КОТУШКА ТЕСЛА: ІСТОРІЯ, ЯК ВОНА ПРАЦЮЄ, ДЛЯ ЧОГО ВОНА ПОТРІБНА - ФІЗИЧНІ - 2025

Котушки Тесла є обмотка , яка функціонує як висока напруга, високочастотний генератор. Його винайшов фізик Нікола Тесла (1856 - 1943), який запатентував її в 1891 році.

Магнітна індукція змусила Тесла задуматися про можливість передачі електричної енергії без втручання провідників. Тому ідеєю вченого та винахідника було створити пристрій, який би слугував для передачі електроенергії без використання кабелів. Однак використання цієї машини є дуже неефективним, тому в кінцевому підсумку від цього незабаром відмовилися.

Малюнок 1. Демонстрація котушкою Тесла. Джерело: Pixabay.

Незважаючи на це, котушки Tesla все ще можна знайти з деякими конкретними сферами застосування, наприклад, в пілонах або в експериментах з фізики.

Історія

Котушка була створена Теслою незабаром після появи на світ експериментів Герца. Сам Тесла назвав це "апаратом для передачі електричної енергії". Тесла хотів довести, що електрику можна передавати без проводів.

У своїй лабораторії Колорадо-Спрингз Тесла мав у своєму розпорядженні величезну 16-метрову котушку, прикріплену до антени. Пристрій було використано для проведення експериментів з передачею енергії.

Експериментуйте з котушками Tesla.

Одного разу сталася аварія, спричинена цією котушкою, в якій згоріли динамо від електростанції, розташованої в 10 кілометрах. В результаті відмови навколо обмоток динамових виробів були вироблені електричні дуги.

Ніщо з цього не відштовхувало Тесла, який продовжував експериментувати з численними конструкціями котушок, які зараз відомі його іменем.

Як це працює?

Знаменита котушка Tesla - одна з багатьох конструкцій, які виготовив Нікола Тесла для того, щоб передавати електроенергію без проводів. Оригінальні версії мали великі розміри та використовували джерела високої напруги та високого струму.

Природно, сьогодні існує набагато менші, компактні та саморобні конструкції, які ми розповімо та пояснимо в наступному розділі.

Малюнок 2. Схема основної котушки Тесла. Джерело: саморобний.

Конструкція, заснована на оригінальних версіях котушки Tesla, є такою, як показано на малюнку вище. Електричну схему на попередньому малюнку можна розділити на три розділи.

Джерело (F)

Джерело складається з генератора змінного струму і трансформатора високого посилення. Вихідний вихідний сигнал, як правило, становить від 10 000 В до 30 000 В.

Перший резонансний контур LC 1

Він складається з перемикача S, відомого як "Іскровий зазор" або "Експлозор", який закриває ланцюг, коли іскра скаче між його кінцями. Схема 1 LC також має конденсатор C1 і котушку L1, з'єднані послідовно.

Другий резонансний контур LC 2

Схема 2 LC складається з котушки L2, що має коефіцієнт повороту приблизно 100 до 1 відносно котушки L1 та конденсатора С2. Конденсатор C2 підключається до котушки L2 через землю.

Котушка L2 - це зазвичай дротяна намотка з ізолюючою емаллю на трубі з непровідного матеріалу, такого як кераміка, скло або пластик. Котушка L1, хоча на діаграмі не показана так, намотана на котушку L2.

Конденсатор С2, як і всі конденсатори, складається з двох металевих пластин. У котушках Тесла одна з пластин С2 зазвичай має форму сферичного або тороїдального купола і послідовно з'єднана з котушкою L2.

Інша плата С2 - це довколишнє середовище, наприклад металевий постамент, закінчений у сфері і з'єднаний із землею, щоб закрити ланцюг з іншим кінцем L2, також з'єднаним із землею.

Механізм дії

Коли котушка Тесла включена, джерело високої напруги заряджає конденсатор С1. Коли це досягає досить високої напруги, він робить іскровий стрибок у перемикачі S (іскровий зазор або вибуховик), закриваючи резонансний контур I.

Потім конденсатор С1 розряджається через котушку L1, генеруючи змінне магнітне поле. Це змінне магнітне поле також проходить через котушку L2 і індукує електрорушійну силу на котушку L2.

Оскільки L2 приблизно на 100 витків довше, ніж L1, електрична напруга в L2 в 100 разів більша, ніж у L1. А оскільки в L1 напруга порядку 10000 вольт, то в L2 це буде 1 мільйон вольт.

Магнітна енергія, накопичена в L2, передається як електрична енергія в конденсатор С2, який при досягненні максимальних значень напруги порядку мільйона вольт іонізує повітря, виробляє іскру і розряджається різко через землю. Розряди відбуваються від 100 до 150 разів за секунду.

Схема LC1 називається резонансною, оскільки накопичена енергія в конденсаторі С1 переходить на котушку L1 і навпаки; тобто відбувається коливання.

Те саме відбувається в резонансному контурі LC2, в якому магнітна енергія котушки L2 передається як електрична енергія в конденсатор С2 і навпаки. Тобто в ланцюзі поперемінний струм виробляється поперемінним струмом.

Природна частота коливань в ланцюзі LC є

Резонанс та взаємна індукція

Коли енергія, що надходить до ланцюгів ЖК, відбувається з тією ж частотою, що і природна частота коливань ланцюга, тоді передача енергії є оптимальною, виробляючи максимальне посилення струму ланцюга. Це явище, характерне для всіх коливальних систем, відоме як резонанс.

Схеми LC1 і LC2 пов'язані магнітно, ще одне явище, яке називається взаємною індукцією.

Щоб передача енергії від ланцюга LC1 до LC2 була, і навпаки, оптимальною, частоти природних коливань обох контурів повинні відповідати, і вони також повинні відповідати частоті джерела високої напруги.

Це досягається шляхом регулювання значень ємності та індуктивності в обох контурах, щоб частоти коливань збігалися з вихідною частотою:

Коли це відбувається, живлення від джерела ефективно передається в ланцюг LC1 і від LC1 до LC2. У кожному циклі коливань електрична та магнітна енергія, накопичена в кожному контурі, збільшується.

Коли електрична напруга на С2 досить висока, то енергія виділяється у вигляді блискавки, скидаючи С2 на землю.

Використовується котушка Tesla

Первісна ідея Тесла в своїх експериментах з цими котушками завжди полягала в пошуку способу передачі електричної енергії на великі відстані без проводки.

Однак низька ефективність цього методу через втрати енергії при розсіюванні навколишнього середовища змусила шукати інші засоби передачі електричної енергії. Сьогодні все ще використовується електропроводка.

Плазмова лампа, яка допомогла розробити експеримент Тесли.

Однак багато оригінальних ідей Нікола Тесла все ще присутні в сучасних провідних системах передачі. Наприклад, розширювальні трансформатори на електричних підстанціях для передачі по кабелях із меншими втратами та понижувальні трансформатори для розподілу в будинках були розроблені Tesla.

Незважаючи на широке використання, котушки Tesla продовжують бути корисними у високовольтній електричній промисловості для випробування ізоляційних систем, веж та інших електричних пристроїв, які повинні безпечно функціонувати. Вони також використовуються в різних шоу, щоб генерувати блискавки та іскри, а також у деяких експериментах з фізики.

Важливо вжити заходів безпеки в експериментах високої напруги з великими котушками Tesla. Прикладом є використання кліток Фарадея для захисту спостерігачів та металевих сітчастих костюмів для виконавців, які беруть участь у шоу з цими барабанами.

Як зробити саморобну котушку Tesla?

Компоненти

У цій мініатюрній версії котушки Tesla жодне джерело змінного струму не використовуватиметься. Навпаки, джерелом живлення буде 9 В акумулятор, як показано на схемі на рисунку 3.

Малюнок 3. Схематична побудова міні-котушки Тесла. Джерело: саморобний.

Інша відмінність від оригінальної версії Tesla - використання транзистора. У нашому випадку це буде 2222A, який є низькосигнальним транзистором NPN, але з швидкою реакцією або високою частотою.

Схема також має вимикач S, первинну котушку L1 з 3 витками та вторинну котушку L2 275 витків мінімум, але вона також може бути між 300 і 400 витками.

Первинну котушку можна побудувати за допомогою звичайного дроту з пластиковою ізоляцією, але для вторинної котушки потрібен тонкий дріт, покритий ізоляційним лаком, який зазвичай використовується в обмотках. Обмотку можна зробити на картонній або пластиковій трубі, діаметром від 3 до 4 см.

Використання транзистора

Слід пам’ятати, що за часів Нікола Тесла не було транзисторів. У цьому випадку транзистор замінює «іскровий проміжок» або «вибух» оригінальної версії. Транзистор буде використовуватися як затвор, який дозволяє чи ні пропускати струм. Для цього транзистор поляризований так: колектор c до позитивного терміналу і випромінювач e до негативного клему акумулятора.

Коли основа b має позитивну поляризацію, то вона дозволяє пропускати струм від колектора до випромінювача, інакше це перешкоджає цьому.

У нашій схемі база підключена до позитиву акумулятора, але вставляється 22-кілометровий резистор, щоб обмежити надлишковий струм, який може спалити транзистор.

На схемі також показаний світлодіод, який може бути червоного кольору. Його функція буде пояснена пізніше.

На вільному кінці вторинної котушки L2 розміщується невеликий металевий куля, який можна зробити, покривши полістирольним кулькою або кулькою для шпильки понг алюмінієвою фольгою.

Ця сфера є пластиною конденсатора С, інша пластинка - середовищем. Це те, що відоме як паразитична здатність.

Як працює котушка Mini Tesla

Коли перемикач S закритий, основа транзистора позитивно зміщена, а верхній кінець первинної котушки також позитивно зміщений. Так різко з’являється струм, який проходить через первинну котушку, продовжується через колектор, залишає випромінювач і повертається до акумулятора.

Цей струм зростає від нуля до максимального значення за дуже короткий час, саме тому він індукує електрорушійну силу у вторинній котушці. Це виробляє струм, який йде від дна котушки L2 до основи транзистора. Цей струм різко припиняє позитивну поляризацію основи, так що струм струму через первинні зупиняється.

У деяких версіях світлодіодний діод виймається і схема працює. Однак його розміщення підвищує ефективність у розрізанні зміщення основи транзистора.

Що відбувається, коли струм циркулює?

Під час циклу швидкого зростання струму в первинному контурі в вторинній котушці була індукована електрорушійна сила. Оскільки співвідношення витків між первинним і вторинним становить 3 до 275, вільний кінець котушки L2 має напругу 825 В по відношенню до землі.

У зв'язку з вищевикладеним у сфері конденсатора С створюється інтенсивне електричне поле, здатне іонізувати газ при низькому тиску в неоновій трубці або люмінесцентній лампі, що наближається до сфери С і прискорює вільні електрони всередині трубки. як збуджувати атоми, які виробляють випромінювання світла.

Коли струм різко припинився через котушку L1 і котушку L2, що скидається через повітря, що оточує С до землі, цикл відновлюється.

Важливим моментом цього типу ланцюгів є те, що все відбувається за дуже короткий час, щоб у вас був осцилятор високої частоти. У цьому типі ланцюга тремтіння або швидке коливання, що виникає через транзистор, важливіше, ніж явище резонансу, описане в попередньому розділі і посилається на оригінальну версію котушки Тесла.

Запропоновані експерименти з міні-котушками Tesla

Після того як міні-котушка Tesla побудована, можна з нею експериментувати. Очевидно, що блискавки та іскри оригінальних версій не виробляться.

Однак за допомогою флуоресцентної лампочки або неонової трубки ми можемо спостерігати, як комбінований вплив напруженого електричного поля, що утворюється в конденсаторі в кінці котушки, і високої частоти коливань цього поля роблять лампу загоряється просто наближаючись до сфери конденсатора.

Сильне електричне поле іонізує газ низького тиску всередині трубки, залишаючи в ньому вільні електрони. Таким чином, висока частота ланцюга змушує вільні електрони всередині флуоресцентної трубки прискорювати і збуджувати флуоресцентний порошок, що прилягає до внутрішньої стінки пробірки, викликаючи її випромінювання світла.

Ви також можете наблизити світловий світлодіод до сфери С, спостерігаючи, як він світиться, навіть коли світлодіодні штифти не були підключені.

Список літератури

1. Блейк, теорія котушки Т. Тесла. Відновлено з: tb3.com.
2. Бернет, Р. Експлуатація котушки Тесла. Відновлено з: richieburnett.co.uk.
3. Тіппенс, П. 2011. Фізика: поняття та програми. 7-е видання. MacGraw Hill. 626-628.
4. Університет Вісконсіна-Медісон. Котушка Тесла. Відновлено з: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Котушка Тесла. Відновлено з: wikiwand.com.