XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Удивительное изобретение - музыкальная катушка Тесла

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мехоношин Т.Н. 1

---

1МАОУ "СОШ "Мастерград" г. Пермь

Южанинова Л.Г. 1

---

1МАОУ "СОШ "Мастерград" г. Пермь

Работа в формате PDF

2.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Экспериментальная физика имеет огромное значение в развитии науки. Ведь эксперимент – это путь к пониманию различных явлений в природе. Не зря говорят: - «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать».

Поэтому, увидев в интернете видео ролик с демонстрацией различных экспериментов и возможностей музыкальной мини катушки Тесла, мне захотелось узнать больше информации о ней и попытаться повторить эти эксперименты.

Актуальность. Считаю, что предложенная тема очень актуальна в наше высокотехнологичное время, не смотря на то, что это изобретение появилось еще в 1891 году, благодаря великому ученому Николе Тесла. Даже в современном мире мы используем его, чтобы передавать электроэнергию на расстоянии с помощью электромагнитного поля без проводов.

Гипотеза: Предполагаем, возможность передачи электроэнергии на расстоянии, а так же воспроизведение мелодии с помощью молний.

Цель исследования:  узнать об изобретении трансформатор Тесла, собрать рабочую модель музыкальной катушки в домашних условиях и провести ряд экспериментов.

Объект исследования: музыкальная катушка Тесла.

Предмет исследования: электромагнитное поле и его возможности.

Задачи исследования:

1. Изучить литературу по теме исследования;

2. Изучить практическое применение катушки Тесла

3. Провести опрос;

4. Собрать музыкальную катушку Тесла по схеме;

5. Провести эксперименты, используя два вида музыкальных катушек Тесла;

6. Сравнить результаты исследования.

Методы исследования: теоретические, опрос, практические, эксперимент, анализ.

Значимость исследования и практическое применение: Изучение данной темы помогает понять принципы работы некоторых современных устройств и повысить интерес к изучению предмета «Физика». Работа может быть использована при изучении некоторых тем предмета физики в старших классах школьной программы, а так же для расширения кругозора школьников начальных классов по окружающему миру и развитие познавательного интереса к науке на классных часах.

1. Изобретение, опередившее время

   1. Великий ученый Никола Тесла

Сербский ученый-физик Никола Тесла — выдающийся изобретатель и инженер в области электро- и радиотехники (Приложение 1, рис.1). Родился 10 июля в 1856 году в деревне Смилян в Хорватии в семье священника.

Начальные знания он получил в местной школе. А знания по электротехнике получил в Грацском техническом университете. Уже с первого курса он решал в уме сложнейшие задачи и делал необычные выводы, над которыми преподаватели только смеялись.

В 1882 году Теслу направили в Париж в компанию Томаса Эдисона, которая создавала электростанции. Спор между Эдисоном и Теслой привёл к тому, что изобретатель покинул Европу и отправился в США. 

В 1885 году Тесла усовершенствовал машину Эдисона. В то время электростанции Эдисона передавали постоянный электрический ток низкого напряжения только на очень короткие расстояния. Тесла пытался убедить Эдисона в необходимости использовать переменный ток, который не был так зависим от протяжённости проводов. И в 1888 году Тесла удалось запатентовать первые двигатели переменного тока.

1888—1895 годы считаются самыми плодотворными в его карьере: Тесла запатентовал большинство своих изобретений, одним из которых был «аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала» она же «катушка Тесла». В своей лаборатории в Колорадо-Спрингс Тесла построил мощный генератор, в нескольких сотнях метров от которого все лампы накаливания светились чистой беспроводной энергией. (Приложение 1, рис.2).

На счету учёного свыше 700 изобретений и патентов. Среди его открытий: переменный ток, флюоресцентная лампа, первые принципы дистанционного управления, основы лечения токами, первые электрические часы, двигатель на солнечной энергии и многое другое. Последний патент получен на создание летательного аппарата с вертикальным взлетом. Многие труды Николы Тесла были засекречены по решению ЦРУ США, а некоторые исчезли бесследно.

Умер ученый 7 января 1943 года в одиночестве.

