Схема трансформатора Тесла. Трансформатор Тесла - принцип роботи

Трансформатор Тесла (принцип роботи апарату розглянемо далі) був запатентований в 1896-му році, 22 вересня. Апарат представили як прилад, що виробляє електричні струми високого потенціалу та частоти. Пристрій було винайдено Ніколою Тесла і названо його ім`ям. Розглянемо далі цей апарат докладніше.

Трансформатор Тесла: принцип роботи

Суть дії приладу можна пояснити на прикладі всім відомих гойдалок. При їх розгойдуванні в умовах примусових коливань амплітуда, яка буде максимальною, стане пропорційною прикладеного зусилля. При розгойдуванні у вільному режимі максимальна амплітуда при тих же зусиллях багаторазово зросте. Така суть і трансформатора Тесла. В якості гойдалок в апараті використовується коливальний вторинний контур. Генератор грає роль прикладеного зусилля. При їх узгодженості (підштовхуванні в строго необхідні періоди часу) забезпечується задає генератор або первинний контур (відповідно з пристроєм).

Опис

Простий трансформатор Тесла включає в себе дві котушки. Одна - первинна, інша - вторинна. Також резонансний трансформатор Тесла складається з тороида (застосовується не завжди), конденсатора, розрядника. Останній - переривник - зустрічається в англійському варіанті Spark Gap. Трансформатор Тесла також містить "вихід" - термінал.

Котушки

Первинна містить, як правило, провід великого діаметру або мідну трубку з декількома витками. У вторинній котушці є кабель меншого перерізу. Його витків - близько 1000. Первинна котушка може мати плоску (горизонтальну), конічну або циліндричну (вертикальну) форму. Тут, на відміну від звичайної трансформатора, немає феромагнітного сердечника. За рахунок цього істотно знижується взаємоіндукція між котушками. Разом з конденсатором первинний елемент формує коливальний контур. У нього включений розрядник - нелінійний елемент.

Вторинна котушка теж формує коливальний контур. Як конденсатора виступають тороідний і власна катушечная (міжвиткова) ємності. Вторинна обмотка часто покрита шаром лаку або епоксидної смоли. Це робиться, щоб уникнути електричного пробою.

Розрядник

Схема трансформатора Тесла включає в себе два масивних електрода. Ці елементи повинні володіти стійкістю до протікання крізь електричну дугу великих струмів. Обов`язкова наявність регульованого зазору і гарного охолодження.

Термінал

У резонансний трансформатор Тесла цей елемент може бути інстальований в різному виконанні. Термінал може являти собою сферу, заточений штир або диск. Він призначається для отримання іскрових передбачуваних розрядів з великою довжиною. Таким чином, два пов`язаних коливальних контура утворюють трансформатор Тесла.

Енергія з ефіру - одна з цілей функціонування апарату. Винахідник приладу прагнув досягти хвильового числа Z в 377 Ом. Він виготовляв котушки все більшого розміру. Нормальна (повноцінна) робота трансформатора Тесла забезпечується у випадку, коли обидва контури налаштовані на одну частоту. Як правило, в процесі коригування здійснюється підстроювання первинного під вторинний. Це досягається за рахунок зміни ємності конденсатора. Також змінюється кількість витків у первинній обмотки до появи на виході максимальної напруги.

У майбутньому передбачається створити нескладний трансформатор Тесла. Енергія з ефіру буде працювати на людство в повній мірі.

Дія

Трансформатор Тесла функціонує в імпульсному режимі. Перша фаза - конденсаторний заряд до напруги пробою розрядного елемента. Друга - генерація високочастотних коливань в первинному контурі. Включений паралельно розрядник замикає трансформатор (джерело живлення), виключаючи його з контуру. В іншому випадку він буде вносити певні втрати. Це, в свою чергу, знизить добротність первинного контуру. Як показує практика, такий вплив суттєво зменшує довжину розряду. У зв`язку з цим у побудованій грамотно схемою розрядник завжди ставиться паралельно джерелу.

Заряд

Його виробляє зовнішнє джерело високої напруги на основі низькочастотного підвищувального трансформатора. Конденсаторная ємність вибирається так, щоб вона становила разом з індуктором певний контур. Частота його резонансу повинна дорівнювати високовольтного контуру.

