Как получить ток из катушки тесла

Обновлено: 02.07.2024

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.

Видео

Технические характеристики Теслы

В первичной цепи установлен ограничитель тока на 1400 А.
Потребление энергии в сети около 20 А.
Резонансная частота составляет 42 кГц.
Предельная длина искры 3 метра.
Тесла имеет более 2 метра в высоту.
Диаметр верхнего тороида — около 1 метра.

Разумеется ни одна DRSSTC не может функционировать без хорошего резонансного конденсатора, и именно там появилась самая большая проблема — чем выше емкость, тем лучше эффект по искре, но и тоньше кошелек… Минимальное напряжение пробоя составляет 8 кВ, однако чем больше, тем лучше. После многих расчетов решено было принять параметры 600nF / 10kV, а это означает необходимость покупки 100 конденсаторов CDE942C20P15kF. Они не единственные конденсаторы подходящие для этой цели, но другие еще дороже.

Следующим шагом было проектирование механической части, расположение ключевых элементов и т. д. Первичка вызвала немало проблем. Одной из концепций была коническая обмотка, но с другой стороны, из-за гораздо лучшего распределения поля остановились на плоской. Обмотка выполнена из мягкой меди диаметром 15 мм с толщиной стенки 1 мм.

Другим важным элементом катушки Тесла является вторичная обмотка. Это классическое решение, которое заключается в использовании в качестве формы под неё канализационной трубы из ПВХ диаметром 200 мм и высотой 1 м. Катушка содержит около 2300 витков проволоки 0,4 мм. Это почти 2 кг меди и около 1,5 км кабеля. Обмотка традиционно залита лаком.

Тороиды представляют собой классическую конструкцию, изготовленную из вентиляционных гофрированных труб. Использование двух тороидов улучшает распределение электрического поля вокруг обмоток, благодаря чему искры неохотно идут внутрь. Также использовались защитные катушки в количестве 2 штуки — одна выше, другая — под первичной плоскостью. Верхняя катушка провода является временной.

Нижняя часть корпуса электроники будет покрыта сеткой, пока закрыта только лицевая сторона, чтобы иметь легкий доступ к деталям во время ввода Теслы в эксплуатацию.

Разумеется, для мощных транзисторов требуется массивный радиатор. Он также охлаждается двумя мощными 120-миллиметровыми вентиляторами. Хотя общее количество выделяемого тепла не велико — большой радиатор и кулеры нужны обязательно, как результат — во время работы радиатор практически холоден.

Следующий ключевой элемент — силовые фильтрующие конденсаторы. Поскольку устройство работает с мощным импульсом, для импульсной работы требуются высоковольтные электролиты значительной мощности и низким импедансом (low esr).

Получение постоянного напряжения 650 В DC несложно, достаточно удвоить напряжение сети 220 В.

Необходимо поставить диодный мост с напряжением выше 320 В (после выпрямления), в частности около 600 В постоянного тока, также были необходимы электролиты способные работать с таким напряжением, однако самое высокое напряжение, которое когда-либо встречалось на любом электролите, было 500 В, но и этого все еще недостаточно. Поэтому необходимо последовательно подключать два электролитических конденсатора, что означает половину емкости и потребность сразу в четырех конденсаторах.

Контроллер управляет промежуточным мостом на MOSFET. Однако на этот раз промежуточный мост питается стабилизированным напряжением 80 В, которое выдает специально сконструированный трансформатор, управляющий затворами транзисторов IGBT. Трансформация этого трансформатора составляет 4: 1: 1: 1: 1. Эта конструкция позволяет получить типичные 20V на затворах, и его применение направлено на значительное сокращение времени их перезарядки.

Молнии безумно громкие и невероятно яркие, но красота требует жертв, поэтому расходы превышают 1000 долларов.

Устройство катушки

Трансформатор Тесла, схема которого будет представлена ниже, состоит из двух катушек, тороида, защитного кольца и, конечно, заземления.

Эскиз настольной КТ

Необходимо рассмотреть каждый элемент в отдельности:

первичная катушка располагается в самом низу. К ней подводится питание. Она обязательно заземляется. Делается из металла с малым сопротивлением;
вторичная катушка. Для обмотки используют эмалированную медную проволоку примерно на 800 витков. Таким образом витки не расплетутся и не поцарапаются;
тороид. Данный элемент уменьшает резонансную частоту, накапливает энергию и увеличивает рабочее поле.
защитное кольцо. Представляет из себя незамкнутый виток медного провода. Устанавливается, если длина стримера больше длины вторичной обмотки;
заземление. Если включить незаземленную катушку, стримеры (разряды тока) не будут бить в воздух, а создадут замкнутое кольцо.