1. 2. Принцип работы катушки Тесла

Катушка Тесла - это мощное устройство, создающее вокруг себя высоковольтное электрическое поле, способное передавать электроэнергию на расстоянии. Прибор запатентован 22 сентября 1896 г (Приложение 1, рис.3).

Яркий пример передачи электроэнергии без проводов — это молния. Молния получается, когда мощный электрический разряд, который возникает при сильной электризации (трении) туч или земли. В нижней части тучи накапливается отрицательный разряд. А Земная поверхность обладает положительным зарядом (Приложение 1, рис.4). Электроны, расположенные в туче, притягиваются к земле и устремляются вниз. Создаётся условие, при котором весь отрицательный разряд энергии выходит из тучи, создавая мощный поток электричества, направленный в землю. В такой момент возникает вспышка молнии, сопровождающаяся раскатом грома.¹

В  катушке Теслы происходит то  же самое, только в меньших масштабах. В ней две проводниковые катушки из провода — первичная и вторичная. В первичной обмотке небольшое количество витков (используется короткий и толстый провод). Вторичная обмотка — это прямая катушка провода (используется длинный тонкий провод, более 1000 витков). (Приложение 2, рис.5)

Когда частоты колебания колебательного контура первичной обмотки совпадают с собственными колебаниями стоячих волн вторичной обмотки, возникает резонанс и стоячая электромагнитная волна. В итоге между концами катушки появляется высокое переменное напряжение. ⁴

Разряды исходящие от катушки бывают трёх видов: коронные, дуговые, искровые. (Приложение 2, рис.7)

«Молнии», которые делает тесла, не причиняют человеку никакого вреда: дело в том, что здесь ток переменный и очень высокой частоты, возникает «скин-эффект», при котором ток не проникает внутрь проводника, а  идет только по  поверхности, так что  это действительно безопасно.¹ (Приложение 2, рис.6) 

1.3. Музыкальная катушка Тесла

Музыкальная катушка Тесла (поющая молния) – это одна из разновидности катушки Теслы, которая была модифицирована для получения музыкальных тонов (Приложение 3, рис.8). При включении Катушка Тесла генерирует электрический разряд в воздухе, который вызывает детонацию и последующую звуковую волну. Используя описанный принцип и включая Катушку Тесла с нужной нам частотой, мы можем проигрывать музыкальные ноты последовательностью «микровзрывов». Высота звука напоминает звук синтезатора.⁶

1. 4. Современное применение идей Николы Тесла

При  жизни Николе Тесле не  удалось создать совершенную технологию электропередачи по воздуху. Проблема такого метода  — это высокие энергозатраты и  небольшие расстояния, но  всё-таки свой вклад в  науку этим изобретением ему сделать удалось (Приложение 4, рис.11):

1. На  основе катушки «Тесла», В последствие придумали другие трансформаторы. Они являются основными элементами в генерации электроэнергии на ГЭС, АЭС, ТЭС.

2. Электродвигатели переменного тока, впервые созданные Николой Тесла, используются во всех современных станках, электропоездах, электромобилях, трамваях, троллейбусах

3. Радиоуправляемая робототехника получила широкое распространение в детских игрушках, беспроводных телевизионных и компьютерных устройствах (пульты управления). В военной и гражданской сфере, например, дроны и другие беспилотные аппараты. 

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

5. Беспроводные зарядные устройства для гаджетов (смартфоны, ноутбуки, наушники).

6. Используют в медицине и косметологии. Такие токи протекают по поверхности кожи, оказывают оздоравливающее и тонизирующее влияние, не причиняя при этом вреда организму человека. Современные приборы, основанные на эффекте катушки Теслы, позволяют стимулировать и тонизировать кожу, решая некоторые проблемы с венами, морщинами. Например, аппараты микротоковой терапии и Дарсонваль.⁵

7. Используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах.

8. В образовании. Катушки Теслы выставляются в научных музеях и на ярмарках электроники, а также используются для демонстрации принципов высокочастотного электричества на уроках. 

9. Использование в развлекательных целях и в шоу (Тесла-шоу в Сочи-парке). В рекламе и кино-индустрии для создания спецэффектов. В музыкальной индустрии для создания музыки и дополнительных звуковых эффектов. (Приложение 4, рис.9, 10)

Ознакомившись с информацией по теме исследования, решено провести опрос среди детей и взрослых, чтобы узнать, много ли людей знают о Николе Тесла и его изобретениях.

