Катушка тесла не работает

Обновлено: 05.07.2024

Это сложное устройство из генератора, индуктора и ВВ ( Высоко Вольтного) резонатора. В классическом варианте генератор представляет собой источник высокого напряжения в несколько тысяч во льт, что достаточно для получения искры в воздушной среде в несколько миллиметров. Генератор через балластный дроссель заряжает конденсатор и при достижении на нем определенного напряжение происходит срабатывание разрядника и через искру энергия в виде короткого, но мощного по току импульса переходит на индуктор. Индуктор находится у основания ВВ резонатора и обычно представляет собой катушку намотанную поверх ВВ резонатора через воздушный зазор у самого основания ВВ резонатора. Индуктор мотается толстым проводом, обычно 2.5-4мм2 меди, в экспериментальных случаях без изоляции, чтобы не перематывая индуктор, а используя крокодильчик можно было бы точно подбирать количество витков. ВВ катушка мотается тонким проводом, например, 0.3мм и например на каркасе диаметром 50 мм мы будем иметь примерно 500-1000 витков провода. Витки ВВ катушки подбираются и рассчитываются. Практический обычно выясняют резонансную частоту ВВ намотки, это делают, например, по осциллографу, после подачи разрядов на индуктор. Щуп осциллографа не подключают к ВВ катушки, он будет хорошо чувствовать поле на расстоянии метр от нее по воздуху. Способов определения резонансной частоты много. Важно мотать ВВ катушку в противоположную сторону по отношению к индуктору, при этом что в какую не важно. Например, если индуктор намотан по часовой стрелке, то ВВ резонатор будет мотаться против часовой стрелки. Важна длинна намотки. В классическом варианте длинна намотки должна составлять четверть длинны электромагнитной волны соответствующей резонансной частоте. Например, если выяснилось, что собственная резонансная частота ВВ катушки 1МГц то длинна волны l=c/f (скорость света деленная на частоту) будет l=(3*10^8)/(1*10^6)=300 метров. Ну а четверть это 300/4=75 метров. Таким образом для ВВ катушки с собственной резонансной частотой 1МГц длинна провода должна быть 75 метров.

Далее по схеме, ВВ катушка естественно должна быть заземлена нижним концом, а с верхним концом могут быть варианты. Для настройки обычно конец провода оставляют открытым и торчащим в воздухе. При правильной настройке на конце будет наблюдаться плазменный разряд рассеиваемый в воздухе, длинна его может быть от миллиметров до сантиметров в зависимости от мощности. Но постольку поскольку такой разряд не самоцель на конец обычно устанавливают некоторую воздушную накопительную емкость, типа однопроводного воздушного конденсатора, обычно в виде металлического шара. Тут тоже нельзя ничего делать на абум и просто так. Чем больше емкость тем сильнее надо отматывать ВВ катушку от исходной длинны. При небольшой емкости длину ВВ намотки обычно уменьшают не более чем на 10% от исходной.

Еще раз вернемся к собственной резонансной частоте ВВ катушки. Важно понимать, что ВВ катушка вовсе не является обычной катушкой индуктивности и из-за большого количества витков и длинны намотки в четверть длинны волны (в некоторых случаях и более) ВВ катушка превращается в резонатор. При этом это многопараметровый резонатор и резонансная частота зависит не только от длинны намотки, но и от диаметра намотки и важно чтобы два этих фактора состыковывались. Частоту здесь задают и емкостные межвитковые связи и последовательный LC резонанс с емкостью на макушке и емкость образованная между катушкой и землей и длинна намотки. В целом обычно частота четвертьволновых ВВ резонаторов завязана на диаметрах. Обычно резонаторы намотанные на трубах 100 мм имеют резонансную частоту в пределах 150-450 кГц, резонаторы намотанные на трубах 50 мм имеют резонансы в районе 450-1000 кГц. Частоту ВВ резонатора можно определить даже одним осциллографом за счет приема радиоволнового фона вот по такой схеме.

