КАТУШКА ТЕСЛА: ИСТОРИЯ, КАК РАБОТАЕТ, ДЛЯ ЧЕГО НУЖНА - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

Катушки Тесла является обмотка , которая функционирует как высокое напряжение, высокочастотный генератор. Его изобрел физик Никола Тесла (1856-1943), который запатентовал его в 1891 году.

Магнитная индукция заставила Тесла задуматься о возможности передачи электрической энергии без вмешательства проводников. Поэтому идея ученого и изобретателя заключалась в создании устройства, которое служило бы для передачи электричества без использования кабелей. Однако использование этой машины очень неэффективно, поэтому вскоре от нее отказались для этой цели.

Рисунок 1. Демонстрация с катушкой Тесла. Источник: Pixabay.

Даже в этом случае катушки Тесла все еще можно найти для некоторых конкретных приложений, таких как пилоны или в физических экспериментах.

история

Катушка была создана Теслой вскоре после того, как стали известны эксперименты Герца. Сам Тесла назвал это «аппаратом для передачи электрической энергии». Тесла хотел доказать, что электричество можно передавать без проводов.

В своей лаборатории в Колорадо-Спрингс Тесла имел в своем распоряжении огромную 16-метровую катушку, прикрепленную к антенне. Устройство использовалось для проведения экспериментов по передаче энергии.

Экспериментируйте с катушками Тесла.

Однажды произошла авария, вызванная этой катушкой, в которой сгорели динамо-машины электростанции, расположенной в 10 километрах от нее. В результате поломки вокруг обмоток динамо-машин возникли электрические дуги.

Ничто из этого не обескуражило Тесла, который продолжал экспериментировать с многочисленными конструкциями катушек, которые теперь известны под его именем.

Как это работает?

Знаменитая катушка Тесла - одна из многих конструкций, созданных Никола Тесла для передачи электричества без проводов. Первоначальные версии были большими по размеру и использовали источники высокого напряжения и сильного тока.

Естественно, сегодня есть гораздо меньшие, компактные и самодельные конструкции, которые мы опишем и объясним в следующем разделе.

Рисунок 2. Схема основной катушки Тесла. Источник: самодельный.

Конструкция, основанная на оригинальных версиях катушки Тесла, показана на рисунке выше. Электрическую схему на предыдущем рисунке можно разделить на три части.

Источник (F)

Источник состоит из генератора переменного тока и трансформатора с высоким коэффициентом усиления. Выходной сигнал источника обычно находится в диапазоне от 10 000 до 30 000 В.

Первый резонансный контур LC 1

Он состоит из переключателя S, известного как «искровой разряд» или «Explosor», который замыкает цепь, когда между ее концами прыгает искра. В LC-цепи 1 также последовательно соединены конденсатор C1 и катушка L1.

Второй резонансный контур LC 2

Контур LC 2 состоит из катушки L2, имеющей отношение витков приблизительно 100: 1 относительно катушки L1, и конденсатора C2. Конденсатор C2 подключается к катушке L2 через землю.

Катушка L2 обычно представляет собой провод, намотанный изолирующей эмалью на трубку из непроводящего материала, такого как керамика, стекло или пластик. Катушка L1, хотя и не показана на схеме, намотана на катушку L2.

Конденсатор С2, как и все конденсаторы, состоит из двух металлических пластин. В катушках Тесла одна из пластин C2 обычно имеет форму сферического или тороидального купола и соединена последовательно с катушкой L2.

Другая плата C2 - это ближайшая среда, например металлический пьедестал, выполненный в виде сферы и соединенный с землей, чтобы замкнуть цепь с другим концом L2, также подключенным к земле.

Механизм действия

Когда катушка Тесла включена, источник высокого напряжения заряжает конденсатор C1. Когда он достигает достаточно высокого напряжения, происходит искровой скачок в переключателе S (разрядник или взрыватель), замыкая резонансный контур I.

Затем конденсатор C1 разряжается через катушку L1, создавая переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле также проходит через катушку L2 и индуцирует электродвижущую силу на катушке L2.

Поскольку L2 примерно на 100 витков длиннее L1, электрическое напряжение на L2 в 100 раз больше, чем на L1. А поскольку в L1 напряжение порядка 10 000 вольт, то в L2 оно будет 1 миллион вольт.