Чертеж КТ

Историческая загадка катушки

Если рассматривать катушку Тесло с исторической точки зрения, становится не ясно, почему ученый не развил идею до конца. Ведь это готовый способ передачи энергии на расстоянии без проводов, что существенно уменьшает потери на монтаж сетей, расходники, столбы и изоляцию.

При этом можно было бы забыть о перерывах с электроснабжением, энергию легко и просто получилось бы доставить в любую точку планеты. Как показывает историческая реальность, ученого интересовало совсем другое применение собственного изобретения. Ученый пытался доказать существование эфира, некой субстанции, которая пронизывает все мироздание.

Согласно теории Тесло эта среда упруга, что делает возможным распространение электромагнитных волн. Одной из утопичных идей ученого была выработка энергии из эфира напрямую. Тесла предлагал установить две катушки на полюсах, что в теории должно было создать огромное магнитное поле по всей Земле.

Так электричество могло бы попасть в любую точку планеты. Катушку ученый придумать успел, а вот создавать приемники для них не стал, занимаясь разработкой получения энергии из эфира.

Основные виды катушек

Самодельная катушка тесла.

Сам Тесла изготавливал Трансформатор только одного типа – на разряднике (СГТЦ).

С тех пор элементная база сильно улучшилась, и появилось множество разных типов катушек, по аналогии их продолжают называть катушками Тесла.

Типы катушек принято называть из английских аббревиатур. Если название необходимо сказать на русском языке, английские аббревиатуры просто говорят русскими буквами без перевода. Самые распространенные типы катушек тесла рассмотрим ниже.

SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil)

Трансформатор тесла на разряднике. Самая первая и “классическая” конструкция (ее использовал сам Тесла). В качестве ключевого элемента использует разрядник. В маломощных конструкциях разрядник – просто два куска провода, находящихся на некотором расстоянии, а в мощных – сложные вращающиеся разрядники. Трансформаторы этого типа идеальны если вам нужна только большая длинна стримера.

VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil

Трансформатор тесла на лампе. В качестве ключевого элемента используется мощная радиолампа. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и выдавать толстые, “жирные” стримеры. Этот тип чаще всего используют для высокочастотных тесел, которые из-за характерного вида своих стримеров получили название “факельник”.

SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil)

Трансформатор тесла, в котором в качестве ключевого элемента используются полупроводники. Обычно это MOSFET или IGBT транзисторы. Этот тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых этой катушкой, может быть самый различный. Этим типом Тесел проще всего управлять (играть музыку, к примеру).

Катушка типа Solid State Tesla Coil.

DRSSTC (ДРССТЦ, ДРка, Dual Resonant Solid State Tesla Coil)

Трансформатор с двумя резонансными контурами, в котором в качестве ключей используются полупроводники, в подавляющем большинстве случаев, это IGBT транзисторы. ДРССТЦ – самый сложный в изготовлении и настройке тип трансформаторов тесла. Характерная длинна стримеров трансформатора этого типа немного меньше, чем у SGTC, а управляемость немногим хуже, чем у SSTC.

Для управления внешним видом стримеров придумали так называемый прерыватель. Изначально с помощью этого устройства останавливали катушку для того, чтобы дать возможность зарядится конденсатором и остыть разрядному терминалу, и, засчет этого, увеличить длину стримеров. Но в последнее время в прерыватели начали встраивать дополнительные функции, к примеру, научили катушки Тесла играть музыку.

Описание прибора

В большинстве случаев КТ (катушку Николя Тесла) описывают сложно. На самом деле она является обычным резонансным трансформатором. При эксплуатации вырабатывается электрический ток высокой частоты. Сейчас инженеры, которые трудятся на оборонный комплекс, создали устройство, обладающее мощностью в 1 Тгц. И теперь многим интересно, как и зачем появилась катушка Тесла, если ученый трудился над созданием беспроводной передачей сигнала, к которому мы все привыкли в современной жизни.

Предполагалось, что если разместить два устройства на удалении друг от друга, электричество от первой катушки можно передать на другую. Единственное условие – обе должны иметь идентичные технические параметры. Более того, амбициозность Тесла позволяла ему надеяться, что таким образом можно создать вечный двигатель. И если бы у него все получилось, люди смогли бы отказаться от использования АЭС, ТЭС и ГЭС, а проблема экологии разрешилась сама собой. Тем не менее, продолжения разработка не получила. Причина тому до сих пор неизвестна.

Область применения

Неверно считать, что трансформатор Теслы не имеет широкого практического применения. Он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах. Тем не менее, основное его применение в наши дни — познавательно-эстетическое. В таблице ниже представлены эффекты, возникающие во время работы трансформатора тесла.