Для выявления резонансной частоты активный щуп осциллографа подключают к нижнему концу катушки и наблюдают осциллограмму с разверткой 1-10 мкс/дел и на предельном уровне чувствительности. На экране должна появиться размытая синусойда, по которой можно с точностью 10-20% определить резонансную частоту. Эффект обычно хорошо проявляется при большом уровне радиоволнового шума исходящего от бытовой аппаратуры, импульсных блоков питания и при обилии радиостанций в диапазонах СВ и ДВ.

Обобщим. Включаем генератор высокого напряжения с потенциалом около 5 кВ и мощностью 10-100 Вт, далее через дроссель 0.1-1 Гн заряжаем конденсатор. При заряде конденсатора до напряжения пробоя разрядника возникает короткий, но мощный импульс тока длительностью от единиц до десятков наносекунд с током в десятки и сотни ампер (до тысяч ампер), проходящий через индуктор. Индуктор возбуждает в четвертьволновом ВВ резонаторе стоячую электромагнитную волну. У основания резонатора ток колеблется с частотой 1 МГц, но напряжение очень мало, на конце резонатора возникает пучность высокого (от единиц до десятков киловольт) переменного напряжения, которое колеблется с частотой около 1 МГц в безтоковом режиме. При правильно намотанном ВВ резонаторе всего один возбуждающий импульс может привести к десяткам и сотням плавно затухающим свободным колебаниям, чем больше добротность резонатора, тем больше колебаний в нем будет. Таким образом ВВ резонатор, как и вообще любой резонатор является аккумулятором колебательной энергии на собственной резонансной частоте. Однако, чтобы достичь сверхъединичного эффекта простого искрения на индуктор не достаточно, необходим процесс синхронизации и многое другое.

Формулы для расчета выглядят так

Белая искра с емкости трансформатора тесла в заземляющий кабель

Белая искра с емкости трансформатора тесла в заземляющий кабель. Цвет искры зависит от силы тока. При большом токе искра белая, при маленьком токе фиолетовая. Емкость способствует возникновению большого разрядного тока, чего нету на чисто четвертьволновой тесле без емкости, там искра уже фиолетовая. Помимо этого эта тесла разогнана короткими пачками импульсов звуковой частоты. Индуктор возбуждается однополярными импульсами полученными на контуре с частотой в 3 раза выше, чем частота вв резонатора, но импульсы идут с частотой четвертьволнового резонатора, здесь 450 кГц

Для тех, кому не терпится соорудить нечто необычное, что поразит окружающих, и сделать это своими руками – трансформатор Тесла будет идеальным вариантом. Процесс конструирования увлекает, а сочетание сразу нескольких физических эффектов в одном относительно простом устройстве приводит в восторг и любителей, и профессионалов.

Несмотря на простоту устройства, смастерить теслу не так уж просто. Принцип трансформатора основан на катушках: первичка с малым количеством витков, которая создает искровой контур, и вторичная обмотка, представляющая собою прямую катушку провода. Резонанс частот колебания обмоток вызывает высокое переменное напряжение между двумя концами катушки.

В статье расскажем подробнее, что из себя представляет этот прибор и как можно его собрать своими руками. В качестве бонуса в конце статьи добавлен интересный видеоматериал о трансформаторах Тесла и учебный материал “Способы определения параметров трансформатора Тесла” В. А. Колчановой.

Как правильно называть устройство

Существует много названий для трансформатора Тесла. Все они обозначают одно и то-же устройство. Самое корректное название по моему мнению — “Трансформатор Тесла”, хотя я не стесняюсь использовать и другие, такие как:

Трансформатор Тесла.
Катушка Тесла.
Тесла.

Также существуют сленговые названия трансформатора Тесла, некоторые из них:

Часто трансформатор называют его типом – СГТЦ, ССТЦ и так далее.

Имя Тесла не склоняется, то есть грамматически не верно говорить: “Трансформатор Теслы”, хотя, если вы так скажите, все вас поймут.

Принцип работы

Трансформатор Тесла 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. В этом трансформатор тесла очень похож на самый обычный “железный” трансформатор.

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.

Тесла обладает тремя основными характеристиками – резонансной частотой вторичного контура, коэффициентом связи первичной и вторичной обмоток, добротностью вторичного контура.

