Что такое трансформатор Тесла
Сегодня трансформатором Тесла называют высокочастотный высоковольтный резонансный трансформатор, и в сети можно найти множество примеров ярких реализаций этого необычного устройства. Катушка без ферромагнитного сердечника, состоящая из множества витков тонкого провода, увенчанная тором, испускает настоящие молнии, впечатляя изумленных зрителей. Но все ли помнят, как и для чего создавался изначально этот удивительный прибор?
История данного изобретения начинается с конца 19 века, когда гениальный ученый-экспериментатор Никола Тесла, работая в США, только поставил перед собой задачу научиться передавать электрическую энергию на большие расстояния без проводов.
Указать конкретный год, когда именно пришла к ученому эта идея, вряд ли можно точно, однако известно, что 20 мая 1891 года Никола Тесла выступил с подробной лекцией в Колумбийском университете, где представил сотрудникам Американского института электроинженеров свои идеи, и кое-что проиллюстрировал, показав наглядные эксперименты.
Целью первых демонстраций было — показать новый способ получения света посредством использования для этого токов высокой частоты и высокого напряжения, а также раскрыть особенности этих токов. Справедливости ради отметим, что современные энергосберегающие люминесцентные лампы работают именно на принципе, который как раз и предложил для получения света Тесла.
Окончательная теория относительно именно беспроводной передачи электрической энергии вырисовывалась постепенно, ученый потратил несколько лет жизни, доводя до ума свою технологию, много экспериментируя и совершенствуя кропотливо каждый элемент схемы, он разрабатывал прерыватели, изобретал стойкие высоковольтные конденсаторы, придумывал и модифицировал контроллеры цепей, но так и не смог воплотить свой замысел в жизнь в том масштабе, в каком хотел.
Однако теория до нас дошла. Доступны дневники, статьи, патенты и лекции Николы Тесла, в которых можно найти исходные подробности относительно данной технологии. Принцип действия резонансного трансформатора можно узнать, прочитав например патенты Николы Тесла №787412 или №649621, уже доступные сегодня в сети.
Если попробовать кратко разобраться в том, как же работает трансформатор Тесла, рассмотреть его устройство и принцип действия, то в этом нет ничего сложного.
Вторичная обмотка трансформатора изготавливается из провода в изоляции (например из эмальпровода), который укладывается виток к витку в один слой на полый цилиндрический каркас, отношение высоты каркаса к его диаметру обычно берут равным от 6 к 1 до 4 к 1.
После намотки вторичную обмотку покрывают эпоксидной смолой или лаком. Первичная обмотка изготавливается из провода относительно большого сечения, она содержит обычно от 2 до 10 витков, и укладывается в форму плоской спирали, либо наматывается подобно вторичной — на цилиндрический каркас диаметром несколько большим, чем у вторичной.
Высота первичной обмотки, как правило, не превышает 1/5 высоты вторичной. К верхнему выводу вторичной обмотки подключают тороид, а нижний ее вывод заземляют. Далее рассмотрим все более подробно.
Например: вторичная обмотка навита на каркас диаметром 110 мм, эмальпроводом ПЭТВ-2 диаметром 0,5 мм, и содержит 1200 витков, таким образом высота ее получается равной примерно 62 см, а длина провода составляет около 417 метров. Пусть первичная обмотка содержит 5 витков толстой медной трубки, навитых на диаметр 23 см, и имеет высоту 12 см.
Далее изготавливают тороид. Его емкость в идеале должна быть такой, чтобы резонансной частоте вторичного контура (заземленная вторичная катушка вместе с тороидом и окружающей средой) соответствовала бы длина провода вторичной обмотки так, что эта длина равнялась бы четверти длины волны (для нашего примера частота получается равной 180 кГц).
Для точного расчета полезной может стать специальная программа для рассчета катушек Тесла, например VcTesla или inca. К первичной обмотке подбирается высоковольтный конденсатор, емкость которого вместе с индуктивностью первичной обмотки образовывала бы колебательный контур, собственная частота которого была бы равна резонансной частоте вторичного контура. Обычно берут близкий по емкости конденсатор, а настройку осуществляют подбором витков первичной обмотки.
Суть работы трансформатора Тесла в каноническом виде заключается в следующем: конденсатор первичного контура заряжается от подходящего источника высокого напряжения, затем он соединяется коммутатором с первичной обмоткой, и так повторяется много раз в секунду.
В результате каждого цикла коммутации возникают затухающие колебания в первичном контуре. Но первичная катушка является для вторичного контура индуктором, поэтому электромагнитные колебания возбуждаются соответственно и во вторичном контуре.
Поскольку вторичный контур настроен в резонанс с первичными колебаниями, то на вторичной обмотке возникает резонанс напряжений, а значит коэффициент трансформации (соотношение витков первичной обмотки и охваченных ею витков вторичной обмотки) нужно умножить еще и на Q – добротность вторичного контура, тогда получится значение реального соотношения напряжения на вторичной обмотке к напряжению на первичной.
А так как длина провода вторичной обмотки равна четверти длины волны индуцируемых в ней колебаний, то именно на тороиде будет находиться пучность напряжения (а в точке заземления — пучность тока), и именно там может иметь место максимально эффектный пробой.
Для питания первичной цепи используют разные схемы, от статичного искрового промежутка (разрядника) с питанием от МОТов (МОТ — высоковольтный трансформатор от микроволновой печи) до резонансных транзисторных схем на программируемых контроллерах с питанием выпрямленным сетевым напряжением, однако суть от этого не меняется.
