Моя биполярная катушка Тесла
Катушка Тесла представляет опасность при нарушении техники безопасности!
Катушка Тесла (Tesla Coil, TC) — это повышающий высокочастотный резонансный трансформатор — два колебательных контура, настроенных на одинаковую резонансную частоту.
Катушка Тесла названа так в честь ее изобретателя Николы Тесла (около 1891 года).
Существует несколько вариантов исполнения катушки Тесла:
- SGTC (Spark Gap Tesla Coil) — искровая катушка Тесла (рассматривается в дальнейшем), колебания генерируются при срабатывании разрядника;
- VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) — ламповая катушка Тесла, для генерации колебаний применяются радиолампы;
- SSTC (Solid State Tesla Coil) — полупроводниковая катушка Тесла, содержит задающий генератор и силовые ключи на полупроводниках.
Выходное напряжение катушки Тесла может достигать несколько мегавольт!
Классическая (четвертьволновая) катушка Тесла предполагает наличие разрядного терминала (тороида) на верхнем конце вторичной обмотки и требует хорошего РЧ-заземления (RF grounding) нижнего конца, вблизи которого располагается первичная обмотка:
Отсутствие заземления в классической катушке Тесла приведет к пробою между первичной и вторичной обмотками!
Биполярная катушка Тесла (Bipolar Tesla Coil) является полуволновой вариацией обычной катушки Тесла с горизонтальным расположением вторичной обмотки и расположенными на концах катушки разрядными электродами, а первичная — располагается в середине (ноль напряжения).
Я реализовал искровую катушку Тесла в биполярном варианте, который не требует наличия заземления и позволяет создавать сильные электрические поля (можно присоединить пластины к разрядным электродам):
Биполярный вариант катушки Тесла распространен намного меньше, чем классический:
запрос в Google «tesla coil» — 2 640 000 результатов
запрос в Google «bipolar tesla coil» — 42 000 результатов
(на 13.11.2015)
Основными элементами искровой катушки Тесла являются:
— источник высокого постоянного напряжения, состоящий из генератора импульсного высокого напряжения (1) и высоковольтного выпрямителя (2);
— искровой разрядник (spark gap, SG) (3), сделан из двух винтов M4; настроен на пробой при напряжении около 4 кВ
(меняя длину разрядного промежутка, можно изменять напряжение конденсатора, при котором происходит разряд)
— высоковольтный конденсатор (tank capacitor) (4); резонансная емкость при приведенных ниже параметрах обмоток составляет около 10 — 30 нФ;
— первичная обмотка катушки (5) — 6 витков медного провода диаметром 0,7 мм на каркасе из ПЭТ-бутылки диаметром 7 см, длина намотки 2 см; индуктивность 3,37 мкГн;
— вторичная обмотка катушки (6) — длина намотки 26 см на пластиковой канализационной трубе диаметром 5 см медным проводом диаметром 0,15 мм; индуктивность 26 мГн; емкость 4 пФ;
— разрядные электроды из толстого медного провода (7);
— разрядный промежуток (8)
Высоковольтный импульсный генератор описан здесь.
Схема установки:
Возможны два варианта взаимного расположения разрядного промежутка, конденсатора и первичной обмотки трансформатора Тесла:
Вариант а — конденсатор C включается последовательно с первичной обмоткой трансформатора Тесла T, а искровой разрядник — параллельно источнику высокого напряжения
Вариант б — искровой разрядник включается последовательно с первичной обмоткой трансформатора Тесла T, а конденсатор C — параллельно источнику высокого напряжения
Я использовал вариант а, обеспечивающий защиту высоковольтного источника.
Как работает катушка Тесла
При подключении установки к высоковольтному источнику постоянного напряжения начинается заряд конденсатора C через первичную обмотку трансформатора T:
При достижении напряжением на конденсаторе значения, при котором происходит пробой воздушного промежутка, в искровом разряднике происходит пробой (проскакивает искра). Возникший плазменный канал замыкает контур «конденсатор C — первичная обмотка» и начинается разряд конденсатора на первичную обмотку. При разряде ток в первичной обмотке представляет собой затухающие синусоидальные колебания:
Этот переменный ток наводит напряжение во вторичной обмотке трансформатора, индуктивно связанной с первичной.
Индуктивность вторичной обмотки L2 вместе с ее собственной емкостью Cs2 и емкостью разрядного промежутка Cd представляет колебательный контур, настроенный в резонанс с контуром первичной обмотки из индуктивности L1, собственной емкости обмотки Cs1, конденсатора C:
Из-за этого колебания напряжения во вторичной обмотке резко усиливаются, что приводит к возникновению высокой напряженности электрического поля между разрядными электродами, вызывающей пробой (разряд):
Разряды катушки Тесла
одноэлектродные разряды (one-electrode discharges):
коронный разряд (corona discharge) — возникает в резко неоднородных полях с большой напряженностью возле остриев и тонких проводов (радиус кривизны меньше 1 мм), причем свечение имеет вид короны (эффективная энергия 0,1 мДж)
кистевой разряд (brush discharge) — от острия расходится пучок искр (кисть), не достигающий второго электрода (эффективная энергия 10-20 мДж)
стримерный (нитевидный или шнуровой) разряд (streamer discharge) — возникает из-за лавинной ионизации воздуха сильным электрическим полем (для воздуха при атмосферном давлении > 30 кВ/см), наблюдается вблизи электродов, между которыми действует большая разность потенциалов
двухэлектродные разряды (two-electrode discharges):
искровой разряд (spark discharge) — одиночный разряд между двумя разноименно заряженными проводниками в виде светящейся нити (полный пробой искрового промежутка)
Искровой разрядник
Обмотки трансформатора Тесла
Первичная и вторичная катушки в моей установке однослойные цилиндрические (helical coil).
Индуктивность такой катушки в микрогенри определяется формулой (Harold A. Wheeler, «Simple Inductance Formulas for Radio Coils,» Proceedings of the I.R.E., October 1928, pp. 1398-1400):
$ L = <<<(N R)>^2>\over <9 r + 10 h>> $, где $N$ — количество витков, $R$ — радиус катушки в дюймах, $H$ — высота катушки в дюймах:
Собственная емкость вторичной катушки в пикофарадах определяется формулой (Medhurst):
$ C = <0,29 L + 0,41 R + 1,94 <\sqrt <
Трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура.
Мои эксперименты с биполярной катушкой Тесла
Для увеличения напряжения между электродами и соответственно длины разряда необходимо подобрать емкость конденсатора в резонанс.
Для этого можно применить конденсаторы К78-2 (импортный аналог CBB81) емкостью единицы-десятки нФ на напряжение 1 или 2 кВ и собрать из них батарею (MMC — Multi Micro Capacitor):
MMC 4,4
(4 параллельных ветви из 3 конденсаторов по 3,3 нФ)
* Конденсатор Бумажный Герметизированный
** Конденсатор Слюдяной Опрессованный 13-го типа
Видео работы моей биполярной катушки Тесла:
https://youtu.be/FSOuu3Cgkfs
Наибольшая длина разряда (6,2 см) получена при общей емкости батареи MMC в 22 нФ:
При поднесении цоколя лампы накаливания к разряду катушки Тесла возникает разряд внутри лампы между ее нитью и стеклянным корпусом лампы, за который держит лампу экспериментатор:
Фиолетовый цвет разряда определяется наличием в колбе лампы инертного газа — аргона Ar.
Увеличение выходного напряжения высоковольтного источника приводит к увеличению частоты разрядов — конденсаторы быстрее заряжаются до напряжения пробоя разрядника.
Раздвигание электродов разрядника повышает выходное напряжение и снижает частоту разрядов.
Раздвигание электродов вторичной обмотки на расстояние, превышающее некоторую критическую величину приводит к превращению разряда в кистевой.
А вот как появляется пробой между витками вторичной катушки:
Опасность катушки Тесла
При соприкосновении с элементами первичной и вторичной цепей трансформатора Тесла экспериментатор может попасть под опасное действие электрического тока.
Распостраненным заблужденим является представление о том, что разряды от такой катушки не вызывают электрошока из-за проявления поверхностного эффекта. При этом не учитывается то обстоятельство, что удельное сопротивление тканей человека вовсе не равно удельному сопротивлению хорошего проводника, например, меди. Из-за этого глубина проникновения высокочастотных токов в организм составляет несколько десятков (!) сантиметров. Но болевого ощущения не возникает из-за того, что электрические токи высокой частоты вызывают не электрошок, а нагрев. Этот эффект, открытый дАрсонвалем, широко использовался в физиотерапии.
Разряды катушки Тесла являются источником сильного электромагнитного излучения.
При проведении моих опытов наблюдались нарушения Wi-Fi-коммуникаций, а также нарушение функционирования USB-колонок.
Также электромагнитное излучение вблизи катушки представляет опасность и для экспериментатора. При этом наиболее опасным является возможное воздействие на головной мозг — вихревые токи, наводимые переменным электромагнитным полем, могут вызвать опасные для мозговой деятельности температурные изменения в мозге. Вредные последствия могут возникать даже при незначительных изменениях температуры — например, на один-два градуса.
Также электрические разряды приводят к образованию вредных газов:
озон — вырабатывается при искровых, коронных и кистевых электрических разрядах
оксиды азота — вырабатываются при искровых разрядах, особенно сильно — в искровом разряднике.
Оксид и диоксид азота находятся при этом в подвижном равновесии:
2NO + O2 → 2NO2
Также при взаимодействии диоксида азота с озоном образуется пентоксид (пятиокись) азота N2O5 :
2NO2 + O3 → N2O5 + O2
Катушка Теслы — гениальное изобретение, теория заговора и Тунгусский метеорит
Наверняка вы хотя бы раз краем уха слышали, что существует такая вещь, как ”катушка Теслы”. Кто-то просто не понимает, что это такое, другие думают, что это как-то связано с автомобилями Илона Маска, а третьи предполагают, что это что-то из книги о кройке и шитье. И лишь немногие по-настоящему знают, что это такое, и то, что это изобретение позапрошлого века может перевернуть весь мир энергетики, но до сих пор этого не сделало. Поговаривают, что именно это изобретение гениального Николы Теслы стало причиной ”падения Тунгусского метеорита”. Впрочем, я бы не спешил говорить о том, что катастрофа того времени была рукотворной. Сейчас катушка Теслы известна вам по красочным шоу, которые устраивают в кружках любителей физики. Помните? Там, где молнии бьют между клетками с людьми. Все это поверхностно, но что на самом деле представляет из себя катушка Теслы? Это гениальное изобретение или сплошная ”пыль в глаза”?
Катушка Теслы интереснее, чем может показаться на первый взгляд.
Что такое катушка Теслы
Сразу скажу, что в описании этого относительно простого прибора есть несколько довольно сложных для неподготовленного человека слов. Они относятся к электрике, и большинство даже если слышало их, то не сразу поймет, что они означают. Поэтому я дам два описания. Одно из них будет обычным, с небольшим уклоном в техническую сторону, в а второе, что называется, на пальцах.
10 доказательств того, что Никола Тесла был богом науки.
Итак, если говорить по науке, то катушка Теслы (или трансформатор Теслы) — это устройство, изобретенное Николой Теслой. Поэтому логично, что ему дали его имя. Более того, на него даже есть патент на имя великого физика. Он выдан 22 сентября 1896 года. В патенте изобретение называется ”Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала”. На самом деле из этой заявки все должно быть понятно. Это прибор, который является резонансным трансформатором, производящим высокое напряжение высокой частоты.
Гениальный изобретатель не просто придумал катушку своего имени, но и запатентовал ее.
В основе работы приборы лежат резонансные стоячие электромагнитные волны. Сейчас поймете, как это!
У прибора есть две проводниковые катушки — первичная и вторичная. В первичной обмотке как правило небольшое количество витков. Вместе с ней идут конденсатор и искровой промежуток. Эта часть прибора обязательно должна быть заземлена.
Вторичная обмотка — это прямая катушка провода. 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.
Упрощенно катушка Теслы выглядит так.
На самом деле все довольно просто, если понимать принцип действия законов физики, на которых основана работа прибора, но вот, как и обещал, более простое объяснение.
Катушка Теслы простыми словами
Представьте себе маятник с тяжелым грузом. Если вводить его в движение, толкая в какой-то определенный момент в одной точке, то амплитуда будет расти по мере увеличения усилия. Но если найти точку, в которой движение будет входить в резонанс, то амплитуда будет расти многократно. В случае с маятником она ограничена параметрами подвеса, но если мы говорим о напряжении, то расти оно может чуть ли не бесконечно. В обычных условиях наблюдается рост напряжения в десятки и даже сотни раз, достигая миллионов вольт даже в далеко не самых мощных приборах.
На Марсе есть электричество, но откуда оно берется?
Пример простого объяснения знаком нам всем с детства. Помните, когда мы раскачивали кого-то на качелях? Так вот, мы же толкали качели в той точке, в которой они максимально быстро разгонялись вниз. Это и есть грубое, но в целом верное объяснение резонанса, который используется в катушке Теслы.
Резонанс может делать великие вещи. В том числе и с электричеством.
В качестве основных элементов сам Никола Тесла использовал конденсатор, который подключался к источнику питания. Именно он и питал первичную обмотку, от которой возникал резонанс во вторичной. Важно было только правильно подобрать частоту тока ”на входе” и материал для вторичной обмотки. Если они не будут соответствовать друг другу, то роста напряжения не будет вовсе или он будет крайне незначительным.
Для чего нужна катушка Теслы
К визуальным эффектам мы еще вернемся, так как они являются только иллюстрацией работы прибора, а изначально он создавался для того, чтобы передавать электрическую энергию на расстояние без проводов. Именно этим и занимался один из самых загадочных ученых в истории.
Из-за чего бьет молния и как она появляется
Это не является секретной информацией и встречается в различных документах того времени. Суть в том, что если установить в нескольких километрах друг от друга достаточно мощные катушки Теслы, они смогут передавать энергию и решать многие проблемы, а увеличение напряжения и частоты почти из ничего может позволить решить многие энергетические проблемы.
Потенциально катушка Теслы может передавать энергию на большие расстояния.
Учитывая некоторые свойства прибора, он может даже опровергать ряд доказательств того, что создание вечного двигателя невозможно. Я уже рассказывал, как и кто пытался его создать, но в некотором роде именно катушка Теслы при определенных условиях могла бы стать одним из его компонентов.
Почему никто не развивает катушку Теслы
Сказать, что кто-то всерьез занимается вопросом развития технологии, нельзя. Может быть она не так привлекательна в промышленном применении, а может быть она нужна только военным. Точного ответа на этот вопрос нет, но именно военные много работают в этом направлении.
Все просто! Если как следует ”раскочегарить” катушку Теслы, она может спалить всю электронику на очень большом расстоянии. Даже простейшие макеты, которые делаются в домашних условиях, могут вывести из строя домашние бытовые приборы, что уже говорит о действительно мощных установках.
Причин, по которым катушки Тесла развиваются недостаточно эффективно много — от недостаточно востребованности до секретности и опасности.
Реальное применение катушки Теслы находят только в шоу, которые основаны на электрических спецэффектах. Считается, что их использование безопасно для человека, но при этом оно позволяет создавать красочные фиолетовые молнии, которые можно видеть буквально перед собой. Это очень эффектно и заставляет многих детей увлечься наукой.
Где применяются катушки Теслы
Сами катушки или их действие применяется в некоторых сферах жизни. Кроме комнат, описанных выше, созданные молнии высокого напряжения могут применяться в красочных лампах, которые можно трогать рукой, и разряд будет стремиться к ней.
Интересные и малоизвестные факты о молниях
Созданные молнии могут показать, где есть повреждение вакуумной системы — они всегда стремятся к месту нарушения герметичности. Эффект находит место даже в косметологии. Дело в том, что параметры тока в катушке Теслы относительно безопасны для человека и лишь ходят по поверхности кожи, слега ”пробирая” ее изнутри. Приборы, основанные на таком эффекте, позволяют стимулировать и тонизировать кожу, решая некоторые проблемы с венами, морщинами и другими неприятными изменениями. Но пользоваться такими приборами должен профессионал, так как полностью безопасными назвать их нельзя.
Катушки Теслы применяются даже в косметологии.
Тесла и Тунгусский метеорит
Про Тунгусский метеорит сказано более чем много, и я сейчас не буду подробно пересказывать историю этого происшествия. Скажу только, что не все верят в метеорит, природное явление, крушение инопланетного корабля, столкновение с Землей миниатюрной черной дыры (есть и такая версия) или испытание какого-то оружия. Многие уверены, что катастрофа была связана именно с попыткой Николы Теслы передать энергию на большое расстояние.
Лично я к этой версии отношусь довольно скептически, но если ученый смог создать прибор, который мог сотворить такое, то только представьте, какой потенциал имели созданные им технологии, которые мы сейчас используем для развлечения.
Катушка Теслы несет в себе не только красоту, но и опасность.
Прямых доказательств или явных опровержений виновности Николы Теслы во взрыве в Сибири нет. Поэтому оставим версию конспирологами или простым людям для развития фантазии.
Как сделать катушку Теслы
На самом деле было несколько некорректно расписывать, как сделать такой прибор дома самостоятельно, так как он может быть очень опасен как для людей, так и для домашней техники. Достаточно просто знать, что это возможно и на YouTube полно роликов о том, как приобщиться к этому явлению.
Добавлю только, что для создания миниатюрной катушки достаточно обзавестись несколькими вещами, которые можно найти в гараже более-менее запасливого ”самоделкина”.
Сделанная в домашних условиях катушка Теслы может даже зажигать лампочки рядом с ней.
По сути вам понадобится только источник питания, небольшой конденсатор, маленькая катушка проводника для первичной обмотки, пара сотен метров тонкой медной эмалированной проволоки для вторичной обмотки, диэлектрическая труба для ее намотки и все.
Если вы решили сделать что-то подобное, то в каждом ролике более точно расскажут, что нужно для эксперимента. Но помните, что без специальной подготовки это может быть смертельно опасно.
Катушка Тесла. Устройство и виды. Работа и применение
По мнению специалистов, Тесла изобретал трансформатор для решения глобального вопроса передачи электрической энергии из одного пункта в другой без применения проводов. Для того чтобы получилась задуманная изобретателем передача энергии при помощи эфира, необходимо на двух удаленных точках иметь по одному мощному трансформатору, которые работали бы на одной частоте в резонансе.
Если проект реализовать, тогда не понадобятся гидроэлектростанции, мощные ЛЭП, наличие кабельных линий, что, конечно, противоречит монопольному владению электрической энергией разными компаниями. С проектом Николы Теслы каждый гражданин общества мог бесплатно воспользоваться электричеством в нужный момент в любом месте, где бы он ни находился. С точки зрения бизнеса эта система нерентабельна, так как она не окупится, ведь электричество становится бесплатным, именно по этой причине патент №645576 до сих пор ожидает своих инвесторов.
Никола Тесла и его идеи
Экскурс в историю
Изобретение трансформатора в 1896 году принадлежит именно тому самому Николе Тесла. Основная активность изобретателя пришлась на конец IX — начало XX века. Приоритетными направлениями, которыми он занимался, были физика и инженерия. Он опережал своё время на столетия, даже современные учёные поражаются тем высотам, которых смог достичь изобретатель. Тесла мог превратить ночь над Нью-Йорком в день, у людей от этого вставали волосы дыбом, а из-под лошадиных подков вылетали метровые искры.
Путь, который он выбрал для себя, был полон трудностей, связанных в основном с постоянным поиском инвесторов. Те, в свою очередь, не желали вкладывать в его «сумасшедшие» идеи деньги. Немногие, решившиеся на финансирование его изобретений, в итоге либо пытались присвоить себе право собственности на его изобретения, либо прекращали финансирование. Влиятельным промышленникам того времени, таким как Рокфеллер, не было на руку, чтобы электричество стало бесплатным.
Одним из последних проектов, который проводил Тесла, было строительство огромной башни «Уорденклифф». В основу этой работы легла ранее изобретённая им катушка. Основным назначением этого объекта была передача электричества через океан — на другой континент такой же башне. При этом обе башни должны были работать в одинаковом резонансе. Но этот эксперимент был обречён на крах. Финансирование проекта прекратилось и Тесла снова ударился в поиски денег для построения своих детищ.
Ученый умер в 1943 году на 87-м году жизни при загадочных обстоятельствах в одном из номеров Нью-йоркского отеля. В последний год жизни он сильно болел и практически не выходил из отеля.
Как работает катушка Теслы
Для лучшего понимания работы резонансного трансформатора специалисты рекомендуют посмотреть на его работу, так как простая схема катушки предназначается для создания стримера. Другими словами, происходит потеря энергии, которая переходит на конденсатор, если его подключить, а без него из конца высоковольтной обмотки вылетает фиолетового цвета искра (стример). Вокруг появившегося стримера возникает поле, в которое можно поместить люминесцентную лампу, и она будет светиться, не подключенная визуально ни к какому источнику электрической энергии.
Схема работы трансформатора Теслы
Когда не используется конденсатор, лампа светится ярче, некоторые специалисты устройство Теслы называют игрушкой с захватывающими визуальными эффектами. Всегда возникает желание сделать такой прибор самостоятельно, в нем реализовываются разные физические эффекты при помощи двух обмоток. На первичную обмотку подается переменное напряжение, она создает поток, при помощи которого энергия переходит на вторичную обмотку. По такому же принципу работает большинство трансформаторов.
Основные качественные характеристики КТ:
- частота во вторичном контуре;
- коэффициент передачи обеих обмоток;
- добротность.
Визуальные эффекты, появляющиеся при работе
Особенности работы и применения воздушных высоковольтных выключателей
Вырабатываемое во время работы очень высокое напряжения даёт возможность создания больших разрядов, похожих на молнии. Величина такого разряда измеряется несколькими сотнями киловольт, поэтому в принципе и появляются такие спецэффекты, на которые человек может смотреть часами. Сами по себе резонансные трансформаторы не нашли ни в быту, ни на производстве широкого практического применения, только лишь познавательное, а также эстетическое.
Среди газовых разрядов можно выделить следующие, эффектные и яркие виды:
- Коронные разряды. Конструкция выполнена в виде с сильно искривленной поверхности, вокруг которой возникает голубоватое свечение ионов воздуха.
- Стримеры. Протекают из терминала, а точнее, из самых острых его частей. Представляют собой неярко светящиеся разветвлённые каналы небольшой толщины, которые не уходят в землю. В принципе это обычная ионизация воздуха, создаваемая катушкой этого трансформатора.
- Спарки. Яркий искровой разряд, уходящий непосредственно в заземляющий контур или же предмет, представляющий собой пучок исчезающих в одно мгновение нитевидных полосок, которые сменяя друг друга.
- Дуговые разряды. Появляется при поднесении к терминалу заземлённого предмета появляется электрическая дуга.
Многие производители специально вносят химические вещества в среду разряда, что позволяет менять их цвет. Например, это могут быть ионы бора (зелёный цвет), или же натрия (оранжевый). Также для работы этого аппарата характерно специфическое потрескивание, оно рождаются от совокупности ударных волн, которые расширяют искровые каналы.
Принцип работы простыми словами
Принцип работы катушки Теслы лучше понять, если всю работу устройства сравнить с качелями — так можно подойти к объяснению накапливания энергии, когда человек, он же оператор, представляется первичной катушкой, а ход качели — электротоком в обмотке №2. Высота подъема есть разность потенциалов.
В этом примере оператор начинает раскачивать качели, иными словами, передавать энергию. За пару качков качели поднимаются высоко, это соответствует большой разности потенциалов, наступает момент переизбытка энергии, и в результате этого появляется фиолетовый стример.
Оператор должен раскачивать качели с определенным тактом, который задается частотой резонанса, иными словами, количеством колебаний в одну секунду. Траектория движения качелей имеет длину — это коэффициент связи. Когда раскачиваем качели на длину руки и быстро, он равняется единице. Катушка Теслы — это тот же трансформатор, имеющий повышенный коэффициент передачи.
Когда оператор раскачивает качели, не удерживая их рукой, это можно ассоциировать с малыми связями — чем дольше раскачивать, тем дальше они уходят. Для быстрого накопления энергии коэффициент связи должен быть большой, но на выходе уменьшается разность потенциалов.
Качественную характеристику добротности можно ассоциировать с трением качелей. Зависимость прямая: при большом трении добротность — незначительная величина. Наивысшее значение добротности будет в самой высокой точке раскачивания, когда появляется наиболее высокое значение стримера.
Влияние на организм человека
Как расшифровать маркировку трансформатора
Как и любой источник энергии, тем более такой огромной величины, трансформатор резонансный очень опасен, притом смертельно. Он может легко вызвать ожоги, которые плохо заживают. Однако, с точки зрения ожогов, устройства с искровым возбуждением менее опасны, но они имеют плохое воздействие на нервную систему, а в некоторых случаях даже могут привести к остановке сердца человека.
Учёными было определено, что женщины наиболее чувствительны к разрядам, поэтому они и дети, естественно, не должны приближаться к работающему резонансному устройству, генерирующему молнии.
Так что перед тем как купить в интернет магазине, или изготовить такое довольно опасное устройство дома, лучше позаботиться о своей безопасности и наблюдать данное яркое зрелище в музеях или специальных центрах (выставках) где проходят показы интересных и впечатляющих достижений электроники. Эксперименты с электрическим зарядом могут плохо кончиться.
Основные виды
Катушка Николы Теслы изначально имела одно исполнение — с разрядником, но со временем элементная база расширилась, появилось много видов реализации идеи великого изобретателя, и все они называются катушками его имени. Их представляют в аббревиатуре, в английской редакции.
Схема трансформатора Теслы с разрядником — это начальная конструкция, которая обладает незначительной мощностью, если используются два провода. Для большей мощности применяется вращающийся разрядник для мощного стримера.
Прибор Теслы, начальная конструкция
Катушка трансформатора Теслы, реализованного на радиолампе — это схема, работающая без сбоев, показывающая мощные стримеры, которые применяются для высоких частот.
Простейший вариант конструкции с радиолампой
Простые в управлении катушки, но по принципу работы такие же, как трансформатор Теслы, реализованы при помощи транзисторов. Есть много вариантов таких катушек:
Катушка Теслы на транзисторе
Сложные для настройки с применением полупроводниковых ключей две резонансные катушки, с небольшой длиной фиолетового стримера, по сравнению с разрядником, характеризуются плохой управляемостью:
Резонансная катушка
Для улучшения управляемости КТ были сделаны прерыватели, с их помощью тормозился процесс, и появлялось время на зарядку емкостных накопителей (конденсаторов). Таким решением удлиняется длина разряда.
Элементы в разных конструкциях
Специалисты для самостоятельного создания КТ сделали базу общих элементов, которые могут применяться в разных реализациях резонансного трансформатора:
- Тороид, имеющий три основных опции:
- снижение резонанса;
- накопление величины заряда: когда тороид большой, энергии больше;
- организовывается поле статического электричества, которое отталкивается от вторичной обмотки. Сама опция реализуется вторичной обмоткой, но тороид помогает ей в этом, поле отталкивает стример, не дает пробить ему по второй обмотке.
Применять тороид лучше в катушках с прерывателем, в которых происходит накачивание импульсивно. Рекомендуется соблюдение условия: значение диаметра тороида должно быть в два раза выше значения диаметра вторичной обмотки. Изготавливается тороид из гофры или аналогичных ей материалов.
Тороид на схеме:
Тороид
- Основная составляющая всей конструкции — вторичная катушка (обмотка), она должна быть в диаметре больше первичной в пять раз. Провод берется с таким сечением, чтобы вошло в обмотку не меньше 900–1000 витков, плотно намотанных, с лаковым покрытием.
- Из ПВХ-материала, который применяется в быту для сантехники, изготавливается каркас.
- Защитное кольцо, функциональное назначение которого — оградить первичную обмотку от попадания в нее стримера.
- Обмотка первичная, обычно ее изготавливают из конденсаторной, медной трубки, провод должен иметь большое сечение.
- Коэффициент связи влияет на расстояние между обмотками: чем дальше, тем меньше связь.
- Реализация заземления, для того чтобы стримеры били в него и замыкали ток. При плохом заземлении стример может бить в катушку.
Практическое применение трансформатор тесла
Величина напряжения на выходе трансформатора 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 практическое 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.
Трансформатор 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 на практике 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.
Новое в трансформаторах тесла
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.
схема трансформатора тесла на транзисторе
Схема трансформатора тесла выглядит невероятно просто и состоит из:
- первичной катушки, выполненной из провода сечением не менее 6 мм², около 5-7 витков;
- вторичной катушки, намотанной на диэлектрик, это провод диаметром до 0,3 мм, 700-1000 витков;
- разрядника;
- конденсатора;
- излучателя искрового свечения.