Эффекты, возникающие во время работы трансформатора тесла.

В основном это связано со значительными трудностями при необходимости управляемого отбора высоковольтной мощности или тем более передача её на расстояние от трансформатора, так как при этом устройство неизбежно выходит из резонанса, а также значительно снижается добротность вторичного контура.

Принцип катушки Тесла

Принцип работы катушки Николы Теслы – это преобразование и использовании энергии вокруг нас. Основой является емкость с жидкостью и колесо, которое при движении преобразует эфир вокруг нас в кинетическую энергию. Еще катушку можно сравнить с насосом тепла, только энергию он берет не от воды или ветра, а из пространства вокруг.

В зависимости от типа конструкции, отличается и принцип работы, например, сейчас применяются ламповые катушки (проводят ток за счет мощных ламп), роторные (используется вращающийся диск и электрический девайс). Состоит трансформатор из двух обмоток и двух фаз, которые взаимодействуют между собой.

Основная задача трансформатора – выведение тока на расстояние и беспроводная передача энергии. При этом возникают необычные визуальные эффекты из-за появления газовых разрядов. Поэтому многие создают катушку лишь для того, чтобы насладиться зрелищем или произвести впечатление на окружающих.

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.

Неизвестные эффекты трансформатора Теслы

На крупных купюрах сербских динаров с портретом Теслы на реверсе изображён трансформатор Теслы. 1992 и 1993

Трансформатор (катушка) Тесла (Tesla Coil, TC) — это повышающий высокочастотный резонансный трансформатор — два колебательных контура, настроенных на одинаковую резонансную частоту. 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.

С точки зрения электротехники в нашем примитивном понимании, трансформатор Теслы — это первичная и вторичная обмотка, простейшая схема, которая обеспечивает питание первичной обмотки на резонансной частоте вторичной обмотки, но выходное напряжение возрастает в сотни раз. В это сложно поверить, но каждый может убедиться в этом сам.

Как работает трансформатор тесла

Катушка Тесла названа так в честь ее изобретателя Николы Тесла (около 1891 года). 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. Аппарат для получения токов высокой частоты и высокого потенциала был запатентован Теслой в 1896 году.

Не смотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты.

Трансформатор Тесла – прекрасная игрушка для тех, кто хочет сделать что-то эдакое. Это устройство не перестает поражать окружающих мощью своих огромных разрядов. Более того, сам процесс конструирования трансформатора очень увлекателен – не часто так много физических эффектов сочетаются в одной несложной конструкции.

Несмотря на то, что сама по себе “Тесла” очень проста, многие из тех, кто пытаются ее сконструировать не понимают как работает трансформатор Тесла.

Принцип действия трансформатора Тесла похож на работу обычного трансформатора. Трансформатор Тела состоит из двух обмоток – первичной (Lp) и вторичной (Ls) (их чаще называют “первичка” и “вторичка”). К первичной обмотке подводится переменное напряжение и она создает магнитное поле. При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную.

простая схема трансформатора тесла

Вторичная обмотка вместе с собственной паразитной (Cs) емкостью образуют колебательный контур, который накапливает переданную ему энергию. Часть времени вся энергия в колебательном контуре храниться в виде напряжения. Таким образом, чем больше энергии мы вкачаем в контур, тем больше напряжения получим.

колебание напряжения в трасформатре тесла

Тесла обладает тремя основными характеристиками:

резонансной частотой вторичного контура,
коэффициентом связи первичной и вторичной обмоток,
добротностью вторичного контура.

Коэффициент связи определяет насколько быстро энергия из первичной обмотки передается во вторичную, а добротность – насколько долго колебательный контур может сохранять энергию.

Основные детали и конструкции трансформатора Тесла

Конструкция трансформатора тесла

Тороид

Тороид – выполняет три функции.

Первая – уменьшение резонансной частоты – это актуально для SSTC и DRSSTC, так как силовые полупроводники плохо работают на высоких частотах.

Вторая – накопление энергии перед образованием стримера.

Стример — это, по сути дела, видимая ионизация воздуха (свечение ионов), создаваемая ВВ-полем трансформатора.

Чем больше тороид, тем больше в нем накоплено энергии и, в момент, когда воздух пробивается, тороид отдает эту энергию в стример, таким образом, увеличивая его. Для того, чтобы извлечь выгоду из этого явления в теслах с непрерывной накачкой энергии, используют прерыватель.

Третья – формирование электростатического поля, которое отталкивает стример от вторичной обмотки теслы. От части, эту функцию выполняет сама вторичная обмотка, но тороид может ей хорошо помочь. Именно по причине электростатического отталкивания стримера, он не бьет по кратчайшему пути во вторичку.