Вот самые распространенные типы катушек Тесла в зависимости от способа управления ими:
SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор Тесла на искровом промежутке. Это классическая конструкция, подобную схему изначально применял сам Тесла. В качестве коммутирующего элемента здесь используется разрядник. В конструкциях малой мощности разрядник представляет собой два куска толстого провода, расположенных на некотором расстоянии, а в более мощных применяются сложные вращающиеся разрядники с использованием двигателей. Трансформаторы этого типа изготавливают если требуется лишь большая длинна стримера, и не важна эффективность.
VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор Тесла на электронной лампе. В качестве коммутирующего элемента здесь используется мощная радиолампа, например ГУ-81. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и производить довольно толстые разряды. Данный тип питания чаще всего используют для построения высокочастотных катушек, которые из-за типичного вида своих стримеров получили название “факельники”.
SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла, в котором в качестве ключевого элемента применяются полупроводники. Обычно это IGBT или MOSFET транзисторы. Данный тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых такой катушкой может быть самым разным. Этим типом трансформаторов Тесла проще управлять, например можно играть на них музыку.
DRSSTC (ДРССТЦ, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла с двумя резонансными контурами, здесь в качестве ключей используются, как и в SSTC, полупроводники. ДРССТЦ – наиболее сложный в управлении и настройке тип трансформаторов Тесла.
Для получения более эффективной и эффектной работы трансформатора Тесла применяют именно схемы топологии DRSSTC, когда мощный резонанс достигается и в самом первичном контуре, а во вторичном соответственно — более яркая картина, более длинные и толстые молнии (стримеры).
Сам Тесла как мог пытался добиться именно такого режима работы своего трансформатора, и зачатки этой идеи можно увидеть в патенте № 568176, где применяются зарядные дроссели, Тесла потом развивал схему именно по этому пути, то есть стремился максимально эффективно использовать первичную цепь, создавая в ней резонанс. Об этих экспериментах ученого можно прочитать в его дневнике (в печатном виде уже изданы записи ученого об экспериментах в Колорадо-Спрингс, которые он проводил с 1899 по 1900 год).
Говоря о практическом применении трансформатора Тесла не стоит ограничиваться лишь восхищением эстетическим характером получаемых разрядов, и относиться к устройству как к декоративному. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора может достигать миллионов вольт, это в конце концов — эффективный источник сверхвысокого напряжения.
Сам Тесла разрабатывал свою систему для передачи электроэнергии на большие расстояния без проводов, используя проводимость верхних воздушных слоев атмосферы. Предполагалось наличие и приемного трансформатора аналогичной конструкции, который бы понижал принятое высокое напряжение до приемлемого для потребителя значения, об этом можно узнать, прочитав патент Тесла №649621.
Особого внимания заслуживает характер взаимодействия трансформатора Тесла с окружающей средой. Вторичный контур является открытым контуром, и система термодинамически отнюдь не является изолированной, она даже не закрытая, это — открытая система. Современные исследования в этом направлении ведутся многими исследователями, и точка на этом пути еще не поставлена.
Трансформатор Николы Тесла
Тесла-трансформатор представляет собой высоковольтный резонансный прибор, работающий на высокой частоте. Конструкция агрегата относительно простая. Подобные приборы демонстрируют разряды электричества, красиво смотрящиеся в темноте. Трансформаторы типа Тесла испускают настоящие молнии. Поэтому его использование сводится к декоративным функциям. Особенности чудо-прибора интересно узнать каждому.
- 1 История изобретения
- 2 Схема и основные компоненты
- 3 Принцип работы
- 4 Применение
История изобретения
Резонансный трансформатор Тесла появился в результате многолетней работы ученого и экспериментатора Н. Тесла. Он стремился найти способ передавать электричество на большие расстояния без проводов. В 1891 году изобретатель продемонстрировал наглядные эксперименты, проводимые в этом направлении.
Практическое применение его трудов (по мнению самого ученого) заключалось в обеспечении светом любого здания, частного дома и прочих объектов посредством тока высокого напряжения и частоты. Ученый раскрывал особенности получения, применения подобных токов, применения их для электроснабжения.
Постепенно ученый начал задумываться об использовании открытого способа для передачи электричества на большие расстояния. На разработку теории исследователь потратил несколько лет. Ученый проводил множество экспериментов, совершал каждый элемент схемы. Экспериментатор трудился над созданием прерывателей, контроллеров цепей, стойких конденсаторов высокого вольтажа. Замысел исследователь в жизнь так и не воплотил в том масштабе, в каком было изначально задумано.
Однако каждый его патент, статья, лекция были сохранены. Их можно сегодня перечитать, обдумать. Например, патент № 649621 и №787412 представлен в интернете. Документы размещены в открытом доступе для широкой общественности. Видео работы агрегата в действии легко отыскать в сети.
Основной принцип, открытый великим изобретателем, ныне применяется для изготовления люминесцентных осветителей.
Схема и основные компоненты
Чтобы понять, как работает трансформатор Тесла, необходимо рассмотреть его устройство. В схему входит две обмотки – вторичная и первичная. Контуры выполнены из медной проволоки толщиной 0,1-0,2 мм².
К первичной обмотке подводится переменный ток. Это позволяет получить магнитное поле, передающее электричество от первой ко второй катушке. В этот момент вторичная обмотка будет производить контур колебательного типа. Обмотка будет накапливать получаемое электричество. Некоторое время нагрузка будет здесь храниться как определенное напряжение.
Схема резонансного трансформатора Тесла может иметь разное строение катушек. Контуры обладают схожими чертами. Тороидальные разновидности катушек Тесла представлены на фото.
Трансформатор конструкции Николы Тесла содержит в составе тороид. Элемент выполняет три основные функции:
- Способствует накоплению электричества перед тем, как будет получен стример. Большие габариты позволяют тороиду вместить значительное количество энергии. В устройстве часто применяется прерыватель.
- Уменьшает резонансную частоту.
- Образует электростатическое поле, отталкивающее стример. В некоторых типах конструкций эту функцию выполняет вторичная катушка.
Для подобных устройств важно выдерживать правильное соотношение между диаметром и длиной вторичной катушки. Пропорция должна составлять 1:4. Защитное кольцо схемы препятствует выходу электроники из строя. Деталь выглядит как специальное кольцо, изготовленное из меди.
Для правильной работы трансформатора Тесла защитное кольцо должно заземляться. Стримеры замыкают ток, ударяясь в землю. Если контур надежен, молнии ударяют непосредственно в агрегат.
В первичной обмотке определяется небольшое сопротивление. Это обеспечивает на практике надежную передачу электроэнергии. Точка подключения характеризуется высокой подвижностью. Это позволяет менять резонансную частоту. Понимая соотношение представленных элементов, удастся вникнуть в принцип работы трансформатора Тесла.
Принцип работы
Емкостной трансформатор Тесла характеризуется определенным принципом работы. Он заряжает конденсатор при помощи дросселя. Чем меньше уровень индуктивности, тем быстрее будет происходить зарядка. Спустя некоторое время его показатели напряжения значительно увеличиваются. В разряднике появится дуга. Она станет хорошим проводником.
Емкостным аппаратам требуется обеспечивать заряд аккумулятора от аккумулятора высокого напряжения. Обычные батарейки для этого не подходят. Питание первичной цепи выполняется различными способами. Это может быть статический искровой промежуток с подключением к высоковольтному прибору от микроволнового нагревателя. Также для этих целей применяются схемы из транзисторов на программируемых контроллерах.
Работающий аппарат при сочетании катушки и конденсатора характеризуется хорошим контуром. За счет образовавшейся нагрузки возникают колебания. В этот момент в конденсаторе и катушке произойдет энергообмен. Ее первая часть исчезнет в виде тепловых лучей. Вторая часть электричества проявится в разряднике. Индуктивность будет способствовать образованию еще одного контура. Частота всех компонентов должна быть одинаковой.
Первый контур передает свою нагрузку. Амплитуда колебаний будет равняться нулю. Обменом энергии этот процесс не заканчивается. После исчезновения дуги остаточная энергия может быть заперта. Весь процесс может повторяться. При сильной связи скорость обмена энергией будет высокой.
Некоторые поклонники творческих идей великого изобретателя утверждают, что КПД емкостного трансформатора Тесла составляет более 100%. Однако это не так. Коэффициент полезного действия, которым характеризуется данное устройство, подчиняется законам сохранения энергии. Поэтому такое утверждение не имеет под собой никаких оснований.
Применение
Помимо декоративного применения представленного устройства существует и практическая польза от его эксплуатации. Коронный разряд заряжает воздух озоном. Это освежает атмосферу в помещении. При этом не стоит допускать длительное воздействие прибора. Большое содержание озона приводит к плохому самочувствию.
Также применение представленного устройства позволяет реанимировать работу вышедшей из строя люминесцентной лампы. Если приблизить прибор к осветительному прибору, последний снова будет функционировать. Однако не стоит подносить близко к излучателю мобильные устройства. Это может вывести гаджет из строя.
Это уникальное, до конца не изведанное изобретение. Его применение должно выполняться с осторожностью. Простота конструкции позволяет собрать прибор самостоятельно.
Схема трансформатора Тесла. Трансформатор Тесла — принцип работы
Трансформатор Тесла (принцип работы аппарата рассмотрим далее) был запатентован в 1896-м году, 22 сентября. Аппарат представили как прибор, производящий электрические токи высокого потенциала и частоты. Устройство было изобретено Николой Тесла и названо его именем. Рассмотрим далее этот аппарат подробнее.
Трансформатор Тесла: принцип работы
Суть действия прибора можно объяснить на примере всем известных качелей. При их раскачивании в условиях принудительных колебаний амплитуда, которая будет максимальной, станет пропорциональной прилагаемому усилию. При раскачивании в свободном режиме максимальная амплитуда при тех же усилиях многократно возрастет. Такова суть и трансформатора Тесла. В качестве качелей в аппарате используется колебательный вторичный контур. Генератор играет роль прилагаемого усилия. При их согласованности (подталкивании в строго необходимые периоды времени) обеспечивается задающий генератор либо первичный контур (в соответствии с устройством).
Описание
Простой трансформатор Тесла включает в себя две катушки. Одна – первичная, другая – вторичная. Также резонансный трансформатор Тесла состоит из тороида (применяется не всегда), конденсатора, разрядника. Последний – прерыватель – встречается в английском варианте Spark Gap. Трансформатор Тесла также содержит «выход» – терминал.