Что такое резонансная частота колебательного контура, читателю должно быть известно. Я же подробнее остановлюсь на коэффициенте связи и добротности.

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

Аналогия с качелями

Для того, чтобы лучше понять, как колебательный контур накапливает энергию, и откуда в тесле берется такое большое напряжение, представим качели, которые раскачивает здоровенный мужик. Качели – это колебательный контур, мужик– это первичная обмотка. Скорость качели – это ток во вторичной обмотке, а высота подъема – наше долгожданное напряжение.

Мужик толкает качели, и, таким образом передает в них энергию. И вот, за несколько толчков, качели раскачались и подлетают так высоко, как это только возможно – они накопили много энергии. Тоже самое происходит и с теслой, только когда энергии становится слишком много, происходит пробой воздуха, и мы видим наши красивущий стример.

Естественно, раскачивать качели нужно не абы как, а в точном согласии с их собственными колебаниями. Количество колебаний качелей в секунду называется “резонансная частота”.

Участок траектории полета качели, на протяжении которого мужик их толкает определяет коэффициент связи. Если мужик будет постоянно держать качели своей здоровенной ручищей, то он раскачает их очень быстро, но качели смогут отклониться только на длину руки мужика. В таком случае говорят, что коэффициент связи равен единице. Наши качели с большим коэффициентом связи — это аналог обычного трансформатора.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда мужик только немного подталкивает качели. В этом случае коэффициент связи мал, а качели отклоняются намного дальше – мужик теперь их не держит. Качели придется раскачивать дольше, но с этим справится даже очень хилый мужик, чуть-чуть толкая их каждый период колебаний. Такие качели и есть аналогом трансформатора Тесла. Чем больше коэффициент связи, тем быстрее во вторичный контур накачивается энергия, но при этом выходное напряжение теслы получается меньше.

Теперь рассмотрим добротность. Добротность – это противоположность трению в качелях. Если трение очень большое (низкая добротность), то мужик своими слабенькими толчками не сможет их раскачать. Таким образом, коэффициент связи и добротность контура должны быть согласованны для достижения максимальной высоты качелей (максимальной длинны стримера).

Так-как добротность вторичной обмотки в трансформаторе Тесла – величина не постоянная (она зависит от стримера), то согласовать эти две величины очень не просто, и поэтому просто подбирают опытным путем. Кратко о принципе работы трансформатора можно посмотреть в видеоролике.

Основные виды катушек

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).

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.

Основные детали катушки

Несмотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты. Расскажем о основных деталях теслы сверху вниз.

Тороид

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

Вторичка

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, повторюсь еще раз. 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 вторичку на воздуховодных (белых) или, что хуже, канализационных (серых) ПВХ трубах. Найти эти трубы можно в любом строительном магазине.

Защитное кольцо

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

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. Также 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.

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

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.

Заземление

Очень важная деталь теслы. Очень часто задают вопрос – куда же бьют стримеры? Отвечаем на этот вопрос — стримеры бьют в землю! И таким образом они 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. Меня спрашивали – обязательно ли заземлять теслу? Итак, ответ: заземление для теслы – обязательно.

Теоретически, для теслы можно вместо заземления использовать так называемый противовес – искусственное заземление в виде большего проводящего предмета. Практических конструкций с противовесами очень мало.

Внимание! Изготовление тесел с противовесами представляет намного большую опасность, чем тесел с простым заземлением, потому как вся конструкция находится под высоким относительно земли потенциалом. А относительно большая емкость между противовесом и окружающими предметами способна негативно на них повлиять.

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.

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.

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.

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.

Причём между обмотками можно заметить две металлические перемычки. Это — магнитные шунты.

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: 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!

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.

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.

Заключение

В данной статье были рассмотрены основные факты о трансформаторе тесла и способ собрать устройство самостоятельно. Больше информации об этих трансформаторах можно узнать в учебном материале “Способы определения параметров трансформатора Тесла” В. А. Колчановой.