От использования тороидоа больше всего выиграют теслы с импульсной накачкой – SGTC, DRSSTC и теслы с прерывателями. Типичный внешний диаметр тороида – два диаметра вторички.

Тороиды обычно изготавливают из алюминиевой гофры, хотя есть множество других технологий,

Вторичная обмотка – основная деталь Теслы

Типичное отношение длинны обмотки теслы к ее диаметру намотки 4:1 – 5:1.

Диаметр провода для намотки теслы обычно выбирают так, чтобы на вторичке помещалось 800-1200 витков.

ВНИМАНИЕ!

Не стоит мотать слишком много витков на вторичке тонким проводом. Витки на вторичке нужно распологать как можно плотнее друг к другу.

Для защиты от царапин и от разлезания витков, вторичные обмотки обычно покрывают лаками. Чаще всего для этого применяются эпоксидная смола и полиуретановый лак. Лакировать стоит очень тонкими слоями. Обычно, на вторичку, наносят минимум 3-5 тонких слоев лака.

Мотают вторичную обмотку на воздуховодных (белых) или, что хуже, канализационных (серых) ПВХ трубах. Найти эти трубы можно в любом строительном магазине.

Защитное кольцо

Защитное кольцо – предназначено для того, чтобы стример, попав в первичную обмотку не вывел электронику из строя. Эта деталь устанавливается на теслу, если длинна стримера больше длинны вторичной обмотки. Представляет собой незамкнутый виток медного провода (чаще всего, немного толще, чем тот из которого изготавливается первичная обмотка трансформатора тесла). Защитное кольцо заземляется на общее заземление отдельным проводом.

Первичная обмотка

Первичная обмотка – обычно изготавливается из медной трубы для кондиционеров. Должна обладать очень маленьким сопротивлением для того, чтобы по ней можно было пропускать большой ток. Толщину трубки обычно выбирают на глаз, в подавляющем большинстве случаев, выбор падает на 6 мм трубку. Так-же в качестве первички используют провода большего сечения.

Относительно вторичной обмотки устанавливается так, чтобы обеспечить нужный коэффициент связи.

Часто играет роль построечного элемента в тех теслах, где первичный контур является резонансным. Точку подключения к первичке делают подвижной и ее перемещением изменяют резонансную частоту первичного контура.

Первичные обмотки обычно делают цилиндрическими, плоскими или коническим. Обычно, плоские первички используются в SGTC, конические- в SGTC и DRSSTC, а цилиндрические — в SSTC, DRSSTC и VTTC.

первичные обмотки трансформатора тесла

Заземление

Заземление – как не странно, тоже очень важная деталь теслы. Очень часто задаются вопросом – куда же бьют стримеры? — стримеры бьют в землю!

Стримеры замыкают ток, показанный на картинке синим цветом

Таким образом, если заземление будет плохое, стримерам будет некуда деваться и им придется бить в теслу (замыкать свой ток), вместо того, чтобы извергаться в воздух.

Поэтому задавая вопрос обязательно ли заземлять теслу?

Заземление для теслы – обязательно.

Существуют трансформаторы Тесла без первичной обмотки. У них питание подается прямо на “земляной” конец вторички. Такой метод питания называется “бэйзфид” (basefeed).

Иногда, в качестве источника бэйзфидного питания используется другой трансформатор Тесла, такой метод питания называют “магниферным” (Magnifier).

Существуют так называемые биполярные теслы, они отличаются тем, что разряд происходит не в в воздух, а между двумя концами вторичной обмотки. Таким образом, путь тока легко может замкнуться и заземление не нужно.

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).

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.

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:

Составные части и принцип работы

Все трансформаторы Тесла ввиду похожего принципа работы состоят из одинаковых блоков:

Источник питания.
Первичный контур.
Вторичный контур.

Источник питания обеспечивает первичный контур напряжением необходимой величины и типа. Первичный контур создаёт колебания высокой частоты, генерирующие во вторичном контуре резонансные колебания. В результате на вторичной обмотке образуется ток большого напряжения и частоты, который стремится создать электрическую цепь через воздух — образуется стример.

От выбора первичного контура зависит тип катушки Тесла, источник питания и размер стримера. Остановимся на полупроводником типе. Он отличается простой схемой с доступными деталями, и маленьким питающим напряжением.

Подбор материалов и деталей

Произведём поиск и подбор деталей к каждому вышеперечисленному узлу конструкции:

Для питания потребуется 12 – 19 В постоянного напряжения. Подойдёт машинный аккумулятор, зарядное устройство от ноутбука или понижающий трансформатор с диодным мостом, для получения постоянного тока.
Найдём детали для первичного контура:

— Переменный резистор R1 с номиналом 50 кОм. Для удачной сборки не забудьте соединить два контакта этого резистора согласно схеме.

— Резистор R2 с номиналом 75 Ом.

— Транзистор VT1 D13007 или советский аналог с n-p-n структурой.

— Радиатор для охлаждения транзистора можно поискать на мощных транзисторах в неисправной технике. Размер напрямую влияет на качество охлаждения.

— Первичная обмотка трансформатора Тесла. Проводником может быть простая медная трубка или провод диаметром 0,5–1 см. Обмотка делается плоской, цилиндрической или конической (рис. 2).

После намотки изолируем вторичную катушку краской, лаком или другим диэлектриком. Это предотвратит попадание в неё стримера.

Терминал – дополнительная ёмкость вторичного контура, подключённая последовательно. При малых стримерах в нем нет необходимости. Достаточно вывести конец катушки на 0,5–5 см вверх.

После того, как собрали все необходимые детали для катушки Тесла, приступаем к сборке конструкции своими руками.

Конструкция и сборка

Сборку делаем по простейшей схеме на рисунке 4.

Отдельно устанавливаем источник питания. Детали можно собрать навесным монтажом, главное исключить замыкание между контактами.

При подключении транзистора важно не перепутать контакты (рис. 5).

Для этого сверяемся со схемой. Плотно прикручиваем радиатор к корпусу транзистора.

Собирайте схему на диэлектрической подложке: кусок фанеры, пластиковый поднос, деревянная коробка и др. Отделяем схему от катушек диэлектрической пластиной или доской, с миниатюрным отверстием для проводов.

Закрепляем первичную обмотку так, чтобы предотвратить падение и касание со вторичной обмоткой. В центре первичной обмотки оставляем место для вторичной катушки, с учётом того, что оптимальное расстояние между ними 1 см. Каркас использовать необязательно – достаточно надёжного крепления.

Устанавливаем и закрепляем вторичную обмотку. Делаем необходимые соединения согласно схеме. Посмотреть на работу изготовленного трансформатора Тесла можно на видео представленном ниже.

Включение, проверка и регулировка

Перед включением уберите электронные устройства подальше от места испытания, чтобы исключить их поломку. Помните об электробезопасности! Для успешного запуска по порядку выполняем следующие пункты:

Мощная катушка Тесла

Отличительной особенностью мощного трансформатора Тесла являются большое напряжение, большие габариты устройства и способ получения резонансных колебаний. Немного расскажем о том, как работает и как сделать трансформатор Тесла искрового типа.

Первичный контур работает на переменном напряжении. При включении, происходит заряд конденсатора. Как только конденсатор заряжается по максимуму, происходит пробой разрядника – устройства из двух проводников с искровым промежутком, наполненным воздухом или газом. После пробоя, образуется последовательная цепь из конденсатора и первичной катушки, называемая LC контуром. Именно этот контур создаёт высокочастотные колебания, которые создают во вторичной цепи резонансные колебания и огромное напряжение (рис. 6).

При наличии необходимых деталей, мощный трансформатор Тесла можно собрать своими руками даже в домашних условиях. Для этого достаточно внести изменения в маломощную схему:

КАТУШКА ТЕСЛА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

О сколько нам открытий чудныхГотовят просвещенья духИ опыт, сын ошибок трудных,И гений, парадоксов друг,И случай, бог изобретатель.

Введение

Актуальность темы

Экспериментальная физика имеет огромное значение в развитии науки. Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Никто не будет спорить с тем, что эксперимент - это мощный импульс к пониманию сущности явлений в природе.

В наше время остро стоит вопрос о передаче энергии на расстояние, в частности передача энергии беспроводным способом. Здесь можно вспомнить идеи великого ученого Николы Тесла, который занимался этими вопросами еще в 1900х годах и добился внушительного успеха, построив свой знаменитый резонансный трансформатор – катушку Тесла. Вот и я решил разобраться в этом вопросе самостоятельно, попытавшись повторить эти эксперименты.

Цели исследовательской работы

-Собрать действующие катушки Тесла по транзисторной технологии (Class-E SSTC) и по ламповой технологии (VTTC)

-Пронаблюдать образование различных видов разрядов и выяснить, насколько они опасны.

-Передать энергию беспроводным способом, при помощи катушки Тесла

-Изучить свойства электромагнитного поля, генерируемого катушкой Тесла

-Изучить практическое применение катушки Тесла

Предмет исследования:

Две катушки Тесла, собранные по разным технологиям, поля и разряды, генерируемые этими катушками.

Методы исследования:

-Эмпирические: наблюдение высокочастотных электрических разрядов, исследование, эксперимент.

-Теоретические: конструирование катушки Тесла, анализ литературы и возможных электрических схем сборки катушки.

Этапы исследования:

-Теоретическая часть. Изучение литературы по проблеме исследования.

-Практическая часть. Изготовление трансформаторов Тесла и проведение опытов с построенным оборудованием.

Теоретическая часть

Изобретения Николы Тесла

Никола Тесла — изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. Родился и вырос в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США.

В феврале 1882 года Тесла придумал, как можно было бы использовать в электродвигателе явление, позже получившее название вращающегося магнитного поля. В свободное время Тесла работал над изготовлением модели асинхронного электродвигателя, а в 1883 году демонстрировал работу двигателя в мэрии Страсбурга.

В 1885 году Никола представил 24 разновидности машины Эдисона, новый коммутатор и регулятор, значительно улучшающие эксплуатационные характеристики.

В 1888—1895 годах Тесла занимался исследованиями магнитных полей и высоких частот в своей лаборатории. Эти годы были наиболее плодотворными, именно тогда он запатентовал большинство своих изобретений.

В конце 1896 года Тесла добился передачи радиосигнала на расстояние 48 км.

В Колорадо Спрингс Тесла организовал небольшую лабораторию. Для изучения гроз Тесла сконструировал специальное устройство, представляющее собой трансформатор, один конец первичной обмотки которого был заземлён, а второй соединялся с металлическим шаром на выдвигающемся вверх стержне. К вторичной обмотке подключалось чувствительное самонастраивающееся устройство, соединённое с записывающим прибором. Это устройство позволило Николе Тесле изучать изменения потенциала Земли, в том числе и эффект стоячих электромагнитных волн, вызванный грозовыми разрядами в земной атмосфере. Наблюдения навели изобретателя на мысль о возможности передачи электроэнергии без проводов на большие расстояния.

Следующий эксперимент Тесла направил на исследование возможности самостоятельного создания стоячей электромагнитной волны. На огромное основание трансформатора были намотаны витки первичной обмотки. Вторичная обмотка соединялась с 60-метровой мачтой и заканчивалась медным шаром метрового диаметра. При пропускании через первичную катушку переменного напряжения в несколько тысяч вольт во вторичной катушке возникал ток с напряжением в несколько миллионов вольт и частотой до 150 тысяч герц.

При проведении эксперимента были зафиксированы грозоподобные разряды, исходящие от металлического шара. Длина некоторых разрядов достигала почти 4,5 метров, а гром был слышен на расстоянии до 24 км.

На основании эксперимента Тесла сделал вывод о том, что устройство позволило ему генерировать стоячие волны, которые сферически распространялись от передатчика, а затем с возрастающей интенсивностью сходились в диаметрально противоположной точке земного шара, где-то около островов Амстердам и Сен-Поль в Индийском океане.

В 1917 году Тесла предложил принцип действия устройства для радиообнаружения подводных лодок.

Одним из его самых знаменитых изобретений является трансформатор (катушка) Тесла.

Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек — первичной и вторичной, а также разрядника, конденсаторов, тороида и терминала.

Первичная катушка обычно содержит несколько витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная около 1000 витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора главным образом выполняют ёмкость тороида и собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.

Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов.

После достижения между электродами разрядника напряжения пробоя, в нём возникает лавинообразный электрический пробой газа. Конденсатор разряжается через разрядник на катушку. Поэтому цепь колебательного контура, состоящего из первичной катушки и конденсатора, остаётся замкнутой через разрядник, и в ней возникают высокочастотные колебания. Во вторичной цепи возникают резонансные колебания, что приводит к появлению на терминале высокого напряжения.

Во всех типах трансформаторов Тесла основной элемент трансформатора — первичный и вторичный контуры — остается неизменным. Однако одна из его частей — генератор высокочастотных колебаний может иметь различную конструкцию.

Практическая часть.

Катушка Тесла (Class-ESSTC)

Резонансный трансформатор состоит из двух катушек, у которых нет общего железного сердечника, - это нужно для создания низкого коэффициента связи. На первичной обмотке находится несколько витков толстого провода. На вторичную обмотку наматывают от 500 до 1500 витков. За счет такой конструкции катушка Тесла обладает таким коэффициентом трансформации, который в 10-50 раз больше, чем отношение количества витков на вторичной обмотке к количеству витков на первичной. При этом должно соблюдаться условие возникновения резонанса между первичным и вторичным колебательными контурами. Напряжение на выходе такого трансформатора может превышать несколько миллионов Вольт. Именно это обстоятельство и обеспечивает возникновение зрелищных разрядов, длина которых может достигать сразу нескольких метров. В Интернете можно найти разные варианты изготовления источников высокой частоты и напряжения. Я выбрал одну из схем.

Установку я собирал сам на основе вышеуказанной схемы (Рис.1). Катушка, намотанная на каркасе от пластмассовой (сантехнической) трубы с диаметром 80 мм. Первичная обмотка содержит всего 7 витков, провод диаметром 1 мм, был использован одножильный медный провод МГТФ. Вторичная обмотка содержит около 1000 витков обмоточного провода диаметром 0,15 мм. Вторичная обмотка мотается аккуратно, виток к витку. В результате получилось устройство производящее высокое напряжение при высокой частоте. (Рис.2)

Большая катушка Тесла (VTTC)

Эта катушка собрана на базе генераторного пентода гу-81м по автогенераторной схеме, т.е. с самовозбуждением тока сетки лампы.

Как видно по схеме (Рис.3), лампа подключена как триод, т.е. все сетки объединены между собой. Конденсатор C1 и диод VD1 образуют однополупериодный удвоитель. Резистор R1 и конденсатор C3 нужны для регулировки режима работы лампы. Катушка L2 нужна для возбуждения тока сетки. Первичный колебательный контур образуется из конденсатора C2 и катушки L1. Вторичный колебательный контур образован катушкой L3 и ее собственной межвитковой емкостью. Первичная обмотка на каркасе диаметром 16 см содержит 40 витков с отводами от 30, 32, 34, 36 и 38 витков, для подстройки резонанса. Вторичная обмотка содержит около 900 витков на каркасе диаметром 11см. Сверху вторичной обмотки находится тороид, - он необходим для накопления электрических зарядов.

Обе этих установки (Рис.2 и Рис.3) предназначены для демонстрации высокочастотных токов высокого напряжения и способов их создания. Также катушки могут быть использованы для беспроводной передачи электрического тока. В ходе работы я продемонстрирую действие и возможности изготовленных мною катушек Тесла.

Экспериментальные опыты применения катушки Тесла

С готовой катушкой Тесла можно провести ряд интересных опытов, однако необходимо соблюдать правила безопасности. Для проведения опытов должна быть очень надежная проводка, вблизи катушки не должно быть предметов, должна быть возможность аварийно обесточить оборудование.

Во время работы катушка Тесла создаёт красивые эффекты, связанные с образованием различных видов газовых разрядов. Обычно люди собирают эти катушки для того, чтобы посмотреть на эти впечатляющие, красивые явления.

Катушка Тесла может создавать несколько видов разрядов:

-Спарки - это искровые разряды между катушкой, и каким либо предметом, производит характерный хлопок, из-за резкого расширения газового канала, как при природной молнии, но в меньшем масштабе.

-Стримеры - тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободные электроны. Протекает от терминала катушки прямо в воздух, не уходя в землю. Стример - это видимая ионизация воздуха. Т.е. свечение ионов, которые образует высокое напряжение трансформатора.

-Коронный разряд - свечение ионов воздуха в электрическом поле высокого напряжения. Создаёт красивое голубоватое свечение вокруг высоковольтных частей конструкции с сильной кривизной поверхности.

-Дуговой разряд - образуется при достаточной мощности трансформатора, если к его терминалу близко поднести заземлённый предмет. Между ним и терминалом загорается дуга.

Некоторые химические вещества, нанесённые на разрядный терминал, способны менять цвет разряда. Например, натрий меняет голубоватый цвет разряда на оранжевый, бор — на зелёный, марганец – на синий, а литий – на малиновый окрас.

При помощи данных катушек можно провести ряд довольно интересных, красивых и эффектных экспериментов. Итак, начнем:

Опыт 1: Демонстрация газовых разрядов. Стример, спарк, дуговой разряд

Оборудование: катушка Тесла, толстая медная проволока.

При включении катушки, с терминала начинает выходить разряд, который в длину 5-7мм

Опыт 2: Демонстрация разряда в люминесцентной лампе

Оборудование: катушка Тесла, люминесцентная лампа (лампа дневного света).

Наблюдается свечение в люминесцентной лампе на расстоянии до 1 м. от установки.

Опыт 3: Эксперимент с бумагой

Оборудование: катушка Тесла, бумага.

При внесении бумаги в разряд, стример быстро охватывает ее поверхность и через несколько секунд бумага загорается

Оборудование: катушка Тесла, тонкий многожильный провод.

Опыт 5: Демонстрация газовых разрядов на большой катушке Тесла. Стример, спарк, дуговой разряд

Оборудование: большая катушка Тесла, толстая медная проволока.