В опросе приняли участие 37 человек в возрасте от 8 до 63 лет. Результаты опроса можно посмотреть в таблице и на диаграмме (Приложение 8). Ответы во всех вопросах разделились примерно поровну. Но на вопрос о изобретениях ученого мало кто знает ответ.

Практическое исследование

Дальнейшее изучение устройства катушки Тесла было проведено экспериментально-практическим путем в домашних условиях.

Цель моей работы - собрать действующую музыкальную катушку Тесла по схеме, убедиться, проведя несколько опытов, что вокруг нее создается электромагнитное поле, способное передавать ток беспроводным способом. А так же убедиться, что с помощью разрядов молний можно воспроизводить различные мелодии.

Оборудование. Для работы я использовал готовый DIY набор (конструктор) предназначенный для самостоятельной сборки и обучения радиолюбителей навыкам пайки и чтения схем. И готовое устройство - мини музыкальная катушка тесла с Bluetooth для домашних экспериментов (разрешена к использованию детьми с 6 лет).

Данные своих наблюдений и сравнительная характеристика двух музыкальных катушек были занесены в таблицу (Приложение 9, таблица 2).

Так как работа связана с электроприборами, следует соблюдать следующие меры безопасности:

Сборку модели и опыты проводить только под присмотром взрослого человека.

Вблизи прибора не должно находиться посторонних предметов.

Во время включения нужно быть на расстоянии вытянутой руки от катушки. Иметь свободный доступ для отключения от сети. Для проведения опытов нужно 2 человека – один включает/выключает прибор, второй демонстрирует опыт.

1. Нельзя касаться молнии и одновременно трогать ручки и кнопки управления катушкой.

2. Не прикасаться руками или предметами к резонатору (обмотке) во время работы катушки.

3. Не включать катушку, если на вторичной обмотке есть грязь или жидкость.

Ход работы:

DIY набор для сборки миниатюрного трансформатора Тесла с аудио-вход состоит из схемы (Приложение 5, рис.12) и набора деталей (Приложение 5, рис.13). Дополнительно для сборки набора необходим паяльник и припой (Приложение 5, рис.14). Для питания устройства использован блок питания 15-25В и 2А от ноутбука. В результате сборки получилась миниатюрная модель катушки тесла. (Приложение 5, рис.13). При включении устройства загорается светодиодная лампочка, показывающая, что напряжение подается на первичную обмотку. На конце проволоки вторичной обмотки через пару секунд можно заметить небольшую молнию голубого цвета, следовательно, полученная модель рабочая.

Далее с готовыми катушками можно провести несколько опытов и сравнить полученные результаты (Приложение 6, рис.15).

Опыт №1 Демонстрация электромагнитного поля катушки. Основная функция катушки тесла, это передача энергии на расстоянии благодаря магнитному полю, которое образуется рядом с ней. Для этого к катушке подносится газовая лампочка

Результат: газовая лампочка начинает светиться прямо в руках на небольшом расстояния от катушки. (Приложение 6, рис.16).

Вывод: Вокруг трансформатора есть электромагнитное поле.

Опыт №2 Свечение светодиодных лампочек без использования проводов. Поочередно к катушке подносятся различные светодиодные лампочки. Спустя 1-2 секунды, попадая в магнитное поле, они начинают светиться.

Результат: Возле трансформатора собственной сборки, из-за небольшого размера лампочка светится только с очень близкого расстояния, т.к. она меньше размером, магнитное поле тоже не большое.

Вывод: Мы убедились, что передача электрического тока возможна без использования проводов. (Приложение 6, рис.17).

Опыт №3 Музыкальные возможности катушки. Для проигрывания музыки в катушке собственной сборки необходимо подключить через провод AYX смартфон. На второй катушке музыка воспроизводится с помощью подключения смартфона через Bluetooth подключение. (Приложение 7, рис.18).

Результат: Катушки начинают воспроизводить звуковые мелодии и они вполне узнаваемы.

Вывод: Используя регулятор громкости и частоту подачи на промышленной катушке можно создавать собственные мелодии, дополняя красочными цветовыми эффектами - молниями. На катушке собранной самостоятельно- очень низкая громкость, но воспроизводиться даже голос исполнителя.

Я убедился, что самостоятельно собрать музыкальную катушку Тесла можно. Она действительно может передавать электрический ток беспроводным способом. От размера катушки зависит мощность создаваемого магнитного поля. Функциональные возможности, качество звука и зрелищность выше у катушки Тесла производственной сборки. Но с со своей основной задачей – демонстрацией опыта по передачи электротока беспроводным способом справляются оба варианта (Приложение 9, таблица 2).

Вывод

Изобретения Теслы в области электротехники и радиотехники имели инновационное значение и заложили основы развития современной науки и техники.

Сегодня мы не представляем свою жизнь без электричества, и именно Никола Тесла внес огромный вклад в развитие современного мира, где есть мобильная связь, радио, генераторы, трансформаторы, электродвигатели и многое другое. Изучение данной темы помогает создавать ученым новые изобретения.

В ходе данной работы я узнал об интересных возможностях передачи электротока, проверил их на практике. Опыты с катушкой Тесла могут повысить интерес учащихся к изучению физики и электромагнитных явлений. 

Список литературы

1. Красовский, С. А. Катушка Теслы / С. А. Красовский, И. Б. Насонова. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2023. — № 3 (66). — С. 257-260.

2. Чуянов В.А. Энциклопедический словарь юного физика. - М.: Педагогика-Пресс,1995- 336 с.

3. Я познаю мир. Дет. Энциклопедия, Физика. Под.ред. Хинн О.Г.- М.: АСТ-ЛТД, 1998.- 480с.

4. Марценюк Т. 2023. Никола Тесла: что изобрел и как жил известный ученый [Электронный ресурс] https://www.nur.kz/family/school/1800558-nikola-tesla-biografia-naucnye-otkrytia-interesnye-fakty/

5. Сутягин А. 2021. Катушка Теслы – гениальное изобретение, hi-news.ru [Электронный ресурс] https://hi-news.ru/eto-interesno/katushka-tesly-genialnoe-izobretenie-teoriya-zagovora-i-tungusskij-meteorit.html

6. Физический принцип работы музыкальных катушек Теслы. Творческая группа TeslaFX, 2024 [Электронный ресурс] https://tesla-sochi.ru/kontaktyi/

Приложение 1

Рис.1 Ученый Никола Тесла Рис.2 Никола Тесла в лаборатории

в Колорадо-Спрингс

Рис. 3. Трансформатор Теслы

Рис. 4. Механизм образования молнии

Приложение 2

Рис.5 Упрощенное изображение катушки Тесла

Рис.6 «Скин-эффект», при котором ток не проникает внутрь проводника

Приложение 3

Рисунок 7. Разновидности молний

Рисунок 8. Музыкальная катушка Тесла

Рисунок 9. Кадры из фильма «Ученик чародея» с использованием трансформатора Теслы

Приложение 4

Рисунок 10. Использование музыкальных катушек Тесла при музыкальном выступлении группы « ArcAttack» и в и и и в шоу-индустрии («Сочи-парк»)

Рисунок 11. Практическое применение трансформатора Тесла в современном мире

Приложение 5

Рисунок 12. Схема из набора для самостоятельной сборки катушки Тесла

Рисунок 13. Детали в наборе для самостоятельной сборки трансформатора Тесла и готовая модель после сборки

Рисунок 14. Работа над сборкой модели

Приложение 6

Рисунок 15. Две модели катушки Тесла

Рисунок 16. Демонстрация опыта с газовой лампочкой

Рисунок 17. Демонстрация опыта с различными видами светодиодных лампочек

П

Кабель USB

Type C AUX

Bluetooth

риложение 7

Рисунок 18. Подготовка к опыту №3

Приложение 8

Анализ данных полученных в ходе опроса

В опросе приняли участие 37 человек в возрасте от 8 до 63 лет.

Таблица 1. Подсчет результатов опроса

Приложение 9

Таблица 2. Сравнение двух видов музыкальных катушек тесла