Никола Тесла, как и многие другие физики, многие годы своей жизни посвятил изучению энергии токов и способам ее передачи, созданию уникальных разработок. Одной из них была катушка Тесла – это резонансный трансформатор, предназначенный для получения токов высокой частоты.

Тесла, определенно, был гением. Именно он принес в мир использование переменного тока и запатентовал множество изобретений. Одно из них - знаменитая катушка, или трансформатор Тесла. Если у вас есть определенные знания и навыки, вы вполне можете самостоятельно создать катушку Тесла дома. Давайте выяснять, какова суть этого устройства и как создать его в домашних условиях, если вам вдруг этого очень сильно захотелось.

Что такое катушка Тесла и зачем она нужна?

Как уже отмечалось ранее, катушка Тесла представляет собой резонансный трансформатор. Назначение трансформатора - изменение значения напряжения электрического тока. Эти приборы бывают соответственно понижающие и повышающие.

Более подробно подробно о трансформаторах, их общем устройстве и назначении читайте в нашем отдельном материале.

С точки зрения электроники катушка Тесла представляет собой две обмотки без общего сердечника и с разным числом витков. Трансформатор Тесла - повышающий трансформатор. Напряжение на выходе такого трансформатора возрастает в сотни раз и может достигать значений порядка миллиона вольт.

Изобретение Теслы не просто работает, а работает очень зрелищно. Включив трансформатор, можно наблюдать эффектные разряды (молнии), длина которых достигает нескольких метров.

Из чего состоит катушка Тесла

Прежде чем собирать катушку Тесла, рассмотрим ее составляющие и форму.

Тороидальные фигуры: что это?

Катушка Тесла выполняется в форме Тора (тороидальной фигуры, тороида).

Тороидальные фигуры в первую очередь понятие из геометрии. Тор - поверхность, полученная путем вращения образующей окружности вокруг оси, лежащей в плоскости этой окружности.

Лучше один раз взглянуть, чем пытаться себе представить. На рисунке ниже - тороидальные поверхности.

Тороид является важной составляющей катушки Тесла и изготавливается, как правило, из алюминиевой гофры. В составе этого устройства он выполняет следующие функции:

уменьшает резонансную частоту;
аккумулирует энергию перед образованием стримера;
создает электростатическое поле, отталкивающее стример от вторичной обмотки трансформатора.

Кстати, о том, что такое стример, можно прочитать в нашей отдельной статье, посвященной молниям.

Нельзя не обратить внимение на забавную игру слов. В скандинавской мифологии Тор - бог грома и молний. Составляющая катушки Тесла, благодаря которой образуется разряд (молния) - Тор, или тороид.

Вторичная обмотка

Вторичная обмотка - основная составляющая катушки Тесла, которую также называют просто "вторичка". Обмотка, как правило, содержит около 800-1200 витков, а мотают ее на трубах ПВХ, которые можно купить в обычном строительном магазине.

Исходя из необходимого количества витков выбирается диаметр провода обмотки. Стандартное отношение длины вторичной обмотки катушки к ее диаметру - 4:1 или 5:1. Для того, чтобы витки не расползались, их покрывают лаком.

Первичная обмотка и защитное кольцо

Первичная обмотка (или первичка) катушки Тесла должна иметь низкое сопротивление, так как по ней будет проходить большой ток. Обычно ее изготавливают из проводов сечением более, чем 6 миллиметров. Также в качестве первичной обмотки часто используют медную трубу для кондиционеров.

Форма первичной обмотки - цилиндрическая, плоская или коническая.

Защитное кольцо - незамкнутый плоский виток заземленного медного провода. Кольцо устанавливается для того, чтобы стример из тороида, попав в первичную обмотку, не вывел из строя электронику.

Понятие эфира и идеи Теслы

Теперь мы знаем, из чего состоит катушка Тесла. Но какова история этого изобретения? Чтобы ответить на этот вопрос, стоит разобраться с тем, что же такое эфир.

Эфир – это физическая среда, гипотетическое вещество или поле, которое заполняет пространство Вселенной. Эфир отвечает за распространение электромагнитного и гравитационного взаимодействия.

В настоящий момент теория эфира не используется в современной физике, так как после появления теории относительности необходимость в понятии "эфир" просто отпала.

Тем не менее, появляются новые взгляды на концепцию эфира, и полностью списывать ее со счетов не стоит. Многие ученые до сих пор ведут споры о том, существует эфир, или нет, а в физике даже появился новый раздел, изучающий этот вопрос (эфиродинамика).

Никола Тесла своими опытами доказывал существование эфира. У ученого была идея использовать эфир как источник энергии. Так, Тесла хотел отказаться от проводной передачи энергии и передавать электричество по всему миру без проводов посредством эфира. Для этого предполагалось на полюсах Земли установить две гигантские катушки.

К сожалению, выбранное Теслой направление не разрабатывалось на более глубоком уровне. Вдобавок его считали странным ученым, который так и не захотел выйти на путь поиска экономических выгод своих исследований. Кроме этого наступала другая эра – время вакуумных изобретений.

Многие архивы Теслы были утеряны при загадочных обстоятельствах. Даже если Тесла и узнал, как получить практически неиссякаемый источник энергии, то сейчас эта информация недоступна. Редкий гений Теслы опередил свое время, а мир оказался просто не готов к его идеям.

Конфигурации катушки Тесла

Трансформатор Тесла имеет много видоизменений, в зависимости от этого используется в разных сферах жизни:

Катушка с роторным механизмом с искрами, вращающимися в разных положениях. Здесь роль двигателя выполняет электрический агрегат с вращающимся диском, проводящим электроды.
Ламповая катушка с обычными лампами для генерации тока высокого напряжения. Они способны проводить напряжение до 600 Вольт.
Полупроводниковый генератор с задающим генератором высокой частоты (более современная конструкция).
Высокочастотный трансформатор, выводящих ток посредством музыкальных волн. Разряд изменяется в зависимости от музыкального ритма.

Достаточно изменить ключ разряда, чтобы изменить его вид и достигнуть тем самым разных форм разряда.

Основное отличие их всех – довольно тихая работа, так как сама искра издает мало шума.

В чем уникальность катушки Тесла?

Основное отличие этого изобретения состоит в том, что у его изобретателя получалось при частоте в несколько сот килогерц получить напряжение, превышающее 15 млн вольт. Это устройство смотрится невероятно странно, пугающе, но и в той же мере красиво: отсутствие железного сердечника, толстый наружный слой первичной обмотки и толстый внутренний слой вторичной обмотки. Но есть и недостатки. Например, изготовить большой виток, обеспечивая отличный тепловой контакт с сердечником трансформатора, довольно непросто.

Кстати , если вдруг вам нужно написать любую работу по физике, у нас действуют вкусные скидки

Многие пытаются повторить многочисленные уникальнейшие эксперименты великого гения. Однако для этого им придется решить важнейшую задачу – как сделать катушку Теслы в домашних условиях. Но как это сделать? Попробуем подробно описать так, чтобы у вас это получилось с первого раза.

Как сделать катушку Тесла в домашних условиях своими руками

В интернете можно найти массу информации о том, как сделать музыкальную или мини катушку Тесла своими руками. Но мы расскажем и наглядно покажем на примере иллюстраций, как сделать простую катушку Тесла на 220 Вольт в домашних условиях.

Так как это изобретение было создано Николой Тесла для экспериментов с высоковольтными зарядами, в нем присутствуют следующие элементы: источник питания, конденсатор, 2 катушки (именно между ними будет циркулировать заряд), 2 электрода (между ними заряд будет проскакивать).

Катушка Тесла применяется в множестве устройств: от телевидения и ускорителя частиц до игрушек для детей

Для начала работ вам понадобятся следующие детали:

блок питания от неоновых вывесок (питающий трансформатор);
несколько керамических конденсаторов;
металлические болты;
фен (если нет фена, можно использовать вентилятор);
медный провод, покрытый лаком;
металлический шар или кольцо;
тороидальные формы для катушек (можно заменить цилиндрическими);
предохраняющая штанга;
дроссели;
штырь для заземления.

Создание должно происходить по следующим этапам.

Проектирование

Для начала стоит определиться с тем, каких размеров должна быть катушка и где она будет располагаться.

Если финансы позволяют, вы можете создать в домашних условиях просто огромнейший генератор. Но вам стоит помнить об одной важной детали: катушка создает множество искровых разрядов, которые сильно разогревают воздух, заставляя его расширяться. В результате образуется гром. В итоге созданное электромагнитное поле в состоянии вывести из строя все электроприборы. Поэтому лучше создавать ее не в квартире, а где-то в более укромном и удаленном уголке (гараж, мастерская и пр.).

Если хотите заранее определить, насколько длинная дуга получится у вашей катушки или силу мощности необходимого блока питания, произведите следующие замеры: расстояние между электродами в сантиметрах разделите на 4,25, полученное число возведите в квадрат. Итоговое число и будет ваша мощность в Ваттах. И наоборот – чтобы выяснить расстояние между электродами, квадратный корень мощности необходимо умножить на 4,25. Для катушки Тесла, которая будет в состоянии сотворить дугу длиной в полтора метра, потребуется 1 246 Вт. А прибор с блоком питания на один киловатт сможет сделать искру длиной в 1,37 метра.

Далее изучаем терминологию. Для создания столь необычного прибора нужно будет разбираться в узкоспециализированных научных терминах и единицах измерения. И чтобы не оплошать и все сделать верно, придется научиться понимать их смысл и значение. Вот некоторая информация, которая поможет:

Что такое электрическая емкость? Это способность накапливать и удерживать электрический заряд определенного напряжения. То, что накапливает электрический заряд, называется конденсатором. Фарад – это единица измерения электрических зарядов (Ф). Он может быть выражен через 1 ампер секунду (Кулон), помноженную на вольт. Обычно емкость измеряют в миллионных и триллионных долях фарада (микро- и пикофарадах).
Что такое самоиндукция?Так называют явление возникновения ЭДС в проводнике при изменении проходящего через него тока. У высоковольтных проводов, по которым течет низкоамперный ток, высокая самоиндукция. Ее единица измерения – генри (Гн), который соответствует цепи, где при изменении тока со скоростью один ампер в секунду создается ЭДС 1 Вольт. Обычно индуктивность измеряется в мили- и микрогенри (тысячной и миллионной части).
Что такое резонансная частота? Так называют частоту, на которой потери на передачу энергии будут минимальными. В катушке Тесла это будет частота минимальных потерь при передаче энергии между первичной и вторичной обмотками. Ее единица измерения – герц (Гц), то есть один цикл в секунду. Обычно резонансная частота измеряется в тысячах Герцах или килогерцах (кГц).

Сбор необходимых деталей

Выше мы уже писали, какие составляющие вам понадобятся для создания катушки Тесла в домашних условиях. И если вы радиолюбитель, у вас непременно найдется что-нибудь из этого (а то и все).

А вот некоторые особенности необходимых деталей:

источник питания должен питать через дроссель накопительный или первичный колебательный контур, состоящий из первичной катушки, первичного конденсатора и разрядника;
первичная катушка должна быть расположена около вторичной катушки, являющейся элементом вторичного колебательного контура, но при этом контуры не должны соединяться проводами. Стоит вторичному конденсатору накопить достаточный заряд, как он тут же начнет высвобождать в воздух электрические заряды.

Создание катушки Тесла

Выбираем трансформатор. Именно питающий трансформатор будет решать, какого размера будет ваша катушка. Большая часть таких катушек работает от трансформаторов, способных выдавать ток от 30 до 100 миллиампер при напряжении от пяти до пятнадцати тысяч вольт. Найти нужный трансформатор можно на ближайшем радиорынке, в интернете или же снять с неоновой вывески.
Делаем первичный конденсатор. Его можно собрать из нескольких более мелких конденсаторов, соединив их в цепи. Тогда они смогут накапливать равные доли заряда в первичном контуре. Правда, нужно, чтобы все мелкие конденсаторы имели одинаковую емкость. Каждый из таких мелких конденсаторов будет называться составным.

Приобрести конденсатор небольшой емкости можно на радиорынке, в интернете или же снять со старого телевизора керамические конденсаторы. Впрочем, если у вас золотые руки, можете и самостоятельно сделать их из алюминиевой фольги с помощью полиэтиленовой пленки.

Для достижения максимальной мощности необходимо, чтобы первичный конденсатор полностью заряжался каждые пол цикла подачи энергии. Для источника питания в 60 Гц нужно, чтобы заряд происходил 120 раз в секунду.

Проектируем разрядник. Чтобы сделать одиночный разрядник, используйте минимум шестимиллиметровый (в толщину) провод. Тогда электроды смогут выдерживать тепло, которое выделяется во время заряда. Кроме того можно сделать многоэлектродный или роторный разрядник, а также осуществлять охлаждение электродов путем воздушного обдува. Для этих целей прекрасно подойдет старый домашний пылесос.
Делаем обмотку первичной катушки. Саму катушку делаем из проволоки, но понадобится форма, вокруг которой придется делать намотку проволоки. Для этих целей используется медная лакированная проволока, купить которую можно в магазине радиоэлектроники или просто снять с любого старого ненужного электроприбора. Форма, вокруг которой будем наматывать проволоку, должна быть конической или цилиндрической формы (пластиковая или картонная трубка, старый абажур и т.д.). Благодаря длине проволоки можно регулировать индуктивность первичной катушки. Последняя должна иметь низкую индуктивность, поэтому в ней должно быть небольшое количество витков. Проволока для первичной катушки не обязательно должна быть сплошной – можно скрепить несколько, чтобы по ходу сборки регулировать индуктивность.
Собираем в одну цепь первичный конденсатор, разрядник и первичную катушку. Данная цепь будет образовывать первичный колебательный контур.
Делаем вторичную катушку индуктивности. Здесь нам также понадобится цилиндрическая форма, куда нужно наматывать проволоку. У этой катушки должна быть та же резонансная частота, что и у первичной, иначе не избежать потерь. Вторичная катушка должна быть выше первичной, потому что у нее будет больше индуктивность и она будет препятствовать разряду вторичного контура (именно он может привести к сгоранию первичной катушки). При нехватке материалов для создания большой вторичной катушки можно сделать разрядный электрод. Это защитит первичный контур, но заставит этот электрод принимать на себя большинство разрядов, в результате чего разряды не будут видны.
Создаем вторичный конденсатор, или терминал. Он должен иметь скругленную форму. Обычно это тор (бубликообразное кольцо) или сфера.
Соединяем вторичный конденсатор и вторичную катушку. Это и будет вторичный колебательный контур, который должен быть заземлен подальше от домашней проводки, которая питает источник катушки Тесла. Для чего это нужно? Так получится избежать блуждания высоковольтных токов по проводке дома и последующего вреда любым подключенным электроприборам. Для отдельного заземления достаточно будет просто вогнать в землю металлический штырь.
Делаем импульсные дроссели. Сделать такую небольшую катушку, способную предотвратить поломку источника питания разрядником, можно, если намотать вокруг тонкой трубки медную проволоку.
Собираем все детали в единое целое. Первичный и вторичный колебательные контуры размещаем рядом, через дроссели присоединяем к первичному контуру питающий трансформатор. Вот и все! Чтобы воспользоваться катушкой Тесла по назначению, достаточно включить трансформатор!

Если у первичной катушки слишком большой диаметр, можно разместить вторичную катушку внутри первичной.

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 принцип ее работы.

Я планирую целый цикл статей по поводу устройства и работы трансформатора теслы. В этой части я помогу вам разобраться – какие виды тесел бывают, что у них общего и в чем они отличаются.

Как читать эту статью.

Эта статья предполагает, что вы знаете, что такое электрический ток и чем конденсатор отличается от катушки. Я буду стараться излагать все, как можно проще, но, к сожалению, я не всесилен. Если какие-либо моменты останутся непонятными, прошу прочитать еще раз, если и это не поможет, прошу оставить комментарий.

Для того, чтобы не прерывать рассказ ненужными подробностями, но оставаться политкорректным, я буду делать сноски. Сноска будет обозначаться таким образом — [12].