Рис.11 Рис.12 Рис.13

При включении катушки, с терминала начинает выходить разряд, который в длину 45-50см, при поднесении предмета к тороиду - загорается дуга

Опыт 6: Разряды в руку

Оборудование: большая катушка Тесла, рука.

При поднесении руки к стримеру разряды начинают бить в руку, не причиняя боль

Опыт 7: Демонстрация газовых разрядов из предмета, находящегося в поле катушки Тесла.

Оборудование: большая катушка Тесла, толстая медная проволока.

При внесении медной проволоки в поле катушки Тесла (с убранным терминалом), происходит появление разряда из проволоки в сторону тороида.

Опыт 8: Демонстрация разряда в шаре, наполненного разреженным газом, в поле катушки Тесла

Оборудование: большая катушка Тесла, шар наполненный разреженным газом.

При внесении шара в поле катушки Тесла загорается разряд внутри шара.

Опыт 9: Демонстрация разряда в неоновых и люминисцентных лампах.

Оборудование: большая катушка Тесла, неоновые и люминисцентные лампы.

При внесении лампы в поле катушки Тесла загорается разряд внутри неоновых и люминисцентных ламп на расстоянии до 1,5 м..

Опыт 10: Разряды из руки

Оборудование: большая катушка Тесла, рука с напальчниками из фольги.

Рис.26 Рис.27 Рис.28

При внесении руки в поле катушки Тесла (с убранным терминалом), происходит появление разряда с напальчников в сторону тороида.

Заключение

Все поставленные цели выполнены. Я построил 2 катушки и на их примере доказал следующие гипотезы:

-Катушка Тесла может генерировать реальные электрические разряды различных видов.

-Разряды, создаваемые катушкой тесла, безопасны для человека и не могут нанести ему урон путем удара электрическим током. К выходной катушке высокого напряжения можно даже прикоснуться куском металла или рукой. Почему при прикосновении к источнику напряжения 1 000 000 В высокой частоты с человеком ничего не случается? Потому что при протекании тока высокой частоты наблюдается так называемый скин-эффект, т.е. заряды текут только по краям проводника, не трогая сердцевину.

Ток протекает по коже, и не касается внутренних органов. Именно поэтому можно безопасно касаться этих молний.

-Катушка Тесла может передавать энергию без проводов путем создания электромагнитного поля.

-Энергия этого поля может передаваться как на любые предметы в этом поле, от разреженных газов, до человека.

Современное применение идей Николы Тесла:

-Переменный ток является основным способом передачи электроэнергии на большие расстояния.

-Электрогенераторы являются основными элементами в генерации электроэнергии на электростанциях турбинного типа (ГЭС, АЭС, ТЭС).

-Электродвигатели переменного тока, впервые созданные Николой Тесла, используются во всех современных станках, электропоездах, электромобилях, трамваях, троллейбусах.

-Радиоуправляемая робототехника получила широкое распространение не только в детских игрушках и беспроводных телевизионных и компьютерных устройствах (пульты управления), но и в военной сфере, в гражданской сфере, в вопросах военной, гражданской и внутренней, а также и внешней безопасности стран и т. п.

-Беспроводные заряжающие устройства уже используются для зарядки мобильных телефонов.

-Переменный ток, впервые полученный Тесла, является основным способом передачи электроэнергии на большие расстояния

-Использование в развлекательных целях и шоу.

-В фильмах эпизоды строятся на демонстрации трансформатора Тесла, в компьютерных играх.

-Он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах.

Ошибочно мнение, что катушки Тесла не имеют широкого практического применения. Основное их использование приходится на развлекательно-медийную сферу развлечений и шоу. При этом сами катушки или устройства, использующие принципы работы катушек, довольно распространены в нашей жизни, о чем свидетельствуют вышеприведенные примеры.

Литература

Пиштало В. Никола Тесла. Портрет среди масок. - М: Азбука-классика, 2010

Ржонсницкий Б. Н. Никола Тесла. Жизнь замечательных людей. Серия биографий. Выпуск 12. - М: Молодая гвардия, 1959.

Фейгин О. Никола Тесла: Наследие великого изобретателя. - М.: Альпина нон-фикшн, 2012.

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

Собственная емкость вторичной катушки в пикофарадах определяется формулой (Medhurst):
$ C = \over L>>>$ , где $L$ - длина катушки в дюймах, $R$ - радиус катушки в дюймах.

Трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура.

MMC 4,4
(4 параллельных ветви из 3 конденсаторов по 3,3 нФ)

* Конденсатор Бумажный Герметизированный

** Конденсатор Слюдяной Опрессованный 13-го типа

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

Читайте также: