актуальность: на базе генератора Ван де Граафа, был разработан современный линейный ускоритель частиц – пеллетрон. Существенным преимуществом пеллетронов (генераторов Ван де Граафа) являются непрерывность, высокая интенсивность и высокая стабильность по энергии ускоренного пучка.
Генератор Ван де Граафа состоит из металлической сферы, электрического двигателя, диэлектрической ленты, которая вращается на двух роликах (один из приводится в движение при помощи электродвигателя) и двух электродов в виде щеток, которые размещены на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причем верхний соединен с внутренней поверхностью металлической сферы (см. приложение 5).
Лента заряжается в результате трения об ролики, при этом нижняя щёточка заземлена (трибоэлектрический эффект). Далее полученный заряд снимается верхним электродом, переходя на сферу, где накапливается до необходимой раздницы потенциалов, затем заряд снимается. Притом скорость накопление заряда на сфере обратно пропорциональна радиусу сферы, а величина получившегося заряда прямо пропорциональна ему.
Устройства повышения переменного или импульсного тока
Умножители напряжения (умножитель Кокрофта-Уолтона).
Умножитель напряжения — схема выпрямителя особого типа, амплитуда напряжение на выходе которой теоретически в целое число раз выше, чем на входе. Например, с помощью удвоителя напряжения можно получить 200 вольт постоянного тока из 100 вольт переменного тока источника.
Особую популярность в науке и технике получил несимметричный умножитель Кокрофта-Уолтона, изобретённый в 1932 году для проведения ядерных исследовании. На своём умножителе Кокрофту и Уолту удалось получить напряжение в 800 кВ.
Принцип работы умножителей напряжения основан на последовательном заряде и разряжании конденсаторов (см. приложение 6).
Повышающие трансформаторы
Самым простым и популярным решением для получения высокого напряжение, является трансформатор с разным количеством витков первичной и вторичной обмотки. Устройство действия трансформатора, было открыто английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 г. при проведении им основополагающих исследований в области электричества, однако первые модели трансформаторов были созданы и запатентованы отечественным изобретателем и предпринимателем П. Н. Яблочковым, спустя 45 лет в 1876 году (см. приложение 7).
На сегодняшний день существует огромное количество различных по свойствам, характеристикам, размерам и задачам трансформаторов, однако все они работают по одинаковому принципу.
Трансформатор Теслы
В 1896 году сербским учёным, работавшим в Нью-Йорке, Николой Тесла был зарегистрирован патент на аппарат для образование электрического тока высокого потенциала и частоты, позже это устройство получит имя своего изобретателя: трансформатор (катушка) Теслы.
Устройство трансформатора Теслы основано на электромагнитной индукции, как и в любых других трансформаторах и явлении электромагнитной стоячей волны (см. приложение 7, 8). Аппарат представляет из себя два колебательных контура с одинаковой частотой, но разным количеств витков в катушках индуктивности, которые, как и в любом другом трансформаторе называются обмотками. Так же важными частями трансформатора Теслы являются: металлический тороид (он накапливает в себя заряд) и терминал, из которого выходят разряды.
Первый колебательный контур представляет из себя конденсатор, разрядник и первичную обмотку, состоящую лишь из нескольких (4–5) витков, на эту часть трансформатора подаётся переменный или импульсный ток. Второй состоит из вторичной обмотки в ⁓ 1000 витков, а роль конденсатора представляет металлический тороид.
На вторичной обмотке, как и в любом другом проводнике возникают собственные колебания – сравнительно маленькие электрические токи, даже при небольших габаритах обмотки. И если с частотой этих колебаний начать подавать токи с более высоким напряжением, то они накладываются возникнет явление стоячей волны, что увеличивает напряжение на вторичной обмотке в несколько раз, притом с учётом отношения витков в обмотках: напряжение может увеличиваться в тысячи раз.
На сегодняшний день, появилось несколько разновидностей трансформатора Теслы. Однако все они также основаны на явлении резонанса.
SGTC (spark-gap Tesla coil) – трансформатор Теслы на искровом разряднике. Именно такой и изобрёл Тесла. (см. выше)
VTTC (vacuum-tube Tesla coil) – катушка, в которой вместо разрядника стоит радиолампа. Она нужна для работы при очень высоких частотах (см. приложение 9).
SSTC (solid-state Tesla coil) – катушка, с использованием полупроводниковых элементов или качер Бровина (1) (см. приложение 10). Этот вид катушек был изобретён советским радиоинженером Владимиром Ильичом Бровиным в 1987 году. В качере синхронизация первичного и вторичного контура осуществляется автоматически за счёт открывания и запирания транзистора путём подачи на его базу, тех самых колебаний, возникающих во вторичной обмотке. Многие радиолюбители пошли дальше и открыли огромную особенность таких катушек – возможность настраивать частоту работы катушки и даже воспроизводить музыку на ней, за счёт изменений частоты тока, подаваемого на базу транзистора.
Несмотря на все возможности устройства Теслы, оно не нашло своей ниши в технике. На практике трансформатор Теслы получил лишь популярность в начале 20-го века в медицине для лечения кожи пациентов, но в те времена, с таким же успехом некоторые лечились кусочками радиоактивного радия.
Однако в конце 20-го века – начале 21-го люди открыли устройство для себя заново, но уже в развлекательных целях. Стали популярны так называемые «Тесла шоу», в которых демонстрируются различные свойства высокого напряжения. Трансформатор Теслы также достаточно популярен среди радиолюбителей.
Вывод: В данной главе мы определили, какое напряжение считается высоким (от 1000 В переменного и 1500 постоянного). Часть главы была посвящена использованию высоких напряжений - ввиду численности и разнообразия направлений, где оно встречается, что лишний раз доказывает актуальность темы.
Не менее важным было обсудить сами устройства, способные такие напряжения создавать. Далее во 2-й главе речь пойдёт о практической части проекта - сборке и работе моделей генератора Ван де Граафа и трансформатора Теслы, устройство которых и было разобрано в данной главе (§ 1.3).
Глава 2. Проектирование и создание моделей генератора
Ван де Граафа и трансформатора Теслы
В этой главе будут описаны генератор Ванде Граафа и катушка Теслы (качер Бровина), созданные в демонстрационных целях. Будут даны характеристики устройств и оценка их эффективности.
С описанием работы и устройства генератора Ван де Граафа возможно ознакомиться в § 1.3 и приложении 5.
§ 2.1. Пробой сухого воздуха
Генератор Ван де Граафа и трансформатор Теслы создают напряжение, для измерения которого требуются профессиональное и дорогостоящее оборудование. В связи с чем результаты работы генератора Ван де Граафа и трансформатора Теслы, оценивались лишь опираясь на длину искрового пробоя сухого воздуха. При оценке полученного напряжения не учитывались влажность воздуха и точность глазомера. Данные о пробое сухого воздуха брались из онлайн справочника DPVA.ru: (пробой сухого воздуха - 2 кВ на миллиметр). Так же был проделан ряд демонстрационных опытов с катушкой Теслы и генератаром Ван де Граафа, которые так же позволяли оценить эффективность устройств.
§ 2.2. Собранный генератор Ван де Граафа. Результаты его работы
Этапы сборки генератоора Ван де граафа
1 этап. Поиск необходимых деталей
Генератор, состоит из множество разнообразных деталей, не связаных между собой (от салатниц до электродвигателя). Давая оценку этому этапу, можно сказать, что довольно не просто было найти все необходимые комплектующие для создания генератора Ван де Граафа. Тем не менее, у нас это получилось, и мы перешли к следующим этапам.
2 этап. Создание системы из ленты, электродвигателя и двух роликов
Стоит отдельно выделить этап, на котором мы собирали механизм, приводящий в движение ленту. На этот этап ушло больше всего времени. Механизм пришлось несколько раз собирать заново. В итоге, «методом проб и ошибок» – была получена устойчивая система, которая двигает замкнутую ленту и создаёт трение.
3 этап. Создание металлической сферы
Заключительной деталью был накопитель зарядов. Сфера сделана из двух салатниц, склеенных алюминиевым скотчем. На сфере накапливается заряд; ввиду этого для минимизации потерь важно было сгладить все выступы на ней.
4 этап. Работа устройства
Характеристики устройства. Оценка полученного напряжения
Далее приведены характеристики собранного нами генератора Ван де Граафа (см. приложение 11).
Питание 12 В 2 А 240 Вт
Длина искрового разряда ⁓ 2 см
Напряжение, создаваемое генератором ⁓ 40 КВ
Накопление заряда на электроскопе.
При подключении генератора Ван де Граафа к электроскопу, стрелки приводятся в движение довольно быстро и занимают своё предельное положение (см. приложение 12).
Накопление заряда на «Султане».
«Султан» – система, состоящая из металлического стержня и тонких бумажных лепестков, прикрепленных к нему. При появлении на «султане» заряда – его лепестки начинают отдалятся друг от друга вследствие электростатического отталкивания одноименных зарядов. При соединении «султана» с генератором Ван де Граафа – лепестки на нём довольно быстро приводятся в движение и занимают крайнее положение (см. приложение 13).
Выводы по работе генератора Ван де Граафа
На основании полученных данных можно считать собранный генератор Ван де Граафа эффективным в работе. Генератор способен накапливать большие заряды, создавая высокую разницу потенциалов, тем не менее прибор абсолютно безопасен в эксплуатации, ведь сила тока в устройстве пренебрежимо мала. Таким образом, созданная модель пригодна для демонстрационных целей.
§ 2.3. Собранный трансформатор Теслы. Результаты его работы
Ввиду новизны и простоты сборки из всех типов трансформаторов Теслы, нами было принято решение собрать качер Бровина (SSTC). Ознакомиться с устройством работы качера возможно в параграфе 1.3 и приложения 11.
Этапы сборки качера Бровина
1 этап. Выбор схемы
Как было сказано в § 1.3 – на сегодняшний день существует множество вариации трансформатора Теслы. Ввиду новизны конструкции выбор схемы трансформатора пал на качер Бровина. Качер Бровина наиболее безопасен из всех возможных вариаций, а также лёгок в поиске деталей и починке.
2 этап. Поиск деталей
Все детали для качера Бровина можно найти в магазинах радиодеталей или радиорынках. Данный этап затруднений не вызвал. Найти все необходимые детали в Москве можно оперативно и в одном месте.
3 этап. Пайка схемы. Намотка вторичной обмотки
Качер Бровина состоит всего из 6 деталей, поэтому его схему сможет спаять каждый желающий. Не просто было намотать вторичную обмотку. Повторим: вторичная обмотка это 1000 витков медной проволоки диаметром 0.2 мм, при этом витки должны ложиться друг к другу вплотную. На создание вторичной обмотке ушло около 5 часов. Тем не менее этап был пройден, без особых затруднений.
4 этап. Работа устройства
Характеристики устройства. Оценка полученного напряжения
Ниже приведены характеристики собранного нами качера Бровина (см. приложение 14).
Питание 12 В 2 А 240 Вт
Длина искрового разряда ⁓ 1 см
Напряжение, создаваемое генератором ⁓ 20 КВ
Загорание энергосберегающей лампочки и лампы дневного света (ЛДС) во время работы трансформатора Теслы.
Электромагнитное поле высокой частоты и напряжённости, которое создаёт вокруг себя трансформатор Теслы, способно зажигать лампы, попадающие под влияние этого поля (приложения 15 и 16). Так же во время работы трансформатора Теслы было замечено, что его поле способно, оказывать влияние на телефоны (они просто перестают работать), а на краях проводов и проволок, находившихся вблизи включённого аппарата, были замечены небольшие разряды.
Выводы по работе генератора Ван де Граафа
Исходя из выше сказанного, собранный трансформатор Теслы является эффективным в работе. Трансформатор способен создавать высокое напряжение и поле с высокой напряжённостью. Но, несмотря на это, токи, создаваемые трансформатором, имеют довольно маленькую силу, к тому же их частота довольно велика (вследствие последнего создаётся так называемый «скин эффект» – токи бегут по поверхности проводника, в случае с человеком - по коже, не задевая важные органы), ввиду этого устройство безопасно в эксплуатации. Трансформатор Теслы, созданный нами, подходит для демонстрационных целей.
С помощью генератора Ван де Граафа и трансформатора Теслы были получены высокие напряжения. Опыты проведённые с ними указывают на возможность использовать генератор Ван де Граафа и трансформатор Теслы в демонстрационных целях. Устройства будут переданы в кабинет физики.
Заключение
В процессе проектной работы были достигнуты все поставленные задачи. Был выполнен анализ литературы по теме получения и использования высоких напряжений. Спроектированы и собраны трансформатор Теслы и генератор ван де Граафа. С помощью трансформатора Теслы и генератора Ван де Граафа было получено высокое напряжение, продемонстрированы их свойства на опыте.
Список использованных источников и литературы
Книги научные статьи:
-
Бровин В. И., Мачкин П. И. КАЧЕР-технология (электронный ресурс). – Режим доступа: https://gorchilin.com/articles/scheme/half-wave_kacher_brovin.pdf, свободный. – Заглавие с экрана.
-
Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: КноРус, 2016 (электронный ресурс). – Режим доступа: https://ru.djvu.online/file/W9zF1UiGQCP1e, свободный. – Заглавие с экрана.
-
Ишханов Б. С., Капитонов И. М., Кэбин Э. И. Частицы и ядра. Эксперимент (электронный ресурс). – Режим доступа: http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/, свободный. – Заглавие с экрана.
-
Яблоков Б. Н. Ускорители. - М.: Госатомиздат, 1962 (электронный ресурс). – Режим доступа: http://elib.biblioatom.ru/text/uskoriteli_1962/go,0/ , свободный. – Заглавие с экрана.
Статистические данные, научно-популярные статьи, интернет- справочники:
-
ВОЗ: делать рентген или не делать (электронный ресурс). – Режим доступа: https://www.who.int/news-room/feature-stories/detail/to-x-ray-or-not-to-x-ray-, свободный. – Заглавие с экрана.
-
МАГАТЭ: Применение ускорителей частиц и других источников ионизирующего излучения (электронный ресурс). – Режим доступа: https://www.iaea.org/ru/bulletin/63-2, свободный. – Заглавие с экрана.
-
Системный оператор единой энергетической системы: Единая энергетическая система России (электронный ресурс). – Режим доступа: https://www.so-ups.ru/functioning/ees/ups2022/, свободный. – Заглавие с экрана.
-
Умножители напряжения на диодах - схемы включения, варианты подключения, утроители, умножители на 4, 5, 6, 8 (электронный ресурс). – Режим доступа: http://radiohome.ru/news/umnozhiteli_naprjazhenija_na_diodakh_skhemy_vkljuchenija_varianty_podkljuchenija_utroiteli_umnozhiteli_na_4_5_6_8/2017-08-07-258, свободный. – Заглавие с экрана.
-
Электропедия: Всемирный онлайн-словарь по электротехнике (электронный ресурс). – Режим доступа: https HYPERLINK "https://www.electropedia.org/", свободный. – Заглавие с экрана.
Приложение
Приложение 1
Линии электропередач
На электростанции понижают силу тока (I), повышая напряжения(U), в одинаковое количество раз. Тем самым снижая потери электроэнергии в связи с нагреванием проводников. Так как по закону Джоуля-Ленца: тепло, создаваемое проводником, прямо пропорционально квадрату силы тока Q=I2Rt тогда как Электрическая энергия, переносимая током, остаётся той же E=IUt . Далее, уже в городах проводится обратная операция, для получения привычных нам 220 В в сети.
Приложение 2
Устройство рентгеновской трубки
Внутри стеклянной колбы с вакуумом впаяны два электрода (катод и анод). Катод представляет собой спираль, при подаче на нее высокого напряжения (в десятки-сотни киловольт) катод начинает испускать поток электронов, который двигается в сторону анода и ускоряется за счет разности потенциалов между ними. Анод действует как мишень для электронов. Попадая на анод, электроны резко тормозятся, и 99% их кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию (из-за чего в трубках всегда есть жидкостное охлаждение), и около 1% – в рентгеновское излучение, которое направлено перпендикулярно оси движения электронов – за счет скошенной поверхности анода.
Приложение 3
У
стройство линейных ускорителей частиц
Линейные ускорители частиц состоят из разных по габаритами полых цилиндров, по которым протекает высоковольтный переменный ток, образуя электромагнитные поля. В момент прохождения частицы через поле с одноимённым зарядом, а система синхронизирована так что частица всегда проходит через поле с одноимённым зарядом, она ускоряется и так происходит несколько раз, до достижения нужной скорости.
Приложение 4
У стройство электрофорной машины
Основными деталями электрофорной машины являются два непроводящих, прилегающих друг к другу диска, разрядник (две маленькие сферы), две лейденские банки и к которым по окружности прикреплено множество металлических пластинок и металлические щёточки. Механическим воздействием диски начинают вращаться в разные стороны. Возникающее между ними трение создаёт на поверхностях дисков электрический заряд. Он снимается щёточками и аккумулируется в лейденских банках. Так в них накапливается до нескольких тысяч вольт (зависит от банок). Далее в случае необходимости этот заряд снимается через разрядники .
Приложение 5
Устройство генератора Ван де Граафа
Приложение 6
У
рис. 6.1
стройство умножителей напряжения.
Для начала рассмотрим устройство удвоителя напряжения (см. рис. 6.1)
На удвоителя подаётся переменный ток, который периодически меняет своё направление из-за чего попеременно проходить через диод VD1 и через диод VD2, заряжая конденсаторы C1 и C2 соответственно. В итоге суммарное напряжение на двух конденсаторах получится постоянным и в двое большее, чем входное.
В 1932 году Кокрофтом и Уолтом был изобретён усовершенствованный способ умножения напряжения (см. рис. 6.2). В нём, ток сначала заряжает конденсатор C1, затем, при смене направления тока конденсатор C1 последовательно соединяется с источником питания, образуя напряжение в два раза большее чем входное, которое переходит на конденсатор C2 и так далее. Таким образом т
рис. 6.2
еоретически существует возможность конструирования схемы умножителя Кокрофта - Уолтона с неограниченно большим количеством ячеек.
Приложение 7
Устройство повышающего трансформатора
Л юбой трансформатор состоит из двух катушек индуктивности, намотанных на общий сердечник, но не имеющих между собой электрического контакта. Катушки называют обмотками трансформатора. Сердечник изготавливается из материалов с высокой магнитной проницаемостью (ферромагнетики), к примеру из стали или феррита.
При различном количестве витков на обмотках различаются и напряжения с силой тока на этих обмотках, но не изменяется мощность, то есть: U1U2= I1I2= N1N2, где U1 и U2 это напряжения, I1 и I2 – силы тока, а N1 и N2 – количество витков, на этих обмотках. Это свойство и используют для получение высоких напряжений.
Принцип работы трансформатора заключается в использовании явлении электромагнитной индукции. При подаче переменного или пульсирующего тока на одну из обмоток, вокруг неё создаётся переменное магнитное поле, которое передаётся по сердечнику к другой обмотке, в результате чего на ней возникает ЭДС индукции и образуется электрический ток.
Приложение 8
SGTC – Трансформатор Теслы на искровом разря
днике
Приложение 9
VTTC – Трансформатор Теслы на радиолампе
Приложение 10
SSTC – Катушка с использованием полупроводниковых элементов (качер Бровина)
рис. 11
Приложение 11
Пробой воздуха Генератором Ван де Граафа
Приложение 12
Генератор Ван де Граафа и электроскоп
Приложение 13
Г енератор Ван де Граафа и «султан»
Приложение 14
Пробой воздуха трансформатором Теслы
Приложение 15
Загорание энергосберегающей лампы от трансформатора Теслы
Приложение 16
Загорание ЛДС от трансформатора Теслы