Как правильно называть это устройство

Замечу, что имя Тесла не склоняется, тоесть грамматически не верно говорить “Трансформатор Теслы”, хотя, если вы так скажите, все вас поймут.

Также существуют сленговые названия трансформатора Тесла, некоторые из них

Часто трансформатор называют его типом – СГТЦ, ССТЦ итп.

Принцип работы Трансформатора Тесла.

Трансформатор Тесла состоит из двух обмоток[1] – 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. В этом трансформатор тесла очень похож на самый обычный “железный” трансформатор.

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

Есть одна очень хорошая аналогия —

Аналогия с качелями

Для того, чтобы лучше понять, как колебательный контур накапливает энергию, и откуда в тесле берется такое большое напряжение, представим качели, которые раскачивает здоровенный мужик. Качели – это колебательный контур, мужик– это первичная обмотка. Скорость качель – это ток в во вторичной обмотке, а высота подъема – наше долгожданное напряжение.

Мужик толкает качели, и, таким образом передает в них энергию. И вот, за несколько толчков, качели раскачались и подлетают так высоко, как это только возможно – они накопили много энергии. Тоже самое происходит и с теслой, только когда энергии становится слишком много, происходит пробой воздуха и мы видим наши красивущий стример.

Естественно, раскачивать качели нужно не абы-как, а в точном согласии с их собственными колебаниями. Количество колебаний качель в секунду называется “резонансная частота”.

Теперь рассмотрим ситуация, когда мужик только немного подталкивает качели. В этом случае коэффициент связи мал, а качели отклоняются намного дальше – мужик теперь их не держит. Качели придется раскачивать дольше, но с этим справится даже очень хилый мужик, чуть-чуть толкая их каждый период колебаний.

Такие качели и есть аналогом трансформатора Тесла.

Итак, чем больше коэффициент связи, тем быстрее во вторичный контур накачивается энергия, но при этом выходное напряжение теслы получается меньше.

Теперь рассмотрим добротность. Добротность – это противоположность трению в качелях. Если трение очень большое (низкая добротность), то мужик своими слабенькими толчками не сможет их раскачать. Таким образом, коэффициент связи и добротность контура должны быть согласованны для достижения максимальной высоты качель (максимальной длинны стримера).

Основные виды катушек 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 английскими аббревиатурами. Если название необходимо сказать на русском языке, английские аббревиатуры просто говорят русскими буквами без перевода.

Самые распространенные типы катушек тесла:

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).

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.

Основные детали катушки тесла

Не смотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты. Расскажу о основных деталях теслы сверху вниз.

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. 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.

Третяя – 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 [4].

Тороиды обычно изготавливают из алюминиевой гофры, хотя есть множество других технологий, ознакомиться с которыми можно тут.

Вторичка – 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, повторюсь еще раз. Не стоит мотать слишком много витков на вторичке тонким проводом. Витки на вторичке нужно распологать как можно плотнее друг к другу [5].

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 первичка). Защитное кольцо заземляется на общее заземление отдельным проводом.

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.

Заземление – как не странно, тоже очень важная деталь теслы.

Очень часто мне задают вопрос – куда же бьют стримеры? Я эту картинку я уже показывал в статье про плазменный шар, но покажу еще раз, и отвечу на этот вопрос — стримеры бьют в землю! И таким образом они 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. Меня спрашивали – обязательно ли заземлять теслу? Итак, ответ: заземление для теслы – обязательно [2][3].

[1]: 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).

[2]: 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.

[3]: теоретически, для теслы можно вместо заземления использовать так называемый противовес – искусственное заземление в виде большего проводящего предмета. Практических конструкций с противовесами очень мало. Внимание! Изготовление тесел с противовесами представляет намного большую опасность, чем тесел с простым заземлением, потому как вся конструкция находится под высоким относительно земли потенциалом. А относительно большая емкость между противовесом и окружающими предметами способна негативно на них повлиять.

[4]: Это правило справедливо для “пней” – вторичных обмоток с отношением длинны к диаметру до 5:1

Читайте также: