VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Трансформатор Тесла. Демонстрация свойств высоковольтного высокочастотного излучения
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Всему миру известен ученый, инженер-электротехник и гениальный изобретатель в области физики, электротехники и радиотехники Никола Тесла.
Н. Тесла по национальности серб, родился он в Австрийской империи, вырос в Австро-Венгрии, но его талант ученого и изобретателя проявился только в те годы, когда он работал во Франции и особенно в США.
Область научных интересов Н.Тесла очень широка, но наибольшую известность он получил благодаря своему вкладу в создание устройств, работающих на переменном токе. Среди них: разработка многофазных систем по передаче электрического тока, создание синхронного генератора и асинхронного электродвигателя, создание высокочастотных генераторов переменного и др.[5;8]
В области физики Н. Тесла известен как активный сторонник теории «мирового эфира». Он пытался экспериментально доказать существование «мирового эфира» - как особой формы материи, поддающейся использованию в технике. Именно разработка оборудования и экспериментов для такого рода исследований и позволила ему изобрести, так называемый «трансформатор (или «катушка») Тесла». Настоящее техническое название этого устройства «резонансный трансформатор». Создан он был как устройство для производства высокого напряжения большой частоты. Этот прибор был запатентован 22 сентября 1896 года под названием «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала». [6]
Н. Тесла считал, что это устройство имеет большое будущее и с его помощью можно передавать электрическую энергию без проводов на большие расстояния, используя энергию «эфира». Для демонстрации этого он создал даже автомобиль, который передвигался бесшумно без привычного двигателя, использую энергию, излучаемую его аппаратом.[6] К сожалению, описание конструкции этого автомобиля, как и многих других его устройств, не было сделано, да и сам излучатель энергии и все оборудование его лаборатории сгорели при пожаре.
В последующие годы многие ученые и изобретатели пытались и пытаются повторить и усовершенствовать его трансформатор и использовать его для практических целей. Такие устройства сейчас активно используется для демонстрации различных физических явлений связанных с электрическими разрядами, в некоторых приборах и в декоративном оформлении различных шоу.
В наши дни для демонстрации работы трансформатора Тесла разработаны его современные реализации с использованием различных радиоэлектронных приборов. У начинающих радиолюбителей и учащихся интересующихся физикой в настоящее время особенно популярно устройство трансформатора Тесла, по так называемой, схеме качера Бровина.[4]
Описание простых схем таких устройств в сети интернет и в радиолюбительской литературе предложено достаточно много. Однако попытки повторить несколько таких конструкций, показали, что эти устройства работают достаточно стабильно только в «пассивном» режиме, а при проведении многих опытов использующиеся в них транзисторы очень быстро перегорают. Поэтому для использования такого устройства даже на уроках физики в демонстрационном эксперименте, а тем более для какого либо практического применяя в реальной жизни, необходимо иметь стабильно работающие устройство, сконструированное на доступной современной элементной базе.
Выявленная проблема говорит об актуальности темы нашей работы по созданию надежного, стабильно работающего устройства демонстрирующего свойства трансформатора Тесла и высокочастотного электромагнитного излучения.
Объект исследования: Получение высокочастотного высоковольтного электромагнитного излучения с использованием эффекта трансформатора Тесла.
Предмет исследования: Устройства, создающие высокочастотное электромагнитное поле и его свойства.
Цель работы: Разработать и изготовить надежно действующую установку по получению высокочастотного высоковольтного электромагнитного излучения и экспериментально изучить его свойства.
Сформулированная таким образом цель работы и выделенные объект и предмет исследования определили следующие задачи для достижения поставленной цели:
Познакомиться с принципом работы трансформатора Тесла.
Разработать стабильно работающие устройство на современной элементной базе, демонстрирующие работу трансформатора Тесла.
Провести эксперименты по оценке надежности работы созданного устройства.
Экспериментально исследовать электромагнитное поле катушки Тесла и его свойства.
В соответствии с характером поставленных задач были использованы следующие теоретические и экспериментальные методы исследования:
- изучение научной и радиотехнической литературы по теме исследования;
- конструирование и экспериментальное исследование работы простейших устройств по схеме качера Бровина;
- экспериментальное изучение свойств высоковольтного высокочастотного излучения;
- анализ полученной экспериментальной информации.
Устройство и принцип работы трансформатора Тесла
Заинтересовавшись экспериментами Г. Герца по изучению электромагнитного излучения (волн) Н. Тесла решил запустить его устройство в работу вместе с высокоскоростным генератором переменного тока, который oн разрабатывал в рамках улучшения системы дугового освещения. При этом, он обнаружил, что ток высокой частоты перегревает стальной сердечник и плавит изоляцию между первичной и вторичной обмотками в катушке Рyмкoрфa, которая использовалась в экспериментах Гeрцa. Для yстрaнeния этoй прoблeмы Тeслa рeшaeт измeнить кoнстрyкцию тaким oбрaзoм, чтoбы oбрaзoвaлся вoздyшный зaзoр мeждy пeрвичнoй и втoричнoй oбмoткaми, вмeстo изoляциoннoгo мaтeриaлa.
В своей конструкции Тeслa, также сделал тaк, чтo сердечник мoг занимать различные положения в катушке (что изменяет ее индуктивность) и установил конденсатор, кoтoрый обычно испoльзyется в тaких установках мeждy генератором и eгo первичной обмоткой, чтoбы избежать «выгoрaния» кaтyшки. Экспериментируя с нaстрoйкaми кaтyшек и емкостью кoндeнсaтoрa, Тeслa обнаружил, чтo oн мoг бы вoспoльзoвaться вoзникaющим резонансом мeждy ними для дoстижeния бoлee высoких чaстoт и большей энергии излучения. Схема, иллюстрирующая конструкцию устройства Тесла, показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема трансформатора Тесла.
Устройство состоит из повышающего трансформатора, конденсатора, разрядника и собственно «трансформатора Тесла» – двух катушек с индуктивной связью и разным числом витков.
Данное устройство работает следующим образом. При подключении питания конденсатор начинает быстро заряжаться, затем после пробивания короткой искры через разрядник, он подключается к кaтyшкe из нескольких виткoв (первичная кaтyшкa), формируя тaким oбрaзoм резонансный кoнтyр с чaстoтoй кoлeбaния, кaк прaвилo, 20-100 кГц (определяемой ёмкoстью кoндeнсaтoрa и индyктивнoстью кaтyшки). Конденсатор при этом зaряжaлся дo напряжения, кoтoрoe нeoбхoдимo для прoбoя вoздyшнoгo промежутка разрядника, чтo дoстигaлось при напряжении примeрнo 10 кВ. Трaнсфoрмaтoр был спроектирован тaк, чтoбы получить наибoлee высoкyю частоту. Искровой разрядник настраивался тaким oбрaзoм, чтoбы eгo прoбoй прoисхoдил при нaпряжeнии, кoтoрoe нeскoлькo мeньшe пикoвoгo выхoднoгo нaпряжeния трaнсфoрмaтoрa, чтoбы мaксимизирoвaть нaпряжeниe нa кoндeнсaтoрe. Кратковременный тoк, проходящий чeрeз искрoвoй прoмeжyтoк, «вызывaeт резонанс пeрвичнoй рeзoнaнснoй цeпи нa eё резонансной чaстoтe». [6] В идeaлe, через зaзoр, когда прeкрaщaeтся прохождение тoкa (гaшeниe), вся энергия передается во вторичный кoлeбaтeльный кoнтyр. Затем процесс повторяется. Цикл передачи энeргии мoжeт пoвтoряться несколько рaз, пoкa искрoвoй промежуток «oкoнчaтeльнo нe oслaбнeт». Кaк только зазор прекратит прoвoдить тoк, трaнсфoрмaтoр опять нaчнёт заряжать конденсатор. В зaвисимoсти oт нaпряжeния прoбoя искрового промежутка (который можно регулировать), oн мoжeт срaбaтывaть мнoгo рaз нa прoтяжeнии всeгo циклa прохождения пeрeмeннoгo тoкa. Втoричнaя oбмoткa содержит значительно бoльшее количество виткoв бoлee тoнкoй прoвoлoки, чeм первичная, а между катушками существует индуктивная связь. «Вторичная систeмa» была сконструирована тaк, чтoбы имeть тaкyю жe чaстoтy резонанса, чтo и пeрвичнaя, испoльзyя тoлькo пaрaзитнyю ёмкoсть (нeжeлaтeльнaя ёмкoстнaя связь) сaмoй oбмoтки нa «зeмлю», a тaкжe любyю клeммy, рaспoлoжeннyю в вeрхнeй чaсти втoричнoй oбмoтки. Нижний кoнeц длинной вторичной обмотки при этом должен быть заземлён.
На основе такой конструкции Тесла изготовил устройство очень большой мощности. При его работе наблюдались эффекты, которые вызывали неподдельное удивление у современников. Например, он заставлял светиться ночное небо над всем Нью-Йорком, над Атлантическим океаном и над Антарктидой, он превращал ночь в белый день, в это время волосы и кончики пальцев у прохожих светились необычным плазменным светом, из-под копыт лошадей высекались метровые искры и многое другое, что даже современной наукой не всегда поддается убедительному объяснению.[7]
Качер Бровина
В 1987 г. советский инженер В. Бровин в процессе разработки электромагнитного компаса, который мог бы определять стороны света при помощи звука, изобрел оригинальный вариант генератора электромагнитных колебаний, который позднее получил название «качер Бровина».
Качер Бровина – это разновидность генератора, собранного на одном транзисторе и работающего, со слов изобретателя, в нештатном режиме. Как расшифровал эту аббревиатуру сам автор изобретения Владимир Ильич Бровин «качер – это качатель реактивностей» [1]
Полного объяснения принципа работы этого устройства нет. По схеме этот прибор представляет собой, по сути дела, блокинг-генератор высокой частоты, но особенности работы его это не объясняет.
Сам Бровин представляет свое устройство как своеобразный полупроводниковый разрядник, в котором разряд электрического тока проходит в кристаллической основе транзистора, минуя, однако стадию образования электрической дуги (плазмы). Самое интересное в работе устройства - это то, что после пробоя кристалл транзистора полностью восстанавливается. Это показывает, что в основе работы прибора лежит интересный эффект, который проявляет себя как обратимый лавинный пробой (в отличие от теплового, который для полупроводника является необратимым и катастрофическим). Однако никто, кроме самого изобретателя, работу транзистора в описываемом приборе детально не исследовал.[1]
Тем не менее, это устройство является сейчас одним из самых популярных для демонстрации высоковольтных высокочастотных излучений по типу трансформатора Тесла и передачи электрической энергии без проводов. Схем таких устройств в сети интернет множество. Его можно собрать на различных активных радиоэлементах. В настоящее время при его сборке используют биполярные или полевые транзисторы и даже радиолампы (триоды и пентоды). Многие начинающие радиолюбители и опытные конструкторы демонстрируют работу таких устройств на YouTube.
Нами было повторено несколько подобных устройств с использованием различных транзисторов и напряжений питания.
В качестве первой серии опытов с использованием различных типов транзисторов за основу была взята простейшая и наиболее популярная схема качера Бровина (рис. 2), которая в различных вариациях предлагается многими авторами.
Рис. 2. Схема простейшего качера Бровина.
Эксперименты с использование мощных транзисторов в металлическом корпусе КТ 805, КТ 808, КТ 908 и подобных показали интересный нежелательный эффект. Так если работа устройства будет достаточно продолжительна (при демонстрации различных эффектов) и оно даже будет выключено в штатном режиме, то при следующем включении транзистор часто оказывался пробитым (перегоревшим) даже при использовании радиатора и внешнего вентилятора для его охлаждения. Можно предположить, что при использовании таких транзисторов в металлическом исполнении за счет скин-эффекта происходит разогрев внешней поверхности корпуса транзистора, а при выключении нагрев быстро предается на кристалл. Поэтому такие транзисторы вряд ли стоит использовать в схемах качера Бровина, рассчитанного не на кратковременную демонстрацию эффекта, а на достаточно продолжительное время работы с демонстрацией различных опытов. При использовании транзисторов в пластмассовом исполнении (типа КТ 819, КТ805А и др.) и полевых транзисторов в аналогичном исполнении такого эффекта не наблюдается. Но при демонстрации разряда типа «электрическая дуга» в течение даже очень непродолжительного времени транзистор перегорает (и даже «взрывается») причем, при использовании напряжения питания меньшего, чем то на которое рассчитан транзистор.
Как показали наши эксперименты с другими простейшими схемами, где используются подобные транзисторы, практически все они подвержены большой вероятности теплового пробоя полупроводника. Транзисторы при работе очень сильно греются и быстро перегорают (о чем, как правило, умалчивает большинство авторов). Причем это даже не зависит от типа используемого транзистора - полевой или биполярный.
Генератор высоковольтных высокочастотных колебаний на основе схемы качера Бровина на MOSFET транзисторах
С учетом проведенных опытов, мы попытались разработать свою схему простейшего подобного устройства, обеспечивающего стабильность в работе и доступную для повторения при создании такого генератора в качестве демонстрационного прибора, например, для школьной лаборатории физики. С учетом возможной области применения устройства были заданы определенные технические условия (ограничения):
- высокая стабильность в работе устройства, в том числе и при демонстрации разряда «типа электрическая дуга»;
- схема устройства должна быть доступна для повторения начинающими радиоконструкторами в условиях школьного радиокружка;
- напряжение питания устройства должно обеспечивать безопасную работу в соответствии с правилами техники безопасности;
- устройство должно давать высокочастотное излучение минимально необходимой, но достаточной мощности, для проведения наглядных опытов по физике (мощность излучения должна быть ограниченна, так как убедительных выводов о пользе или вреде такого излучения для человека нет);
- устройство должно представлять собой законченную конструкцию с определенным уровнем функциональности.
С учетом полученного опыта в изготовлении и исследовании работы нескольких подобных устройств и проведенных экспериментов с различными типами транзисторов мы получили свою схему высокочастотного высоковольтного генератора (качера Бровина), которая показана на рис. 3.
Рис. 3. Схема высоковольтного высокочастотного генератора на основе схемы качера Бровина.
Отличительной особенностью схемы нашего устройства является использование в нем двух мощных полевых транзисторов, включенных параллельно. Как оказалось, при параллельном включении полевых транзисторов в подобных схемах не требуются выравнивающие резисторы в цепи истока, и транзисторы работают достаточно стабильно. Естественно, целесообразно, при этом использовать мощные MOSFET транзисторы рассчитанные на большой ток Iмах и.с (порядка 100 А каждый).
Конструкция генератора высоковольтных высокочастотных колебаний
В схеме нашего генератора можно условно выделить три относительно самостоятельных блока. На рис. 4 они выделены красным цветом.
Рис. 4. Функциональные узлы высоковольтного высокочастотного генератора и используемые радиоэлементы.
1. Блок питания схемы качера.
2. Генератор «преобразующий постоянный ток в переменный ток высокой частоты» - качер с трансформатором Тесла.
3. Блок охлаждения транзисторов с системой питания вентилятора и индикатором включения генератора.
Блок питания для работы генератора собран на трансформаторе ТС160-3, который является общим для питания всех блоков. Он выдает необходимые напряжения 28 В, 10 В и 3 В.
Для питания непосредственно качера, переменное напряжение подается на вход выпрямительного диодного моста и фильтр, состоящий из одного электролитического конденсатора ёмкостью 2200 мкФ с рабочим напряжением 470 В. Полученный постоянный ток напряжением около 35 В поступает на схему качера, собранную на двух полевых транзисторах (конкретные номиналы, используемых деталей показаны на схеме), который в свою очередь преобразует постоянный ток в высокочастотный переменный. В схеме генератора также присутствуют три резистора, обеспечивающие нужный режим работы транзисторов. Они образуют делитель напряжения R3, R4+R2. (С помощью переменного резистора R2 можно в небольших пределах регулировать частоту работы качера). Высокочастотный ток от качера поступает на первичную обмотку трансформатора Тесла, катушка L1. Она содержит 5 витков одножильного изолированного провода диаметром 1мм. Вторичная обмотка трансформатора L2, намотана тонким одножильным проводом в лаковой изоляции (число витков не ограниченно), на ней возникает высокое высокочастотное напряжение переменного тока, что и дает высокочастотное электромагнитное излучение.
Так как транзисторы качера работают при очень высоких частотах, и на них выделяется большая мощность (токи), то в схеме генератора, кроме радиатора используется их принудительное охлаждение. Блок системы охлаждения собран на базе воздушного вентилятора, прикрепленного к радиатору на котором установлены транзисторы.
Вентилятор питается постоянным током от отдельного выпрямителя напряжением примерно 12 В. Индикатор включения генератора состоит из светодиода, однополупериодного выпрямителя и резистора ограничивающего ток.
Для защиты от короткого замыкания в схему включен сетевой предохранитель.
Электрическая схема блоков генератора смонтирована на плате из диэлектрического материала, на которой установлены все основные элементы и выполнены соединения между ними (рис. 5). Эта плата помещена в корпус (из диэлектрического материала) с внешними размерами 20 х 30 х 9,5 см. Внешний вид генератора показан на рис. 6. В верхней части корпуса генератора установлен индикатор включения (светодиод) и тумблер включения.
Сам трансформатор Тесла состоит из двух обмоток. Первичная обмотка (катушка) диаметром 80 мм - провод в синей изоляции, установлена непосредственно на плате, где собрана вся схема.
Рис. 5. Конструкция генератора.
Для устойчивой работы качера она должна иметь высоту до 1/3 высоты катушки вторичной обмотки и содержать 5-7 витков проволоки. В центре этой катушки расположена пластмассовая трубка диаметром 50 мм и высотой 470 мм, на которую намотана вторичная обмотка из тонкого провода с большим числом витков (эта обмотка наматывается до полного заполнения трубки, в нашем случае длина намотки составила 405 мм).
Рис. 6. Внешний вид генератора.
Вторичная катушка также должна образовывать колебательный контур. Его емкость определяется распределенной емкостью между витками катушки и конструкцией терминала. Для этого в верхней части нашего трансформатора Тесла установлен латунный диском диаметром 112 мм. На него можно дополнительно устанавливать заостренный металлический штырь или штырь с шаром. (Терминалом также может быть не только диск, но и сфера, тороид или просто заточенный штырь). Особенностью конструкции качера Бровина является то, что для его нормальной работы конкретные размеры и особенности терминала не критичны. От них зависит только частота излучения.
Демонстрация свойств электромагнитного излучения трансформатора Тесла
Используя сконструированный нами генератор высоковольтных высокочастотных колебаний (качер Бровина) можно изучить особенность его работы и свойства излучения, которое дает трансформатор Тесла. Во время работы генератор создаёт красивые эффекты, связанные с образованием различных видов газовых разрядов (совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии).
Свойства такого излучения наглядно проявляют себя в следующих основных демонстрациях:
Демонстрация электрических разрядов генератора:
при использовании заостренного излучателя происходит образование тускло светящихся тонких разветвлённых каналов (кистевой разряд), которые называются стримерами (от англ. Streamer). Стример это видимая ионизация воздуха (свечение ионов), создаваемая высокочастотным высоковольтным излучением трансформатора Тесла (рис. 7, а);
|
а) |
б) |
Рис.7. Электрические разряды генератора: а) кистевой разряд, б) электрическая дуга.
при использовании излучателя с шаром можно наблюдать возникновение коронного разряда;
если к терминалу близко поднести заземлённый предмет, то между ним и терминалом может загореться дуга (происходит образование дугового разряда). Можно просто непосредственно прикоснуться металлическим предметом к терминалу и потом растянуть дугу, отводя предмет на большее расстояние (Рис. 7. б);
если к катушке трансформатора Тесла поднести лампу дневного света (или энергосберегающую лампу), то в ней возникает электрический разряд и лампа начинает светиться (см. рис 8). Такой же тлеющий разряд в разреженном газе наблюдается и с использованием газоразрядных трубок. Если трубки будут с различными газами (неон, водород и др.), то можно наблюдать свечение разного цвета;
Рис. 8. Демонстрация разрядов в разреженном газе.
Интересное явление также наблюдается при использовании обычной лампы накаливания, в которой возникает плазменный эффект (образование плазменных нитей).
Используя данный генератор можно продемонстрировать и физиологическое действие токов высокой частоты если взять в руки металлический предмет и поднести его к катушке трансформатора Тесла или вызвать образование дугового разряда непосредственно поднеся палец к терминалу.
Используя генератор можно продемонстрировать работу «ионного двигателя» (см. рис. 9) если на остриё излучателя установить двухлопастную вертушку. Хотя, по-видимому, это название весьма условно. (Очевидно, вращение металлической вертушки (пропеллера) с направленными в разные стороны острыми окончаниями происходит за счёт того, что с острых окончаний стекают электроны, создавая тем самым вращательный момент.).
Рис. 9. Работа «ионного двигателя».
Используя генератор можно продемонстрировать прохождение токов высокой частоты через твердый диэлектрик. Для этого необходимо излучатель генератора накрыть тонким стеклянным химическим стаканом и поднести к его донышку металлический предмет. В этом случае будут проскакивать искры на металлический предмет через дно стакана.
Заключение
Знакомство с принципом работы трансформатора Тесла и с различными устройствами (на основе схемы качера Бровина), демонстрирующими особенности его излучения, позволили нам сконструировать генератор высоковольтных высокочастотных колебаний, который в отличие от многих подобных устройств обладает большей стабильностью в работе. Однако, даже при использовании в данном генераторе мощных полевых MOSFET транзисторов при проведении ряда демонстраций (например, электрического разряда типа «электрическая дуга») в течение продолжительного времени может возникнуть тепловой пробой полупроводника (поэтому время проведения таких опытов должно быть ограничено).
Проведенные эксперименты показали, что это очевидно является принципиальной особенностью работы таких простейших устройств. При дальнейшей работе над данной конструкцией генератора необходимо установить систему, контролирующую температуру транзисторов с принудительным отключением качера от источника питания.
Сконструированное нами устройство представляет собой законченную конструкцию с необходимым уровнем функциональности и может быть использовано в качестве демонстрационного прибора в школьной лаборатории физики. Используя генератор можно познакомиться со многими физическими особенностями высокочастотного высоковольтного излучения, через те демонстрации, которые представлены в работе.
Литература:
Бровин В.И. «Датчик Бровина. Суть дела» //Сайт В. Селиванова в Интернете:www.valselivanov.narod.ru/ Адрес статьи на сайте:http://www.valselivanov.narod.ru/s.htm
Для чего нужен качер Бровина? www.bolshoyvopros.ru
Качер Бровина – что это такое и каково его практическое применение? http://tb.ru
Качер Бровина. Принцип действия и самостоятельная сборка. http://solo-project.com
Трансформатор Тесла – Википедия http://ru.wikipedia.org/wiki/Трансформатор_Тесла
Трансформатор Тесла: энергия из эфира. http://cyberpedia.su
Трансформатор Тесла своими руками, простейшая схема. www.nashprorab.com
Храмов Ю.А. Физики: Библиографический справочник.-2-е изд., испр. и дополн.-М.: Наука Главная редакция физико-математической литературы, 1983.