Магнитная энергия, накопленная в L2, передается в виде электрической энергии конденсатору C2, который при достижении максимального значения напряжения порядка миллиона вольт ионизирует воздух, производит искру и резко разряжается через землю. Разряд происходит от 100 до 150 раз в секунду.

Цепь LC1 называется резонансной, потому что накопленная в конденсаторе C1 энергия передается катушке L1 и наоборот; то есть возникает колебание.

То же самое происходит в резонансном контуре LC2, в котором магнитная энергия катушки L2 передается в виде электрической энергии конденсатору C2 и наоборот. Другими словами, в цепи попеременно генерируется двусторонний ток.

Собственная частота колебаний в LC-цепи равна

Резонанс и взаимная индукция

Когда энергия, подаваемая в LC-контуры, происходит с той же частотой, что и собственная частота колебаний контура, тогда передача энергии является оптимальной, обеспечивая максимальное усиление тока контура. Это общее для всех колебательных систем явление известно как резонанс.

Цепи LC1 и LC2 имеют магнитную связь, другое явление, называемое взаимной индукцией.

Для оптимальной передачи энергии от цепи LC1 к LC2 и наоборот, собственные частоты колебаний обеих цепей должны совпадать, а также должны совпадать с частотой источника высокого напряжения.

Это достигается регулировкой значений емкости и индуктивности в обеих цепях так, чтобы частоты колебаний совпадали с частотой источника:

Когда это происходит, мощность от источника эффективно передается в цепь LC1 и от LC1 к LC2. В каждом цикле колебаний электрическая и магнитная энергия, накопленная в каждом контуре, увеличивается.

Когда электрическое напряжение на C2 достаточно высокое, энергия высвобождается в виде молнии за счет разряда C2 на землю.

Катушка Тесла использует

Первоначальная идея Теслы в его экспериментах с этими катушками всегда заключалась в том, чтобы найти способ передавать электрическую энергию на большие расстояния без проводов.

Однако низкая эффективность этого метода из-за потерь энергии из-за рассеивания в окружающей среде вызвала необходимость поиска других средств передачи электроэнергии. Сегодня все еще используется проводка.

Плазменная лампа, которая помогла развить эксперимент Теслы.

Тем не менее, многие оригинальные идеи Николы Теслы все еще присутствуют в сегодняшних проводных системах передачи. Например, повышающие трансформаторы на электрических подстанциях для передачи по кабелям с меньшими потерями и понижающие трансформаторы для распределения в домах были разработаны Tesla.

Несмотря на то, что катушки Тесла не используются в больших масштабах, они продолжают использоваться в высоковольтной электротехнической промышленности для тестирования систем изоляции, опор и других электрических устройств, которые должны работать безопасно. Они также используются в различных шоу для генерации молний и искр, а также в некоторых физических экспериментах.

При проведении экспериментов с высоким напряжением с большими катушками Тесла важно соблюдать меры безопасности. Примером может служить использование клеток Фарадея для защиты наблюдателей и костюмов из металлической сетки для исполнителей, которые участвуют в шоу с этими барабанами.

Как сделать самодельную катушку Тесла?

Составные части

В этой миниатюрной версии катушки Тесла не будет использоваться источник переменного тока высокого напряжения. Напротив, источником питания будет батарея на 9 В, как показано на схеме на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема построения мини-катушки Тесла. Источник: самодельный.

Другое отличие от оригинальной версии Tesla - это использование транзистора. В нашем случае это будет 2222A, который представляет собой низкосигнальный NPN-транзистор, но с быстрым откликом или высокой частотой.

Схема также имеет переключатель S, 3-витковую первичную катушку L1 и вторичную катушку L2 минимум 275 витков, но она также может быть между 300 и 400 витками.

Первичная обмотка может быть построена с помощью обычного провода с пластиковой изоляцией, но для вторичной обмотки требуется тонкий провод, покрытый изоляционным лаком, который обычно используется в обмотках. Намотку можно производить на картонную или пластиковую трубку диаметром от 3 до 4 см.

Использование транзистора

Следует помнить, что во времена Николы Тесла транзисторов не было. В этом случае транзистор заменяет «искровой разрядник» или «взрыватель» исходной версии. Транзистор будет использоваться как затвор, разрешающий или запрещающий прохождение тока. Для этого транзистор поляризован следующим образом: коллектор c к положительному выводу, а эмиттер e к отрицательному выводу батареи.

Когда база b имеет положительную поляризацию, она позволяет прохождению тока от коллектора к эмиттеру, а в противном случае предотвращает это.

В нашей схеме база подключена к плюсу батареи, но вставлен резистор на 22 кОм, чтобы ограничить избыточный ток, который может сжечь транзистор.

На схеме также показан светодиодный диод, который может быть красным. Его функция будет объяснена позже.

На свободном конце вторичной катушки L2 помещается небольшой металлический шарик, который можно сделать, накрыв полистироловый шарик или шарик для пин-понга алюминиевой фольгой.

Эта сфера является пластиной конденсатора C, а другая пластина является окружающей средой. Это так называемая паразитарная способность.

Как работает миниатюрная катушка Тесла

Когда переключатель S замкнут, база транзистора смещена положительно, а верхний конец первичной обмотки также смещен положительно. Таким образом, внезапно появляется ток, который проходит через первичную катушку, продолжается через коллектор, покидает эмиттер и возвращается к батарее.

Этот ток увеличивается от нуля до максимального значения за очень короткое время, поэтому он вызывает электродвижущую силу во вторичной катушке. Это создает ток, который идет от нижней части катушки L2 к базе транзистора. Этот ток резко прекращает положительную поляризацию базы, так что ток через первичную обмотку прекращается.

В некоторых версиях светодиодный диод удален, и схема работает. Тем не менее, его размещение повышает эффективность уменьшения смещения базы транзистора.

Что происходит, когда ток циркулирует?

Во время цикла быстрого роста тока в первичной цепи во вторичной катушке индуцировалась электродвижущая сила. Поскольку соотношение витков первичной и вторичной обмоток составляет от 3 до 275, свободный конец катушки L2 имеет напряжение 825 В относительно земли.

Вследствие вышесказанного в сфере конденсатора C создается сильное электрическое поле, способное ионизировать газ при низком давлении в неоновой трубке или люминесцентной лампе, которая приближается к сфере C и ускоряет свободные электроны внутри трубки. как возбуждать атомы, производящие световое излучение.

Поскольку ток через катушку L1 и катушку L2 резко прекращается, разряжаясь через воздух, окружающий C, по направлению к земле, цикл возобновляется.

Важным моментом в схемах этого типа является то, что все происходит за очень короткое время, так что у вас есть высокочастотный генератор. В схемах этого типа свист или быстрые колебания, создаваемые транзистором, более важны, чем явление резонанса, описанное в предыдущем разделе и относящееся к исходной версии катушки Тесла.

Предлагаемые эксперименты с мини-катушками Тесла

Как только мини-катушка Тесла построена, можно экспериментировать с ней. Очевидно, что молнии и искры исходных версий производиться не будут.

Однако с помощью люминесцентной лампы или неоновой трубки мы можем наблюдать, как комбинированный эффект интенсивного электрического поля, генерируемого в конденсаторе на конце катушки, и высокой частоты колебаний этого поля, заставляют лампу загораются при приближении к конденсатору сферы.

Сильное электрическое поле ионизирует газ низкого давления внутри трубки, оставляя в нем свободные электроны. Таким образом, высокая частота цепи заставляет свободные электроны внутри люминесцентной лампы ускорять и возбуждать флуоресцентный порошок, прилипший к внутренней стенке трубки, заставляя его излучать свет.

Вы также можете поднести светящийся светодиод ближе к сфере C, наблюдая, как он загорается, даже если выводы светодиода не подключены.

Ссылки

1. Блейк, Т. Теория катушки Тесла. Получено с: tb3.com.
2. Бернетт, Р. Работа катушки Тесла. Получено с: richieburnett.co.uk.
3. Типпенс, П. 2011. Физика: концепции и приложения. 7-е издание. Макгроу Хилл. 626-628.
4. Университет Висконсин-Мэдисон. Катушка Тесла. Получено с: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Катушка Тесла. Получено с: wikiwand.com.