Главное отличие трансформатора Теслы от всех остальных приборов — в нем не применяются ферросплавы в качестве сердечника, а мощность прибора, независимо от мощности источника питания, ограничена только электрической прочностью воздуха. Суть и принцип действия прибора в создании колебательного контура, который может реализовываться несколькими методами:
- Генератор колебаний частоты, построенный на основе разрядника, искрового промежутка.
- Генератор колебания на лампах.
- На транзисторах.
Видео: Стоячие волны в Трансформаторе Тесла, резонанс, коэффициент трансформации
Видео: Трансформатор ТЕСЛА своими руками
Видео: Трансформатор Тесла
Пошаговое объяснение процесса сборки и запуска одного из самых мощных трансформаторов Тесла в России. Конструктор: Блотнер Борис
Как изготовить катушку самостоятельно
Для домашней реализации КТ может применяться любой вариант элементов, необходимо помнить об основном принципе ее работы:
- надо сделать первичную и вторичную обмотку;
- к первичной обмотке подается переменное напряжение;
- возникает магнитное поле, которое будет передавать электрическую энергию на вторичную обмотку;
- вторичная обмотка создает колебательный контур, в задачу которого входит накапливание энергии, которая будет храниться контуром некоторое время.
Рекомендации специалистов для реализации резонансного трансформатора средней мощности собственными руками:
- Для намотки вторичной обмотки понадобится:
- двухдюймовая труба;
- провод длиной 100 метров, с эмалированным покрытием;
- фитинг из ПВХ-материала двухдюймовый;
- болты и гайки, шайбы в ассортименте;
- медная трубка длиной в 3 метра.
- Чтобы изготовить конденсатор самостоятельно, нужны следующие детали:
- стеклянные бутылки, несколько штук;
- каменная соль;
- фольга;
- специальное масло.
- Порядок выполнения работ следующий:
- Наматываем вторичную обмотку, для этого один конец заготовленного провода крепим в верхней части двухдюймовой трубы, начинаем намотку, не допускаем пересечения провода. Намотка вторичной обмотки проводится плотно. Для фиксации катушки применяем малярный скотч, который мотается через 20 витков.
- Полученную обмотку плотно фиксируем скотчем и покрываем эмаль краской.
- Для облегчения намотки можно сделать простое приспособление, проволоку направлять через деревянный брусок:
Самодельная катушка Теслы
- Изготавливаем первичную обмотку. Для ее намотки делаем приспособление из металлического фланца, установленного в центр доски и закрепленного болтами с гайками. Медную трубу превращаем в спираль, разрезая ее таким образом, чтобы при ее растяжении образовался конус.
- Делаем разрядник, для этого понадобится два болта и деревянная коробка.
- Изготавливаем конденсаторы, для этого в подготовленную бутылку наливаем соленую воду, верх ее обматываем фольгой, через нее пропускаем в бутылку металлическую проволоку.
- Соединяем провода, как указано на схеме ниже, обязательно выполняем заземление.
На первичной обмотке получается по схеме 7 витков, на вторичной — 600.
Специалисты рекомендуют первичное испытание полученного аппарата сделать на улице, в итоге должно получиться искровое шоу из разрядов, длина которых должна быть от 10 до 15 сантиметров.
Схема для самостоятельной сборки
В данной схеме минимум элементов, что нисколько не облегчает нашу задачу. Ведь чтобы она работала необходимо её не только собрать, но и настроить. Начнем с МОТов.
Такой трансформатор есть в микроволновке. Представляет собой обычный силовой трансформатор с одной лишь разницей, что его сердечник работает в режиме, близком к насыщению.
Схема сборки самодельного трансформатора Тесла.
Это означает, что несмотря на малые размеры, он имеет мощность до 1,5 кВт. Однако, есть и отрицательные стороны у такого режима работы. Это и большой ток холостого хода, около 2-4 А, и сильный нагрев даже без нагрузки, про нагрев с нагрузкой я молчу. Обычное выходное напряжение у МОТа — 2000-2200 вольт при силе тока 500-850 мА.
МОТы на трансформатор теслу.
У всех МОТов «первичка» намотана внизу, «вторичка» сверху. Делается это для хорошей изоляции обмоток.
На «вторичке», а иногда и на «первичке» намотана накальная обмотка магнетрона, около 3,6 вольт.
Причём между обмотками можно заметить две металлические перемычки. Это — магнитные шунты.
Основное их назначение — замкнуть на себя часть создаваемого «первичкой» магнитного потока.
Таким образом ограничить магнитный поток через «вторичку» и её выходной ток на некотором уровне.
Внимание! Дилетантов просим отказаться от этой работы! Опасно, высокое напряжение, смертельно для жизни! Напряжение хотя и мало по сравнению со строчником, но сила тока, в сто раз большая, чем безопасный предел 10мА сведет шансы остаться в живых практически к нулю.
КАПы подразумеваются высоковольтные керамические конденсаторы (серий К15У1, К15У2, ТГК, КТК, К15-11, К15-14 —для установок высокой частоты!).
Фильтр от ВЧ для самодельной теслы.
Фильтр от ВЧ: соответственно две катушки, выпоняющие функцию фильтров от напряжения высокой частоты.
В каждой 140 витков медного лакированного провода 0.5 мм в диаметре.
Искровик, который нужен для коммутации питания и возбуждения колебаний в контуре.
Если в схеме не будет искровика, то питание будет, а колебаний нет. А еще блок питания начинает сифонить через первичку — а это короткое замыкание!
Искровик для самодельного трансформатора Тесла.
Пока искровик не замкнут — капы заряжаются. Как только замыкается — начинаются колебания. Поэтому ставят балласт в виде дроселей — когда искровик замкнут дросель мешает течь току от блока питания заряжается сам, а потом, когда разрядник разомкнется, заряжает капы с удвоенной злостью.
Наконец-то очередь дошла и до самого трансформатора Теслы: первичная обмотка состоит из 7-9 витков провода очень большого сечения.
Впрочем, подойдёт сантехническая медная трубка. Вторичная обмотка содержит от 400 до 800 витков, тут нужно подстраиваться.
Готовая катушка трансформатора Тесла своими руками.
На первичную обмотку подаётся питание. У вторички один вывод надёжно заземлён, второй присоединён к ТОРУ (излучатель молний) .
Тор можно изготовить из вентиляционной гофры. На этом все. Помните о безопасности и желаем удачи в самостоятельной сборке.
Вывод
Изготовить трансформатор Теслы своими руками, применяя навыки электротехники, не так сложно, но рекомендуется делать предварительный расчет, так как может получиться большое устройство, и искры будут значительно нагревать пространство, а также создавать звук громового разряда. Надо учитывать и влияние создаваемого поля на рядом находящиеся электрические устройства.
Рекомендуется сделать простой расчет дуги, ее длины и мощности. Для этого берем расстояние между электродами (сантиметры) и делим его на коэффициент 4,25, затем полученное значение возводим в квадрат — это и будет мощностью дуги. Расстояние определяем следующим образом: берем полученную мощность и извлекаем из нее корень квадратный, затем умножаем на коэффициент 4,25. Длина дуги разряда в 150 сантиметров будет иметь мощность 1246 ватт. Обмотка мощностью в 1000 ватт дает длину разряда в 137 сантиметров.
Как мы для музея науки сделали катушку Тесла
Экология потребления.Наука и техника:описание конструкции мощной катушки Тесла, но и немного о мужской любви к науке, энтузиастах и о том, как рождаются и реализовываются социальные проекты.
В 2016 году мне предложили принять участие в проекте по созданию мощной катушки Тесла для музея науки в родном городе. Отказаться означало бы предать свои идеалы и собственных детей, которые обожают научные опыты. Далее не только описание конструкции получившегося прибора, но и немного о мужской любви к науке, энтузиастах и о том, как рождаются и реализовываются социальные проекты.
Предыстория
Это история о людях. Кто не любит истории о людях, может спокойно пропустить этот раздел.
Вначале немного о себе. Меня зовут Артем. Сейчас я работаю конструктором в одной частной фирме, но по образованию — физик, а методика преподавания физики детям является моим увлечениям. Четыре года назад я был полностью погружен наукой, работал в “Лаборатории методики преподавания физики” родного университета, проводил курсы повышения квалификации для учителей всей области, был соведущим кружка “Юных физиков” для детей от 5 лет, а также работал учителем физики и развивал авторский сайт.
Именно тогда в Украине впервые начали проводиться Научные пикники. Это прекрасное мероприятие по популяризации науки, когда университеты, лаборатории, исследовательские центры выходят на площадь вместе с физическими экспонатами, жидким азотом, скелетами и манекенами, микроскопами, телескопами, редкими насекомыми и летучими мышами. В общем, каждый выставляет то, чем занимается и что будет интересно для остальных. Разумеется, в Научном пикнике приняли активное участие и лаборатория, и школа, и кружок, где я работал.
Там я познакомился с одним из организаторов пикника — Сергеем. Этот парень мечтал о музее науки для нашего города и убеждал меня, что если не опускать руки и быть активным, то все обязательно получится.
Так оно и случилось, Научный пикник имел ошеломительный успех, на основании такого положительного результата университет решил дать зеленый свет команде Сергея и щедро выделил под музей некоторые помещения внушительной площади.
Это было, наверное, самое романтичное время. Почти без финансирования попытка сделать из разрушенных помещений музей науки за месяц-два выглядело безумием. Но Сергей не унывал, он носился, как метеорит, латая дыры в полу, завешивал стены без ремонта тканью, изготавливал перегородки и подставки для будущих экспонатов. Сергей проявил поразительную целеустремленность и волю, а также замечательные организационные способности. Наша лаборатория, как и многие другие, помогала проекту демонстрационными приборами и идеями бюджетных, но увлекательных экспонатов.
Музей благополучно открылся, а я уехал с женой и детьми в Черногорию. Там я тоже организовал кружок по астрономии и физике, но основным местом работы уже стал конструкторский отдел.
В прошлом году я вернулся в Украину. Сергей сделал мне экскурсии по обновленному музею. За два года музей сделал ремонт, в несколько раз увеличил экспонатную базу и значительно разросся по занимаемой площади. Было невероятно приятно обнаружить работающим один из демонстрационных приборов — “оптический стол”, который своими руками собирал еще на рассвете проекта.
Сергей рассказал о желании раздобыть для музея “катушку Тесла”, он не только нашел продавца, но договорился с одной замечательной компанией “Х” о спонсировании проекта и даже успел получить деньги. Однако, непосредственно перед продажей, продавец решил увеличить цену в два раза. Разумеется, общение на этом было завершено. А Сергей оказался в незавидном положении.
Спустя некоторое время Сергей позвонил мне и сообщил, что нашел какого-то паренька, который уже собрал несколько небольших катушек Тесла, и готов попробовать собрать катушку покрупнее. Но ему нужна помощь с механикой. Ненавязчиво мне предложили присоединиться к проекту без права отказаться.
Предстояла встреча с этим “тесластроителем”, которого, кстати, тоже звали Сергеем. Вполне очевидно, что он был каким-то фриком, у которого мания к катушкам Тесла, а идея фикс — большая Катушка. Но как только мы начали обсуждать проект, пошли нестыковки с представляемым (мне кажется тут нужно вставить “мною”) образом. Собеседник начал последовательно излагать конструкцию прибора, не повторялся, не говорил ничего лишнего. Все физические термины употреблялись правильно, а физическим явлениям давалась верная трактовка. На все вопросы звучали внятные и логически обоснованные ответы. Оказалось, что я общаюсь адекватным преподавателем известного технического вуза, который действительно увлекается катушками Тесла.
Сергей оказался обладателем такого ценного качества, как скрупулезность. За что сразу завоевал глубокое уважение. Он долго и тщательно подготавливал свое рабочее место, подбирал заранее инструмент и обустраивался, все контакты он всегда, абсолютно всегда, тщательно лудил. Если в спешке выполнить не качественное соединение, то Сергей промолчит, а потом тихонько возьмет и исправит. Может показаться, что такая щепетильность излишняя, но на самом деле она экономит огромное количество времени. Ведь за весь период работы мы ни разу не столкнулись с ошибкой неправильной сборки. Чтобы не путаться среди Сергеев, далее будем называть его Сергеем А., а первого — Сергеем В.
Что такое катушка Тесла?
Я попросил Сергея А. (автора катушки) собственнолично рассказать о катушке. Весь текст в этом разделе принадлежит ему:
В конце 19-го и начале 20-го веков Никола Тесла проводил эксперименты с высоковольтными высокочастотными резонансными трансформаторами без ферромагнитного сердечника (воздушный трансформатор). Этот вид трансформаторов впоследствии был назван трансформатором Теслы или катушкой Тесла.
В настоящее время трансформатор Тесла является скорее игрушкой для тех, кто увлекается DIY и желает заиметь в своей коллекции что-нибудь эдакое, чем устройством, имеющим определенную сферу применения. Нечасто в одной несложной конструкции может сочетаться столько физических явлений. К тому же не найдется такого человека, которого катушка Тесла не сможет удивить видом своих электрических разрядов.
Зачем нужны катушки Тесла? В первую очередь, для образовательных целей. Ведь здесь затрагивается множество тем:
- в статике – изучение теории, знакомство с электрическими компонентами, чтение схем, научиться пользоваться мультиметром и использовать симуляторы электрических схем, наконец, понять различие между индуктивностью и емкостью;
- в динамике – электрические колебания, резонанс напряжений, передача энергии, ионизация, природа плазмы, свойства электромагнитного излучения, воздействие тока на живого человека.
Первый резонансный трансформатор был построен Николой Тесла в 1891 году и, по сути, являлся беспроводным телеграфом. Принцип работы прямолинеен: необходимо зарядить высоким напряжением большой конденсатор, а затем разрядить его через катушку индуктивности, роль которой выполняет первичная обмотка трансформатора, при этом необходимо замкнуть энергию в образовавшемся колебательном контуре.
Вследствие резонанса напряжений в первичном контуре амплитуда колебаний возрастет, при этом часть энергии будет передана вторичной обмотке трансформатора (что характеризуется коэффициентом связи между обмотками), последняя вместе с металлический тороидом также образуют колебательный контур.
Дальше процесс может быть описан аналогично раскачиванию качели: если толкать качели в нужный момент, то скоро они начнут подлетать очень высоко, это и будет напряжением на выходе из катушки Тесла. Когда напряжение становится настолько высоким, что воздух для него перестает быть диэлектриком, вся накопленная энергия образует электрический разряд, или стример.
На протяжении многих лет в конструкцию трансформаторов Теслы вносились изменения, благодаря чему на сегодняшний день существует несколько топологий устройства, обладающих схожим принципом работы, при этом различающиеся на компонентном уровне.
SGTC (Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор Тесла на разряднике. Является классическим исполнением, применяемым самим Николой Тесла. В качестве ключевого элемента используется два контакта произвольной формы, между которыми возникает электрический разряд. Конструктивно состоит всего из 6 элементов и работает часто с первого раза. Правда, в маломощных исполнениях ждать красивых разрядов не приходиться, но позажигать лампочки на расстоянии или полюбоваться коронарным свечением — пожалуйста.
Производной этой топологии является вид ARSGTC (Asynchronous Rotary Spark Gap Tesla Coil), где в качестве коммутирующего ключа применяется вращающийся электродвигатель, замыкающий контакты и быстро рвущий образовавшуюся электрическую дугу, что позволяет получить наибольшую длину разрядов при относительно небольшой входной мощности. Данный тип и был нами взять для повторения.
VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор Тесла на радиолампах. Требует работы с высокими анодными напряжениями и не рекомендуется для новичков.
SSTC (Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла, в котором в качестве ключей используются полупроводниковые компоненты. Наиболее распространено применение транзисторов MOSFET или IGBT (не путать с LGBT). Благодаря использованию современной компонентной базы катушками этого типа можно легко управлять, модулируя частоту молний внешним источником сигнала, например музыкой.
DRSSTC (Dual Resonant SSTC) – катушки Тесла с двойным резонансным контуром. Топология значительно сложнее в изготовлении, чем ее предшественница, но это компенсируется улучшенным соотношением длины разряда к длине вторичной обмотки.
QCWDRSSTC (Quasi-Continuous-Wave DRSSTC) – вариант катушек Тесла с двойным резонансным контуром, но способной производить характерные только для этой топологии длинные прямые молнии, иногда в 10 раз превышающие длину вторичной обмотки.
А еще существуют биполярные катушки Тесла, но об этом в другой раз.
Как видите, катушки Тесла бывают на любой «вкус и цвет», и любой желающий может выбрать себе такую, какую захочет. За последние годы рынок постарался удовлетворить возросший спрос радиолюбителей и экспериментаторов на трансформаторы Теслы, и теперь даже на AliExpress есть наборы, из которых в домашних условиях можно собрать рабочее устройство.
Не в качестве рекламы, но стоит упомянуть группу энтузиастов, которые в начале 2013 года запустили компанию на Кикстартере (что в свое время освещалось) и, успешно собрав необходимую сумму, до настоящего времени продолжают работу над проектом, имеющим название OneTesla. Что его качественно отличает от других проектов — так это открытая документация и схемы, где желающий может, следуя инструкциям, собрать в домашних условиях музыкальную катушку по топологии DRSSTC. Руководствуясь именно инструкциями с сайта OneTesla, я и собрал себе первую рабочую катушку.
Напоследок хочу заметить, что сделать рабочую катушку Тесла очень просто, но сделать такую, чтобы ее не стыдно было показать, все же очень и дорого и трудоемко.
Наш выбор «Old school»
Для любителей циферок — краткое техническое описание нашего экспоната от Сергея А.
Для работы катушки Тесла нужен высоковольтный источник питания, и чтобы сэкономить время на намотку собственного трансформатора, было принято решение воспользоваться готовым. Таким образом в схеме питания задействовано 4 трансформатора от микроволновых печей в последовательном подключении со средней точкой, преобразующие сетевые 220 вольт в напряжение 8600 вольт.
Для обеспечения их охлаждения и во избежание межвитковых пробоев все 4 трансформатора были погружены в синтетическое моторное масло.
В качестве рабочей емкости использовалась батарея из 5 веток по 9 последовательно соединенных конденсаторов (MMC), то есть 45 конденсаторов емкостью 0,1 мкФ и напряжением 2 кВ дали емкость 55 нФ с напряжением 18 кВ. А также использовались коммутирующие провода калибра 8 AWG, медная трубка диаметром 6,35 мм в качестве первичной обмотки с 6 ½ витками. 1000 витков медной проволоки сечением 0,5 мм на вентиляционной трубе диаметром 10 см образует вторичную катушку с длиной намотки 56 см. Тороид выполнен из алюминиевой вентиляционной трубы диаметром 11 см.
Расчетная резонансная частота первичного контура, а затем подтвержденная с помощью генератора импульсов и частотомера, составила 220 кГц. Резонансная частота вторичного контура по расчету и измерениям составляет около 250 кГц, но в момент возникновения стримера, благодаря электрической емкости самого разряда, частота колебаний снижается, и происходит попадание в резонанс между первичным и вторичным контурами, что приводит к увеличению длины молний.
А теперь, о механической составляющей
Имеющийся бюджет не позволял сильно разгуляться. Количество фрезерных и токарных работ пришлось свести к минимуму. Все неответственные детали изготавливались нами собственноручно.
Диск разрывателя был выполнен из текстолита толщиной 8 мм. На диске находится 6 контактов, которые замыкают разрядник. Диск находится на оси двухполюсного асинхронного двигателя мощностью 0,37 кВт. Частота вращения двигателя составляет 2800 об./мин. Учитывая, что за один оборот происходит 6 замыканий, мы получаем 280 замыканий в секунду.
В интернете можно найти работы настоящих маньяков, которые ставят диск разрядника на вал угловой шлифовальной машины:
Подобные решения подкупают своей простотой, но совсем не совместимы с таким понятием, как техника безопасности. Шлифовальная машинка ненадежно крепится к основанию при помощи хомута вокруг ручки. Электроды на диске сильно перегреваются, так как имеют маленькие время и площадь охлаждения. Диск вращается с частотой 4000-6000 об./мин! Это хрупкое равновесие легко нарушить, и тогда раскаленные электроды, как шрапнель, разлетятся в произвольных направлениях. Прошу вас, пользуйтесь угловой шлифовальной машиной только по назначению!
Первичная катушка изготавливалась в форме спирали из медной трубки диаметром ¼”, по этим трубам обычно циркулирует фреон между блоками кондиционера. Геометрия катушки очень важна, от нее зависит индуктивность, а как следствие — и частота колебательного контура. Чтобы форма строго соответствовала расчетной, были разработано незамысловатое крепление из четырех опор. Опоры были изготовлены из листового ПВХ при помощи ЧПУ фрезеровки.
Хороший экспонат — безопасный экспонат
Разумеется, катушка Тесла является опасным устройством, правильнее даже сказать смертельно опасным. Рассмотрим все факторы по мере их важности.
- Если вы подумали, что надо бояться двухметровых молний, которые летят во всех направлениях, то знайте, это только цветочки. Настоящую опасность представляет первичная обмотка, такая невзрачная спиралька, которая находится под напряжением 8600 В и готова поделится своим током с силой в сотни миллиампер. Нечаянно прикоснутся к ней — верный путь на небо. Молнии тоже могут нанести существенный вред человеку, но их опасность уже на порядок меньше.
- Стоит также упомянуть, что в процессе работы катушка Тесла генерируется мощное электромагнитное поле. Это поле способно на расстоянии до нескольких метров зажигать газоразрядные лампы, а также в радиусе более десяти метров выводить из строя чувствительные к помехам электроприборы. Таким образом, даже на значительных расстояниях прибор несет реальную угрозу людям с кардиостимуляторами.
- Кроме того, в процессе работы выделяется огромное количество озона, в Википедии написано, что озон — высокотоксичный газ, обладающий окислительными свойствами, который может привести к преждевременной смерти. Хорошая новость заключается в том, что озон эффективно убивает плесень и бактерии.
- Не стоит также забывать, что молнии светят не только видимым светом, но и ультрафиолетом, который не особо полезен для глаз.
- Также необходимо учесть, что установка генерирует шум (порядка 100 Дб на расстоянии 3 метров). Шум вызывает дискомфорт, а также может испугать ребенка.
Перед нами стояла непростая задача — превратить смертельно опасную установку в безопасный и увлекательный экспонат для детей. Было определены следующие средства защиты.
- Работа экспоната — только в присутствии человека, ознакомленного с ТБ (ведущего).
- Множественные автоматы, размыкатели и магнитный пускатель. Чтобы на катушку было подано напряжение, должно быть выполнено ряд условий, в частности, подан сигнал из щитка, ключ к которому имеет только ведущий. А вот обесточить установку может даже посетитель. Кроме того, установка отключается сама по реле времени через 40 с.
- Установку поместили в клетку Фарадея. Клетка имеет собственное заземление и закрывается на замок. Данное средство защищает от молний, экранирует электромагнитное поле, а также выполняет функции надежного ограждения.
- Перегородка из закаленного стекла толщиной 10 мм. Стекло поглощает ультрафиолет, а также, в комплексе с принудительной вытяжкой, предотвращает попаданию озона в зал с посетителями.
- Стекло выступает в качестве звукоизоляционной перегородки, оно значительно (-10 Дб) снижает уровень звукового давления. Тем не менее, для маленьких посетителей были дополнительно заказаны шумоподавляющие наушники.
Хочу заметить, что Сергей А. по-своему трактовал назначение клетки Фарадея и стеклянной перегородки:
Как мы попали в UMBRELLA INC
При включении катушки должна выполняться определенная последовательность. Вначале должен включиться и выйти на рабочий режим электродвигатель, и только после этого может подаваться питание на первичную обмотку. Мы нуждались в блоке управления, который бы обеспечил простой запуск установки, а также выполнял бы ряд других алгоритмов. Собирать устройство “на коленке” даже не рассматривали. Сформулировали ТЗ и обратились за помощью в одно конструкторское бюро “Y”. Наш заказ для них был мелким и совсем не интересным, но, учитывая социальную направленность проекта и малый объем работ, они согласились выполнить его безвозмездно. Мы оплатили только компоненты и изготовление плат на заводе.
Когда работа была завершена, электронщик, мило улыбаясь, протянул мне коробочки с платами. Вместо логотипа фирмы мы нашли скромную надпись “UMBRELLA”. Фирма отказалась от пиара, а электронщик от нашей благодарности.
Пуск и наладка
Все шло по плану. Все детали были изготовлены и становились на предназначенные им места без сюрпризов. Ну почти без сюрпризов. Дело в том, что у нас было желание регулировать частоту прерываний на разрядники. С этой целью для электродвигателя был приобретен частотник национального производства. Этот самый частотник отобрал у нас несколько дней работы, мы были втянуты в смешную, грустную и поучительную историю одновременно. Мораль сводилась к тому, что лучше не использовать частотные регуляторы национального производства. Если будут запросы в комментариях, частотнику будет посвящен отдельный пост с обзором и фотографиями вскрытия.
После отказа от частотного регулирования, установка заработала при первом же пуске. Теоретические расчеты Сергея полностью себя оправдали. Мы обрезали пол лишних витка первичной катушки и попали в резонанс. Все узлы работали штатно.
Когда ремонт помещения был завершен, у нас оставалось лишь две недели, чтобы установить катушку Тесла, выполнить все подключения и протестировать систему на надежность. Это был маленький срок, учитывая, что двое из трех членов команды имели постоянное место работы за пределами музея науки, а выполнять какие-либо операции в одиночку было нельзя.
Мы перенесли оборудование, выполнили все подключения, все перепроверили, подали питание на платы управление, включили все автоматы, торжественно нажали на кнопку и…
…и ничего не произошло. Вообще ничего. При поиске неисправностей обнаружили, что одна из фаз имеет напряжение 60 В вместо 220 В! К счастью, мы имели доступ ко всем трем фазам и смогли быстро переподключиться. Для нас вопрос решился быстро, а вот в здании, где располагается музей науки, треть оборудования не работала больше недели.
Настоящие трудности поджидали нас в блоке управления катушкой Тесла. Несмотря на то, что все входы и выходы к блоку были гальванически развязаны, а питание к разряднику подавалось по отдельной фазе, как только в разряднике проскакивала первая искра, блок управления сходил с ума. Он или сразу выключал катушку, или не выключал ее вообще, или выключал двигатель. Корень зла крылся в высокочастотных помехах, которые шли от катушки по проводам обратно в сеть. Импульсы были настолько сильны, что индуцировали помехи во всех соседних проводах. В предыдущих тестах мы раскладывали провода так, что они шли на удалении одни от других. Здесь же, согласно проекту дизайнеров, они шли по общим трубам. Нам пришлось внести изменения в проект. Мы вынесли плату управления из общего щита в отдельный заземленный шкаф. Но это ничего не изменило. Вот тут и начались танцы с бубном.
В поисках решений мы перепробовали все, даже прибегали к таким гомеопатическим средствам, как установка ферритовых колец и супрессоров. Время шло, а напряженность возрастала.
Периодически я брал своего старшего шестилетнего сына с собой. Пока мы работали, он весело проводил время в музее. Часто я не приходил, и большую часть работы ребята делали сами. Все с пониманием относились к моему семейному статусу.
В определенный момент к нам присоединился еще один энтузиаст, которого также звали Сергей. Этот парень оказался студентом университета, но весьма толковым. Появление третьего Сергея неожиданно положительным образом сказалось на эффективности нашей компании. С его участием мы установили основную причину неисправности. Слабым звеном оказался вход от кнопки пуска, единственной кнопки, которую должен нажимать посетитель. Мы еще раз изменили проект и провели кабель от кнопки к блоку управления в отдельной трубе. Дополнительно мы перепаяли несколько компонентов на плате. Изменили номиналы подтягивающих резисторов, а также одного резистора из блока подавления дребезга контакта. Эта мера сработала, и проблему мы устранили. Со спокойной душой мы встретили Новый Год вместе у меня дома.
Результат
Открытие экспоната произошло 4 января, с тех пор он штатно работает и развлекает посетителей. В СМИ появились пафосные заголовки: «Ученые восстановили катушку самого Никола Тесла», «Заработала самая большая катушка Тесла в Европе», «В центре Х появилась комната высоких энергий», “Ученые изобрели лекарство от рака” и т. д. Как конструктор, я не испытываю особой гордости по проекту, думаю, что для многих из читателей понятно, что с инженерной точки зрения это довольно простое устройство, выполненное к тому же с некоторыми огрехами.