Катушки
Первичная содержит, как правило, провод большого диаметра либо медную трубку с несколькими витками. Во вторичной катушке имеется кабель меньшего сечения. Его витков – около 1000. Первичная катушка может иметь плоскую (горизонтальную), коническую или цилиндрическую (вертикальную) форму. Здесь, в отличие от обычной трансформатора, нет ферромагнитного сердечника. За счет этого существенно снижается взаимоиндукция между катушками. Вместе с конденсатором первичный элемент формирует колебательный контур. В него включен разрядник – нелинейный элемент.
Вторичная катушка тоже формирует колебательный контур. В качестве конденсатора выступают тороидная и собственная катушечная (межвитковая) емкости. Вторичная обмотка часто покрыта слоем лака либо эпоксидной смолы. Это делается во избежание электрического пробоя.
Разрядник
Схема трансформатора Тесла включает в себя два массивных электрода. Эти элементы должны обладать устойчивостью к протеканию сквозь электрическую дугу больших токов. Обязательно наличие регулируемого зазора и хорошего охлаждения.
Терминал
В резонансный трансформатор Тесла этот элемент может быть инсталлирован в разном исполнении. Терминал может представлять собой сферу, заточенный штырь или диск. Он предназначается для получения искровых предсказуемых разрядов с большой длиной. Таким образом, два связанных колебательных контура образуют трансформатор Тесла.
Энергия из эфира – одна из целей функционирования аппарата. Изобретатель прибора стремился достичь волнового числа Z в 377 Ом. Он изготавливал катушки все большего размера. Нормальная (полноценная) работа трансформатора Тесла обеспечивается в случае, когда оба контура настроены на одну частоту. Как правило, в процессе корректировки осуществляется подстройка первичного под вторичный. Это достигается за счет изменения емкости конденсатора. Также меняется количество витков у первичной обмотки до появления на выходе максимального напряжения.
В будущем предполагается создать несложный трансформатор Тесла. Энергия из эфира будет работать на человечество в полной мере.
Действие
Трансформатор Тесла функционирует в импульсном режиме. Первая фаза – конденсаторный заряд до напряжения пробоя разрядного элемента. Вторая – генерация высокочастотных колебаний в первичном контуре. Включенный параллельно разрядник замыкает трансформатор (источник питания), исключая его из контура. В противном случае он будет вносить определенные потери. Это, в свою очередь, снизит добротность первичного контура. Как показывает практика, такое влияние существенно уменьшает длину разряда. В связи с этим в построенной грамотно схеме разрядник всегда ставится параллельно источнику.
Заряд
Его производит внешний источник высокого напряжения на основе низкочастотного повышающего трансформатора. Конденсаторная емкость выбирается так, чтобы она составляла вместе с индуктором определенный контур. Частота его резонанса должна быть равна высоковольтному контуру.
На практике все несколько иначе. Когда осуществляется расчет трансформатора Теслы, не учитывается энергия, которая пойдет на накачку второго контура. Напряжение заряда ограничивается напряжением у пробоя разрядника. Его (если элемент воздушный) можно регулировать. Напряжение пробоя корректируется при изменении формы либо расстояния между электродами. Как правило, показатель находится в пределах 2-20 кВ. Знак напряжения не должен слишком «закорачивать» конденсатор, на котором происходит постоянная смена знака.
Генерация
После того как будет достигнуто напряжение пробоя между электродами, в разряднике формируется электрический лавинообразный пробой газа. Происходит разряжение конденсатора на катушку. После этого резко снижается напряжение пробоя в связи с оставшимися ионами в газе (носителями заряда). Вследствие этого состоящая из конденсатора и первичной катушки цепь контура колебания через разрядник остается замкнутой. В ней образуются высокочастотные колебания. Они постепенно затухают, преимущественно вследствие потерь в разряднике, а также ухода на вторичную катушку электромагнитной энергии. Тем не менее колебания продолжаются, пока током создается достаточное количество зарядных носителей для поддержания в разряднике существенно меньшего напряжения пробоя, чем амплитуда колебаний LC-контура. Во вторичной цепи появляется резонанс. Это приводит к возникновению высокого напряжения на терминале.
Модификации
Какого бы типа ни была схема трансформатора Тесла, вторичный и первичный контуры остаются неизменными. Тем не менее один из компонентов основного элемента может быть разной конструкции. В частности, речь идет о генераторе высокочастотных колебаний. Например, в модификации SGTC этот элемент выполняется на искровом промежутке.
Трансформатор Тесла высокой мощности включает в себя более сложную конструкцию разрядника. В частности, это касается модели RSG. Аббревиатура расшифровывается как Rotary Spark Gap. Ее можно перевести следующим образом: вращающийся/роторный искровой либо статический промежуток с дугогасительными (дополнительными) устройствами. В таком случае частота работы промежутка подбирается синхронно частоте конденсаторной подзарядки. Конструкция искрового роторного промежутка включает в себя двигатель (как правило, он электрический), диск (вращающийся) с электродами. Последние или замыкают, или приближаются к ответным компонентам для замыкания.
Выбор расположения контактов и скорости вращения вала основывается на необходимой частоте следования колебательных пачек. В соответствии с типом управления двигателем различают искровые роторные промежутки асинхронные и синхронные. Также применение искрового вращающегося промежутка значительно понижает вероятность образования паразитной дуги между электродами.
В некоторых случаях обычный разрядник заменяют многоступенчатым. Для охлаждения этот компонент иногда помещают в газообразные или жидкие диэлектрики (в масло, к примеру). В качестве типового приема гашения дуги статистического разрядника используется продувка электродов с помощью мощной воздушной струи. В ряде случаев трансформатор Тесла классической конструкции дополняется вторым разрядником. Задача этого элемента состоит в обеспечении защиты низковольтной (питающей) зоны от высоковольтных выбросов.