На практиці все трохи інакше. Коли здійснюється розрахунок трансформатора Тесли, не враховується енергія, яка піде на накачування другого контуру. Напруга заряду обмежується напругою у пробою розрядника. Його (якщо елемент повітряний) можна регулювати. Напруга пробою коригується при зміні форми або відстані між електродами. Як правило, показник знаходиться в межах 2-20 кВ. Знак напруги не повинен надто "закорочувати" конденсатор, на якому відбувається постійна зміна знака.

Генерація

Після того як буде досягнуто напруга пробою між електродами, в розряднику формується електричний лавиноподібний пробій газу. Відбувається розрядження конденсатора на котушку. Після цього різко знижується напруга пробою у зв`язку з рештою іонами в газі (носіями заряду). Внаслідок цього складається з конденсатора та первинної котушки ланцюг контуру коливання через розрядник залишається замкнутою. У ній утворюються високочастотні коливання. Вони поступово згасають, переважно внаслідок втрат в розряднику, а також відходу на вторинну котушку електромагнітної енергії. Проте коливання продовжуються, поки струмом створюється достатня кількість зарядних носіїв для підтримки в розряднику істотно меншої напруги пробою, ніж амплітуда коливань LC-контура. У вторинному ланцюзі з`являється резонанс. Це призводить до виникнення високої напруги на терміналі.

Модифікації

Якого б типу не була схема трансформатора Тесла, вторинний і первинний контури залишаються незмінними. Проте один з компонентів основного елемента може бути різної конструкції. Зокрема, мова йде про генератор високочастотних коливань. Наприклад, в модифікації SGTC цей елемент виконується на искровом проміжку.

RSG

Трансформатор Тесла високої потужності включає в себе більш складну конструкцію розрядника. Зокрема, це стосується моделі RSG. Абревіатура розшифровується як Rotary Spark Gap. Її можна перекласти наступним чином: обертовий / роторний іскровий або статичний проміжок з дугогасильними (додатковими) пристроями. У такому випадку частота роботи проміжку підбирається синхронно частоті конденсаторної підзарядки. Конструкція іскрового роторного проміжку включає в себе двигун (як правило, він електричний), диск (обертовий) з електродами. Останні або замикають, або наближаються до відповідних компонентів для замикання.

Вибір розташування контактів і швидкості обертання валу ґрунтується на необхідної частоті проходження коливальних пачок. Відповідно до типу управління двигуном розрізняють іскрові роторні проміжки асинхронні і синхронні. Також застосування іскрового обертового проміжку значно знижує ймовірність утворення паразитної дуги між електродами.

У деяких випадках звичайний розрядник замінюють багатоступеневим. Для охолодження цей компонент іноді поміщають в газоподібні або рідкі діелектрики (в масло, наприклад). В якості типового прийому гасіння дуги статистичного розрядника використовується продування електродів за допомогою потужної повітряного струменя. У ряді випадків трансформатор Тесла класичної конструкції доповнюється другим разрядником. Завдання цього елемента полягає в забезпеченні захисту низьковольтної (живильної) зони від високовольтних викидів.

Лампова котушка

У модифікації VTTC використовують електронні лампи. Вони грають роль генератора коливань ВЧ. Як правило, це досить потужні лампи типу ГУ-81. Але іноді можна зустріти і малопотужні конструкції. Однією з особливостей в даному випадку є відсутність необхідності забезпечення високої напруги. Щоб отримати відносно невеликі розряди, потрібно близько 300-600 В. Крім того, VTTC майже не видає шуму, який з`являється, коли трансформатор Тесла функціонує на искровом проміжку. З розвитком електроніки з`явилася можливість значно спростити і зменшити розмір приладу. Замість конструкції на лампах стали застосовувати трансформатор Тесла на транзисторах. Зазвичай використовується біполярний елемент відповідної потужності та струму.

Як зробити трансформатор Тесла?

Як вище було сказано, для спрощення конструкції використовується біполярний елемент. Безсумнівно, набагато краще застосувати польовий транзистор. Але з біполярним простіше працювати тим, хто недостатньо досвідчений в збірці генераторів. Обмотка котушок зв`язку та колектора здійснюється проводом в 0.5-0.8 міліметрів. На високовольтної деталі провід береться 0.15-0.3 мм завтовшки. Робиться приблизно 1000 витків. На "гарячому" наприкінці обмотки ставиться спіраль. Харчування можна взяти з трансформатора в 10 В, 1 А. При використанні живлення від 24 В і більше значно збільшується довжина коронного розряду. Для генератора можна використовувати транзистор КТ805ІМ.

Застосування приладу

На виході можна отримати напругу в кілька мільйонів вольт. Воно здатне створювати в повітрі значні розряди. Останні, в свою чергу, можуть володіти многометровой завдовжки. Ці явища дуже привабливі зовні для багатьох людей. Любителями трансформатор Тесла використовується в декоративних цілях.

Сам винахідник застосовував апарат для поширення і генерації коливань, які спрямовані на бездротове управління приладами на відстані (радіоуправління), передачі даних і енергії. На початку ХХ століття котушка Тесла стала використовуватися в медицині. Хворих обробляли високочастотними слабкими струмами. Вони, протікаючи по тонкому поверхневому шару шкіри, не шкодили внутрішнім органам. При цьому струми надавали оздоровлюючий і тонізуючий вплив на організм. Крім того, трансформатор використовується при підпал газорозрядних ламп і при пошуку течі в вакуумних системах. Однак у наш час основним застосуванням апарату слід вважати пізнавально-естетичне.

Ефекти

Вони пов`язані з формуванням різного роду газових розрядів в процесі функціонування пристрою. Багато людей колекціонують трансформатори Тесла, щоб мати можливість спостерігати за захоплюючими ефектами. Всього апарат виробляє розряди чотирьох видів. Часто можна спостерігати, як розряди не тільки відходять від котушки, а й спрямовані від заземлених предметів в її бік. На них також можуть виникати коронні світіння. Примітно, що деякі хімічні сполуки (іонні) при нанесенні на термінал можуть змінити колір розряду. Приміром, натрієві іони роблять спарк помаранчевим, а борні - зеленим.

Стримери

Це тьмяно світяться розгалужені тонкі канали. Вони містять іонізовані газові атоми і вільні електрони, отщепленим від них. Ці розряди протікають від терміналу котушки або від самих гострих частин безпосередньо в повітря. За своєю суттю стример можна вважати видимої іонізацією повітря (світінням іонів), яка створюється ВВ-полем у трансформатора.

Дугового розряд

Він утворюється досить часто. Наприклад, якщо у трансформатора достатня потужність, при піднесенні до терміналу заземленого предмета може утворитися дуга. У деяких випадках потрібно дотик предмета до виходу, а потім відведення на все більшу відстань і розтягування дуги. При недостатній надійності та потужності котушки такий розряд може пошкодити компоненти.

Спарк

Цей іскровий заряд відходить з гострих частин або з терміналу безпосередньо в землю (заземлений предмет). Спарк представлений у вигляді швидко змінюваних або зникаючих яскравих ниткоподібних смужок, розгалужених сильно і часто. Існує також особливий тип іскрового розряду. Він називається ковзаючим.

Коронний розряд

Це свічення іонів, що містяться в повітрі. Воно відбувається в високонапряженном електричному полі. У результаті створюється блакитнувате, приємне для ока світіння близько ВВ-компонентів конструкції зі значною кривизною поверхні.

Особливості

У процесі функціонування трансформатора можна почути характерний електричний тріск. Це явище обумовлене процесом, в ході якого стримери перетворюються на іскрові канали. Він супроводжується різким збільшенням кількості енергії і сили струму. Відбувається швидке розширення кожного каналу і стрибкоподібне підвищення тиску в них. У підсумку на кордонах утворюються ударні хвилі. Їх сукупність від розширюються каналів формує звук, який сприймається як тріск.

Вплив на людину

Як і інше джерело такої високої напруги, котушка Тесла може бути смертельно небезпечною. Але існує інша думка, що стосується деяких типів апарату. Оскільки у високочастотного високої напруги є скін-ефект, а струм істотно відстає від напруги по фазі і сила струму дуже мала, незважаючи на потенціал, розряд в людське тіло не може спровокувати ні зупинку серця, ні інші серйозні порушення в організмі.