Ламповая катушка
В модификации VTTC используют электронные лампы. Они играют роль генератора колебаний ВЧ. Как правило, это достаточно мощные лампы типа ГУ-81. Но иногда можно встретить и маломощные конструкции. Одной из особенностей в данном случае является отсутствие необходимости обеспечения высокого напряжения. Чтобы получить относительно небольшие разряды, нужно порядка 300-600 В. Кроме того, VTTC почти не издает шума, который появляется, когда трансформатор Тесла функционирует на искровом промежутке. С развитием электроники появилась возможность значительно упростить и уменьшить размер прибора. Вместо конструкции на лампах стали применять трансформатор Тесла на транзисторах. Обычно используется биполярный элемент соответствующей мощности и тока.
Как сделать трансформатор Тесла?
Как выше было сказано, для упрощения конструкции используется биполярный элемент. Несомненно, намного лучше применить полевой транзистор. Но с биполярным проще работать тем, кто недостаточно опытен в сборке генераторов. Обмотка катушек связи и коллектора осуществляется проводом в 0.5-0.8 миллиметров. На высоковольтной детали провод берется 0.15-0.3 мм толщиной. Делается приблизительно 1000 витков. На «горячем» конце обмотки ставится спираль. Питание можно взять с трансформатора в 10 В, 1 А. При использовании питания от 24 В и более значительно увеличивается длина коронного разряда. Для генератора можно использовать транзистор КТ805ИМ.
Применение прибора
На выходе можно получить напряжение в несколько миллионов вольт. Оно способно создавать в воздухе внушительные разряды. Последние, в свою очередь, могут обладать многометровой длиной. Эти явления очень привлекательны внешне для многих людей. Любителями трансформатор Тесла используется в декоративных целях.
Сам изобретатель применял аппарат для распространения и генерации колебаний, которые направлены на беспроводное управление приборами на расстоянии (радиоуправление), передачи данных и энергии. В начале ХХ столетия катушка Тесла стала использоваться в медицине. Больных обрабатывали высокочастотными слабыми токами. Они, протекая по тонкому поверхностному слою кожи, не вредили внутренним органам. При этом токи оказывали оздоравливающее и тонизирующее воздействие на организм. Кроме того, трансформатор используется при поджиге газоразрядных ламп и при поиске течей в вакуумных системах. Однако в наше время основным применением аппарата следует считать познавательно-эстетическое.
Эффекты
Они связаны с формированием разного рода газовых разрядов в процессе функционирования устройства. Многие люди коллекционируют трансформаторы Тесла, чтобы иметь возможность наблюдать за захватывающими эффектами. Всего аппарат производит разряды четырех видов. Зачастую можно наблюдать, как разряды не только отходят от катушки, но и направлены от заземленных предметов в ее сторону. На них также могут возникать коронные свечения. Примечательно, что некоторые химические соединения (ионные) при нанесении на терминал могут изменить цвет разряда. К примеру, натриевые ионы делают спарк оранжевым, а борные – зеленым.
Стримеры
Это тускло светящиеся разветвленные тонкие каналы. Они содержат ионизированные газовые атомы и свободные электроны, отщепленные от них. Эти разряды протекают от терминала катушки или от самых острых частей непосредственно в воздух. По своей сути стример можно считать видимой ионизацией воздуха (свечением ионов), которая создается ВВ-полем у трансформатора.
Дуговой разряд
Он образуется достаточно часто. К примеру, если у трансформатора достаточная мощность, при поднесении к терминалу заземленного предмета может образоваться дуга. В некоторых случаях требуется прикосновение предмета к выходу, а затем отведение на все большее расстояние и растягивание дуги. При недостаточной надежности и мощности катушки такой разряд может повредить компоненты.
Спарк
Этот искровой заряд отходит с острых частей или с терминала напрямую в землю (заземленный предмет). Спарк представлен в виде быстро сменяющихся или исчезающих ярких нитевидных полосок, разветвленных сильно и часто. Существует также особый тип искрового разряда. Он называется скользящим.
Коронный разряд
Это свечение ионов, содержащихся в воздухе. Оно происходит в высоконапряженном электрическом поле. В результате создается голубоватое, приятное для глаза свечение около ВВ-компонентов конструкции со значительной кривизной поверхности.
Особенности
В процессе функционирования трансформатора можно услышать характерный электрический треск. Это явление обусловлено процессом, в ходе которого стримеры превращаются в искровые каналы. Он сопровождается резким увеличением количества энергии и силы тока. Происходит быстрое расширение каждого канала и скачкообразное повышение давления в них. В итоге на границах образуются ударные волны. Их совокупность от расширяющихся каналов формирует звук, который воспринимается как треск.
Воздействие на человека
Как и другой источник такого высокого напряжения, катушка Тесла может быть смертельно опасной. Но существует иное мнение, касающееся некоторых типов аппарата. Поскольку у высокочастотного высокого напряжения есть скин-эффект, а ток существенно отстает от напряжения по фазе и сила тока очень мала, несмотря на потенциал, разряд в человеческое тело не может спровоцировать ни остановку сердца, ни прочие серьезные нарушения в организме.
Резонансный трансформатор Тесла — больше не секрет
Знакомство с трансформатором Н. Тесла.
Новомодный феномен резонансного трансформатора Николы Тесла возник не давно, а Интернет забит фотографиями и интригующими видеосъемками молний и коронарных разрядов.
Вспомним, что трансформатор первоначально был предназначен не для показательного выступления в цирке, а для передачи радиосигналов на далекие расстояния. В связи с этим предлагаю ознакомиться с его принципом работы и найти ему практическое применение.
Трансформатор Тесла состоит из двух основных частей, см. рис.1а;
1. Генерирующей части, состоящей из высоковольтного источника питания, накопительного конденсатора С1, разрядника и катушки связи L1. Частота генерации зависит от напряжения питания, емкости конденсатора С1, характеризующее время разряда, а так же промежутком между электродами разрядника;
2. Резонансной катушки индуктивности L2, заземления и сферы, см. рис. 1а.
Если вглядеться в схему этого трансформатора внимательнее, то мы увидим известную схему последовательного колебательного контура, состоящего из катушки индуктивности L2 с открытой емкостью С, образованной между сферой и землей. Это открытый колебательный контур, который был открыт Дж. К. Максвеллом.
Обратимся к классической теории принципа действия открытого колебательного контура:
Как известно колебательный контур состоит из катушки индуктивности и конденсатора. Исследуем простейший колебательный контур, катушка которого состоит из одного витка, а конденсатор представляет собой две рядом расположенные металлические пластины. Подадим в разрыв индуктивности контура 1 переменное напряжение от генератора, см. рис.2а. В витке потечет переменный ток и создаст вокруг проводника магнитное поле. Это сможет подтвердить магнитный индикатор в виде витка, нагруженного лампочкой. Для того, что бы получить открытый колебательный контур, раздвинем пластины конденсатора. Мы наблюдаем, что лампа индикатора магнитного поля продолжает гореть. Чтобы лучше понять, что происходит в данном опыте, смотри рис. 2а. По витку контура 1 течёт ток проводимости, который вокруг себя создает магнитное поле Н, а между пластинами конденсатора – равный ему, так называемый, ток смещения. Несмотря на то, что между пластинами конденсатора нет тока проводимости, опыт показывает, что ток смещения создаёт такое же магнитное поле, как и ток проводимости. Первым, кто об этом догадался, был великий английский физик Дж. К. Максвелл.
В 60-х годах 19-го столетия, формулируя систему уравнений для описания электромагнитных явлений, Дж. К. Максвелл столкнулся с тем, что уравнение для магнитного поля постоянного тока и уравнение сохранения электрических зарядов переменных полей (уравнение непрерывности) несовместимы. Чтобы устранить противоречие, Максвелл, не имея на то никаких экспериментальных данных, постулировал, что магнитное поле порождается не только движением зарядов, но и изменением электрического поля, подобно тому, как электрическое поле порождается не только зарядами, но и изменением магнитного поля. Величину где — электрическая индукция, которую он добавил к плотности тока проводимости, Максвелл назвал током смещения. У электромагнитной индукции появился магнитоэлектрический аналог, а уравнения поля обрели замечательную симметрию. Так, умозрительно был открыт один из фундаментальнейших законов природы, следствием которого является существование электромагнитных волн. В последствии Г.Герц опираясь на эту теорию доказал, что электромагнитное поле излучаемое электрическим вибратором равно полю излучаемое емкостным излучателем.
Раз так, убедимся еще раз, что происходит, когда закрытый колебательный контур превращается в открытый и как можно обнаружить электрическое поле Е ? Для этого рядом с колебательным контуром поместим индикатор электрического поля, это вибратор, в разрыв которого включена лампа накаливания, она пока не горит. Постепенно раскрываем контур, и мы наблюдаем, что лампа индикатора электрического поля загорается, рис. 2б. Электрическое поле теперь не сосредоточено между пластинами конденсатора, его силовые линии идут от одной пластины к другой через открытое пространство. Таким образом, мы имеем экспериментальное подтверждение утверждения Дж. К. Максвелла, что емкостной излучатель порождает электромагнитную волну. Никола Тесла обратил на этот факт внимание, что при помощи совсем не больших излучателей можно создать достаточно эффективный прибор для излучения электромагнитной волны. Так родился резонансный трансформатор Н. Тесла. Проверим и этот факт, для чего вновь рассмотрим назначение деталей трансформатора.
И так, сфера и заземление выполняют роль пластин открытого конденсатора. Геометрические размеры сферы и технические данные катушки индуктивности определяют частоту последовательного резонанса, которая должна совпадать с частотой генерации разрядника.
Иными словами, режим последовательного резонанса позволяет трансформатору Тесла достигать таких величин напряжений, что на поверхности сферы появляется коронарный разряд и даже молнии. Весь фокус состоит в том, что коэффициент трансформации резонансного трансформатора выше соотношения витков катушек L1/L2 и значительно выше, чем в трансформаторах с ферро сердечниками. Здесь индуктивность L2, сфера и заземление, представляют из себя открытый резонансный колебательный контур. Именно по этому трансформатор Тесла называется резонансным.
Рассмотрим работу трансформатора Тесла, как последовательный колебательный контур:
— Этот контур необходимо рассматривать как обычный LC – элемент, рис. 1а.б, а так же рис. 2а, где включены последовательно индуктивность L, открытый конденсатор С и сопротивление среды Rср. Угол сдвига фаз в последовательном колебательном контуре между напряжением и током равен нулю (φ=0), если ХL = — Хс, т.е. изменения тока и напряжения в нем происходят синфазно. Это явление называется резонансом напряжений (последовательным резонансом). Следует отметить, что при понижении частоты от резонанса, ток в контуре уменьшается, а резонанс тока несет емкостной характер. При дальнейшей расстройке контура и понижении тока на 0,707, его фаза смещается на 45 градусов. При расстройке контура вверх по частоте, он приобретает индуктивный характер. Это явление часто используют в фазоинверторах.
Если мы рассмотрим схему изображенную на рис. 3, то мы сможем предоставить простые расчеты, из которых видно, что напряжение на пластинах излучателя вычисляется исходя из добротности контура Q, которая реально может находиться в пределах 20 – 50 и много выше.
Где полоса пропускания определяется добротностью контура:
Тогда напряжение на пластинах излучателя будет выглядеть согласно следующей формуле:
В таблице 1 расчетные данные приведены для частоты 7.0 МГц не случайно, это дает возможность любому желающему коротковолновику провести радиолюбительский эксперимент в эфире. Здесь входное напряжение U1 условно взято за 100 Вольт, а добротность за 26.
Катушка Тесла. Устройство и виды. Работа и применение
Одним из знаменитых изобретений Николы Тесла была катушка Тесла. Это изобретение представляет собой резонансный трансформатор, который образует высокочастотное повышенное напряжение. В 1896 году на изобретение выдан патент, который имел название аппарата для образования электрического тока высокого потенциала и частоты.
Разновидности
Со времен Николы Тесла появилось много различных видов трансформаторов Тесла. Рассмотрим распространенные основные виды таких трансформаторов, как катушка Тесла.
SGTC – катушка, работающая на искровом разряде, имеет классическое устройство, используемое самим Теслой. В этой конструкции элементом коммутации является разрядник. У маломощных устройств разрядник выполнен в виде двух отрезков толстого проводника, находящихся на определенном расстоянии. В устройствах большей мощности используются вращающиеся разрядники сложной конструкции с применением электродвигателей. Такие трансформаторы производят при необходимости получения стримера большой длины, без каких-либо эффектов.
VTTC – катушка на основе электронной лампы, которая является коммутирующим элементом. Подобные трансформаторы способны функционировать в постоянном режиме и выдавать разряды большой толщины. Такой тип питания обычно применяют для создания катушек высокой частоты. Они создают эффект стримера в виде факела.
SSTC – катушка, в конструкции которой в качестве ключа используется полупроводниковый элемент в виде мощного транзистора. Такой вид трансформаторов также способен функционировать в постоянном режиме. Внешняя форма стримеров от такого устройства бывает самой различной. Управление с полупроводниковым ключом более простое, существуют такие катушки Тесла, которые умеют играть музыку.
DRSSTC – трансформатор, имеющий два контура резонанса. Роль ключей играют также полупроводниковые компоненты. Это наиболее сложный в настройке и управлении трансформатор, однако, он используется для создания впечатляющих эффектов. При этом большой резонанс получается в первом контуре. Во втором контуре образуется наиболее яркие толстые и длинные стримеры в виде молний.
Устройство и работа
Элементарный трансформатор Тесла включает в себя две катушки, тороид, конденсатор, разрядник, защитное кольцо и заземление.
Тороид выполняет несколько функций:
- Снижение частоты резонанса, особенно для вида катушки Тесла с полупроводниковыми ключами.Полупроводниковые элементы плохо функционируют на повышенных частотах.
- Накапливание энергии перед возникновением электрической дуги. Чем больше размер тороида, тем больше энергии накоплено. В момент пробоя воздуха тороид выдает эту накопленную энергию в электрическую дугу, при этом увеличивая ее.
- Образование электростатического поля, отталкивающего дугу от вторичной обмотки. Часть этой функции исполняет вторичная обмотка. Однако тороид помогает ей в этом. Поэтому электрическая дуга не бьет во вторичную обмотку по кратчайшему пути.
Обычно наружный диаметр тороида в два раза больше диаметра вторичной обмотки. Тороиды производят из алюминиевой гофры и других материалов.
Вторичная обмотка трансформатора Тесла является основным элементом конструкции. Обычно длина обмотки относится к ее диаметру 5 : 1. Диаметр проводника для катушки выбирают из расчета, чтобы разместилось около 1000 витков, которые должны располагаться плотно между собой. Витки обмотки покрывают несколькими слоями лака или эпоксидной смолы. В качестве каркаса выбирают ПВХ-трубы, которые можно купить в строительном магазине.
Защитное кольцо служит для предохранения от выхода из строя электронных элементов в случае попадания электрической дуги в первичную обмотку. Защитное кольцо устанавливается, если размер стримера (электрической дуги) больше длины вторичной катушки. Это кольцо выполнено в виде медного незамкнутого проводника, заземленного отдельным проводом на общее заземление.
Первичная обмотка чаще всего выполняется из медной трубки, применяемой в кондиционерах. Сопротивление первичной обмотки должно быть небольшим, так как по ней будет проходить большая сила тока. Трубку чаще всего выбирают толщиной 6 мм. Также можно использовать для намотки проводники большого сечения. Первичная обмотка является своеобразным элементом подстройки в таких катушках Тесла, в которых первый контур резонансный. Поэтому место подключения питания выполняют с учетом его перемещения, с помощью которого меняют частоту резонанса первого контура.
Форма первичной обмотки может быть различной: конической, плоской или цилиндрической.
Катушка Тесла должна иметь заземление . Если его не будет, то стримеры будут бить в саму катушку, для замыкания тока.
Колебательный контур образован конденсатором совместно с первичной обмоткой. В этот контур также подключен разрядник, который является нелинейным элементом. Во вторичной обмотке также образован контур колебаний, в котором конденсатором выступает емкость тороида и межвитковая емкость катушки. Чаще всего для предохранения от электрического пробоя вторичную обмотку покрывают лаком или эпоксидной смолой.
В результате катушка Тесла, или другими словами трансформатор, состоит из двух контуров колебаний, связанных между собой. Это и придает трансформатору Тесла необычные свойства, и является основным отличительным качеством от обычных трансформаторов.
При достижении напряжения пробоя между электродами разрядника, образуется электрический лавинообразный пробой газа. При этом происходит разряд конденсатора на катушку через разрядник. Вследствие этого цепь контура колебаний, который состоит из конденсатора и первичной обмотки, остается замкнутой на разрядник. В этой цепи возникают колебания высокой частоты. Во вторичной цепи образуются резонансные колебания, в результате чего возникает высокое напряжение.
Во всех видах катушки Тесла главным элементом являются контуры: первичный и вторичный. Однако генератор колебаний высокой частоты может отличаться по конструкции.
Катушка Тесла по сути дела состоит из двух катушек, не имеющих металлического сердечника. Коэффициент трансформации катушки Тесла в несколько десятков раз выше отношения числа витков обеих обмоток. Поэтому выходное напряжение трансформатора достигает нескольких миллионов вольт, что и обеспечивает мощные электрические разряды длиной в несколько метров. Важным условием является образование контура колебаний первичной обмоткой и конденсатором, вхождение в резонанс этого контура с вторичной обмоткой.
Виды эффектов от катушки Тесла
- Дуговой разряд – возникает во многих случаях. Он характерен ламповым трансформаторам.
- Коронный разряд является свечением воздушных ионов в электрическом поле повышенного напряжения, образует голубоватое красивое свечение вокруг элементов устройства с высоким напряжением, а также имеющим большую кривизну поверхности.
- Спарк по-другому называют искровым разрядом. Он протекает от терминала на землю, либо на заземленный предмет, в виде пучка ярких разветвленных полосок, быстро исчезающих или меняющихся.
- Стримеры – это тонкие слабо светящиеся разветвляющиеся каналы, содержащие ионизированные атомы газа и свободные электроны. Они не уходят в землю, а протекают в воздух. Стримером называют ионизацию воздуха, образуемую полем трансформатора высокого напряжения.
Действие катушки Тесла сопровождается треском электрического тока. Стримеры могут превращаться в искровые каналы. Это сопровождается большим увеличением тока и энергии. Канал стримера быстро расширяется, давление резко повышается, поэтому образуется ударная волна. Совокупность таких волн подобен треску искр.
Малоизвестные эффекты катушки Тесла
Некоторые люди считают трансформатор Тесла каким-то особенным устройством, обладающим исключительными свойствами. Также есть мнение, что такое устройство способно стать генератором энергии и вечным двигателем.
Иногда говорят, что при помощи такого трансформатора можно передавать электрическую энергию на значительные расстояния, не используя провода, а также создать антигравитацию. Такие свойства не подтверждены и не проверены наукой, но Тесла говорил о скорой доступности таких способностей для человека.
В медицине при длительном воздействии токов высокой частоты и напряжения могут образоваться хронические заболевания и другие отрицательные явления. Также нахождение человека в поле высокого напряжения негативно сказывается на его здоровье. Можно отравиться газами, выделяемыми при функционировании трансформатора без вентиляции.
Применение
- Величина напряжения на выходе катушки Тесла иногда достигает миллионов вольт, что формирует значительные воздушные электрические разряды длиной в несколько метров. Поэтому такие эффекты применяют в качестве создания показательных шоу.
- Катушка Тесла нашла применение в медицине в начале прошлого века. Больных обрабатывали маломощными токами высокой частоты. Такие токи протекают по поверхности кожи, оказывают оздоравливающее и тонизирующее влияние, не причиняя при этом никакого вреда организму человека. Однако мощные токи высокой частоты оказывают негативное влияние.
- Катушка Тесла применяется в военной технике для оперативного уничтожения электронной техники в здании, на корабле, танке. При этом на короткий промежуток времени создается мощный импульс электромагнитных волн. В результате в радиусе нескольких десятков метров сгорают транзисторы, микросхемы и другие электронные компоненты. Это устройство действует абсолютно бесшумно. Существуют такие данные, что частота тока при функционировании такого устройства может достигать 1 ТГц.
- Иногда такой трансформатор применяется для розжига газоразрядных ламп, а также поиска течи в вакууме.
Эффекты катушки Тесла иногда используют в съемках фильмов, компьютерных играх. В настоящее время катушка Тесла не нашла широкого применения на практике в быту.
Катушка Тесла на будущее
В настоящее время остаются актуальными вопросы, которыми занимался ученый Тесла. Рассмотрение этих проблемных вопросов дает возможность студентам и инженерам институтов взглянуть на проблемы науки более широко, структурировать и обобщать материал, отказаться от шаблонных мыслей.
Взгляды Тесла актуальны сегодня не только в технике и науке, но и для работ в новых изобретениях, применения новых технологий на производстве. Наше будущее даст объяснение явлениям и эффектам, открытым Теслой. Он заложил для третьего тысячелетия основы новейшей цивилизации.