Тесла свитч – это миф или реальность?

	Районная научно-практическая конференция «Новое поколение»
Полное название темы работы	Тесла свитч – это миф или реальность?
Территория	Россия, Красноярский край, Курагинский район, село Шалоболино
Название секции  форума	Техника и инженерное дело Энергетика
Фамилия имя автора, дата рождения	Грищенко Леонид Дмитриевич 24.09.1997
Домашний адрес автора	662931, Красноярский край, Курагинский район, с. Шалоболино, ул. Набережная, д.1, кв.2
Место учебы:	Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Шалоболинская средняя общеобразовательная школа №18 Курагинского района Красноярского края
Класс	10
Научный руководитель	Борисов Евгений Васильевич учитель физики МБОУ Шалоболинской СОШ №18
E-mail	[e-mail]
Контакты	Курагинский район, с. Шалоболино, ул. Набережная, 1-2 тел. [phone] (дом.), . 8-391-36-73-293 (раб.), 8-391-36-73-407 (руководитель)

АННОТАЦИЯ

Грищенко Леонид

с. Шалоболино МБОУ Шалоболинская СОШ №18, 10 класс

«Тесла свитч – это миф или реальность?»

Руководитель: Борисов Евгений Васильевич, учитель физики

Цель исследования:

Изготовить модель генератора электрического тока на транзисторах системы 4-х батарей и исследовать на опыте эффект Tesla Switch.

Методы проведённых исследований:

Эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ.

Основные результаты работы:

1. Изготовлена модель генератора на 4-х аккумуляторных 12В батареях с использованием для переключения  полевых транзисторов от независимого дополнительного аккумулятора.

2.Опробовано несколько вариантов схем включения батарей в режиме исследования эффекта «Тесла-свитч».

3. Проведено исследование работы генератора в разных режимах. Модель показала, что существует ряд технических проблем для осуществления эффекта «Тесла-свитч». 

ВВЕДЕНИЕ

                                                 Без сомнения, все наше знание начинается с опытов.

                                               (Кант Эммануил. Немецкий философ 1724-1804г.г).

"Если ученик в школе не научился сам ничего творить, то в жизни он всегда будет только подражать, так как мало таких, которые бы, научившись копировать, умели сделать самостоятельное применение этих сведений». Прочитав это высказывание Алексея Толстого, я понял, что мне не хотелось бы просто повторять кем-то изученное, а самому пробовать изучать мир. К сожалению, колесо изобрели задолго до того, как я родился, но в мире еще столько неизученного и интересного.

            Сейчас довольно актуальна тема энергосбережения и экологичности систем электроснабжения на случай природной катастрофы. Наводнение на Дальнем Востоке привело в негодность линии электропередач. В Японии произошло бедствие, во время которого пострадала атомная электростанция и выделилась наружу огромная доза радиации, которая принесла огромный вред окружающей природе  и человеку. После аварии на Саяно-Шушенской ГЭС нет уверенности, что существующая система электроснабжения надежна и стабильна.

            Современный человек напрямую зависит от энергоснабжения, так как бытовое  оборудование требует постоянного электропитания. Но основные источники  электричества – атомные и речные электростанции. Возникает вопрос, а есть ли альтернатива уже имеющимся источникам электрической энергии? Нельзя ли создать автономный источник энергии?

Цель исследования:

      Изготовить модель генератора электрического тока на полевых транзисторах системы 4-х батарей Тесла и исследовать на опыте эффект «Тесла-свитч».

Основные задачи:

• Расширить уровень знаний в области электрических явлений в практическом конструировании модели генератора.

• Изготовить и исследовать рабочую модель генератора электрического тока  на полевых транзисторах системы 4-х батарей из доступных материалов в школьной лаборатории.

• Исследовать эффект «Тесла-свитч» на модели генератора, проанализировать полученные результаты эксперимента по параметрам: напряжение, сила тока и мощность.

Проблема: Участившиеся природные катаклизмы сделали нестабильной имеющуюся систему энергоснабжения.

Гипотеза: Предполагаю, что возможны иные способы получения электроэнергии.

Методы проведённых исследований:

• изучение и анализ информации,

• изготовление генератора и эксперимент,

• наблюдение и обобщение собственного опыта работы,

• сравнительный анализ результатов

ХОД ИССЛЕДОВАНИЯ:

Глава 1. Изучение и анализ информации.         

При изучении информации о генераторах электрического тока выяснилось, что кроме классических проверенных и готовых к работе моделей, таких как:  бензиновые генераторы, ветряные генераторы, солнечные батареи, малые гидро-генераторы  (морские модули), существует несколько нетрадиционных вариантов генераторов, которые предложил в свое время Никола Тесла[1,2,3]. Один из них очень заинтересовал своей кажущейся простотой изготовления и безопасности эксплуатации – это генератор тока на 4-х аккумуляторных батареях[1].

            В кислотно-свинцовых батареях, есть один важный фактор, участвующий в зарядных цепях, процесс зарядки происходит посредством электронов, бегущих по проводам-проводникам  в батарею[5]. Основной ток внутри батареи осуществляется заряженными ионами в свинцовых пластинах батареи. Эти ионы в сотни тысяч раз "тяжелее" электронов. Что, в принципе,  несущественно, как только ионы приходят в движение, но в начальную долю секунды, прежде чем ионы придут в движение, "входящие" электроны скапливаются как машины в пробке.

Эта «толпа» электронов вызывает повышение напряжения на отрицательном терминале батареи, намного выше номинального напряжения, и таким образом, зарядка начинается с высоковольтного импульса большого тока, направленного в батарею.

 В генераторе  используется разница в инерции электронов и ионов свинца. Техника заряда батарей данной схемы состоит в постоянном использовании очень коротких высоковольтных импульсов (от 50В и выше). Если высоковольтные импульсы достаточно короткие, напряжение и ток, текущий во вторую батарею намного превышают значения, очевидные при поверхностном взгляде на схему. Этот эффект был назван как «Тесла-свитч». Для осуществления эффекта необходимо  быстрое и качественное переключение батарей из положения параллельного соединения в последовательное соединение и наоборот [1].

Благодаря использованию 12-Вольтовых батарей по схеме, показанной на рисунке, напряжение на лампочке будет равно тем же 12В, как и при простом подключении к одной батарее.

            Поскольку батареи 1 и 2 включены последовательно (напряжение удваивается в этом случае), в то время как батареи 3 и 4 включены параллельно (напряжение при этом не меняется, т.е. = 12В). Тесла в своей схеме менял местами включение батарей 1-2 с 3-4. В то же время он предпочел делать это несколько иначе, меняя способ подключения (параллельно/последовательно) несколько сотен раз в секунду, с помощью механического прерывателя контактов приводящегося в движение электродвигателем.

Глава 2. Изготовление генератора и эксперимент.

            Для изготовления генератора были приобретены  4  аккумуляторные 12В батареи (на 1,2 АЧ). В предыдущей работе для проверки работоспособности данной схемы решено было использовать автомобильные реле на 12В, которые будут переключаться управляющим генератором[4,6]. Но оказалось, что скорость переключения реле недостаточна для получения одновременного заряда батарей и подключенной нагрузки в виде лампочки.

Для исследования эффекта «Тесла-свитч», был изготовлен генератор управления полевыми транзисторами на микросхеме TL494 [6-12].                         

            Чтобы получить эффект «Тесла-свитч», необходимо получить короткие импульсы на отрицательном терминале батареи намного выше номинального напряжения батареи (50В и выше), и, таким образом, зарядка начинается с высоковольтного импульса большого тока, направленного в батарею.

Так как в схеме используется разница в инерции электронов и ионов свинца, то техника заряда батарей данной схемы состоит в постоянном использовании очень коротких импульсов. Если импульсы достаточно короткие, напряжение и ток, текущий во вторую батарею намного превышают значения, очевидные при поверхностном взгляде на схему. При подключении в нагрузку первичной обмотки понижающего трансформатора на отрицательных контактах батарей наблюдаются короткие  импульсы вверх по амплитуде 50-70В.

Глава 3. Наблюдение и обобщение собственного опыта работы. При исследовании работы модели генератора выяснилось, что требуются очень резкие фронты включения и выключения транзисторов для того чтобы проявился эффект «Тесла-свитч».  Генератор построен по принципу двух плеч, которые, как качели, по напряжением резко поднимаются и опускаются при изменении схемы включения (последовательное – параллельное).  При переключениях возникает короткий всплеск тока – это и есть искомый эффект.

    В начале исследования генератор собранный по схеме №1 включался при работе без нагрузки. В отдельности правое и левое плечо (каждое из двух батарей) проверялось в работе переключения на разных частотах от 5Гц и до 1000Гц. Оказалось, что правое плечо (Ак.№3, Ак.№4) работало в предполагаемом режиме: при измерении напряжения на контактах цифровым мультиметром DT9205A, батареи не меняли своего значения при достаточно долгой  работе (30 минут и более). На левом плече  происходил небольшой разряд батарей (Ак.№1 и Ак.№2). При проверке силы тока на транзисторе №1 амперметр показал 1,5мА, на транзисторе №4 - 18 мА, на транзисторе №2 – 1,5 мА. При этом, управляющий генератор прямоугольных импульсов подаваемых на транзисторы через оптроны запитывался внешним аккумулятором потребляя ток нагрузки 40 мА.

      При выключении генератора, батареи аккумуляторов начинали восстанавливать свой первоначальный заряд. При включении нагрузки в виде лампочки (13,5В 0,28мА) батареи начинали разряжаться, но через 2 минуты стабилизировались.

Решено было внести изменения в электрическую схему, добавив диоды при переключениях в параллельное соединение аккумуляторов.

  Определить частоту переключения, при которой количество импульсов заряжающих аккумуляторы было достаточным, чтобы при включении нагрузки разряд был равен заряду батарей. Меняя частоту от 100 Гц до 1000 Гц было обнаружено, что для схемы №2 такая частота 649 Гц.

Изучив материалы о полевых транзисторах [7,8,9], была собрана новая схема генератора с использованием транзисторов IRF 540. При включении генератора без нагрузки падение напряжения на аккумуляторах составила 0,01В в течении 30 мин. С использованием новой схемы был проведен ряд экспериментов.

Эксперимент 1. Подключение нагрузки в виде лампочки.

За 1 час подключения лампочки (13,5В; 0,28А) к одному аккумулятору, произошла разрядка на 0,5В. (см. рис. )

Подключение этой же лампочки (13,5В; 0,28А) генератору за 8 часов работы при частоте 750 Гц, каждый из аккумуляторов разрядился в среднем на 0,5 В. То есть, экономический эффект генератора очевиден (в 2 раза).

Эксперимент 2. 

При увеличении частоты генератора  до 1,5 кГц аккумулятор №1 (синий, на рис. 10) начал заряжаться, но №2 разрядился сильнее. В среднем, напряжение понизилось  на 0,5В за 8 часов. Так как эффект Тесла-свитч наблюдается более ярко при включении в нагрузку катушки индуктивности, решено было провести следующие исследования с использованием трансформатора с железным сердечником снятого со старого телевизора на 180 Вт.

            Эксперимент 3.

Трансформатор с железным сердечником от телевизора на 180Вт. На первичную обмотку подавалась частота от 324Гц до 649Гц. Вторичная обмотка не нагружалась. При увеличении частоты в два раза разряд аккумуляторов идет более плавно, но ожидаемого заряда не наблюдается.

Эксперимент 4.

На вторичную обмотку трансформатора была подключена лампочка (13,5В 0,28А) при частоте 649Гц. По графику видно, что происходит стабильный разряд всех аккумуляторов.

            Эксперимент 5.

Было принято решение исключить 4 транзистора, которые при переключениях могли создавать кратковременные короткие замыкания (рис.  схема№3). Видно, что аккумуляторы №1 и №3 должны заряжаться, а №2 и №4 – разряжаться. Действительно это происходит в случае, если работает один транзистор. Так как два аккумулятора соеденены последовательно, их напряжение составляет 24В и при включении транзистора через нагрузку в виде лампочки происходит рарядка аккумулятора №3 или №1. Если транзисторы попеременно включаются и выключаются, то происходит разряд аккумуляторов №2 и №4, а №1 и №3 не разрежаются (рис. ). При этом наблюдается интересный эффект: №2 и №4 первые 10 мин разряжаются до определенного уровня, затем процесс разряда замедляется. При этом генератор импульсов, управляющий транзисторами был подключен к отдельному аккумулятору.

            Эксперимент 6.

Чтобы исключить внешнее питание генератора импульсов он был подключен через диоды на аккумуляторы № 1 и №3. Оказалось что после подключения питания генератора управления транзисторами аккумуляторы №1 и №3 стали медленно, но уверенно разряжаться, а №2 и №4 ускорили также свой разряд.

Глава 4. Результаты исследования генератора.

По результатам исследования работы генератора на полевых транзисторах при разных частотах нам удалось избавиться от утечки заряда полностью. Работа генератора проверялась разной  нагрузкой в виде лампочки (13,5В 0,28А) и первичной обмоткой понижающего трансформатора с железным сердечником. На частотах от 5Гц до 300Гц для лампочек выяснилось, что тот заряд, который поступает виде коротких импульсов через нагрузку недостаточен для поддержания заряда батарей на прежнем уровне. Выяснилось, что при частоте 649Гц разряд аккумуляторов идет более плавно, но ожидаемого заряда не наблюдается. При включении генератора с индуктивной нагрузкой в виде трансформатора было обнаружено, что при частоте 324-649Гц амплитуда импульсов достигает 130-170В (показания сняты цифровым мультиметром DT9205A). При повышении частоты амплитуда уменьшается. Видимо, это связано с тем, что у трансформатора железный сердечник. Если использовать трансформатор с ферритовым сердечником, то частоту импульсов можно изменять от 100 до 2000 Гц.

Создана модель генератора на полевых транзисторах. Проведены первичные эксперименты по исследованию его работоспособности.

Эффект «Тесла-свитч» наблюдается, но ожидаемого результата не получено. Необходимо добиться, чтобы управляющий генератор также работал от самого генератора, а не от дополнительного источника тока (ток потребления составляет 40 мА, 3,6Вт). Найти режимы работы генератора под нагрузкой без потери заряда на аккумуляторах.  

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренный нетрадиционный вариант генератора на 4-х батареях, показал свою работоспособность. Для изготовления генератора в домашних условиях достаточно знаний на уровне радиолюбителя и небольших финансовых вложений. При исследовании работы модели генератора  эффект «Тесла-свитч» действительно наблюдается. Это видно через короткие импульсы тока, превышающие по значению, относительно 12В на  батареях №2 и №4 (рис. 4)  в разы (до 150-170В), возникающие при переключениях  на отрицательных контактах батарей №2 и №4. Именно эти импульсы тока производят заряд батарей. 

Для того чтобы получить экономический эффект,  при котором затраченное генератором количество энергии превосходило  полученное,  нужно продолжить работу по совершенствованию модели. Для продолжения работы необходимо решить ряд технических задач,  которые были выявлены при исследовании  схем №1, №2 и №3. Продолжить изучение работоспособности на полевых транзисторах с индуктивной нагрузкой. Для наблюдения импульсов при переключении необходим двухлучевой осциллограф и профессиональный щуп, чтобы исключить все внешние  наводки и шумы. Сделать расчет для изготовления трансформатора на ферритовом кольце: диаметр, количество витков первичной и вторичной обмоток, толщину провода. Найти схематическое решение для преобразования частоты полученного генератора 100 – 800 Гц до сетевой частоты потребителя 50Гц. 

Выводы: Изготовленные схемы (№1, №2 и№3) генератора на 4-х батареях (12В, 1,2 АЧ) с использованием для переключения, показала свою работоспособность. Эффект «Тесла-свитч» действительно наблюдается при переключениях транзисторов в виде очень коротких импульсов тока на отрицательных контактах батарей №2 и №4. Но при включении нагрузки на генератор не происходит желаемого заряда батарей. При эксплуатации аккумуляторов через любую из наших схем их разряд происходит в два раза медленней, чем если напрямую подключиться к аккумуляторам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Tesla Switch и его модификации http://energodar.net/energy/radiantnaya/tesla_switch.html.

2. Альтернативные генераторы: http:www.methernitna.com.
3. Катушка Теслы и нанотехнологии: www.ntpo.com

4.      Информация о таймере LN555:

http://c2.at.ua/load/mikroskhema_555/mikrosskhema_555_prakticheskoe_primenenie .

5.      Как работает аккумулятор:  http://www.autoclub-kazan.ru/publication/?id=648

6.      Генератор прямоугольных импульсов на 561 лн2 http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=22&t=29785.

7.      Справочник «Импортные биполярные и полевые транзисторы. Параметры»: .http://www.orgtexnica.ru/integraltr.htm.

8.      Справочник по транзисторам биполярным большой мощности: http://trzrus.narod.ru/rec/recany.htm?2../powertrz.htm.

9.      Справочник по полупроводниковым диодам: http://www.volt-220.com/images/book/diod.pdf.

10.  Хоровиц Хилл «Искусство схемотехники» в трех томах с дополнениями,  перевод с английского под ред.кан.тех. наук М.В.Гальперина, М. «МИР» 1986г..

11.  Полупроводниковые приборы: «Транзисторы»,  справочник, Москва «Энергиздат» 1982г.

12.  Справочник по  «Интегральным микросхемам», Москва «Энергия», 1980 г.

.

Приложение 1.

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ

Дата	Вид деятельности		Полученный результат		Примечание
Август  2011г	Выбор темы		Определился с темой исследования «как жить, если отключили электричество»		Без электричества жизнь «замирает»
август 2011 – ноябрь 2011	Изучение информации о генераторах электроэнергии	Создание «Банка данных» о промышленных генераторах		Решили делать модель ветряного генератора
ноябрь 2011 – декабрь 2011	Исследовательские пробы	Собрана модель		При проведении проб решено изменить положение лопастей
Декабрь 2011г январь 2012г.	Оформление  учебно-исследовательской работы в соответствии с требованиями районной НПК «Новое поколение»	Создание электронной версии  работы
25.02.12	Выступление на РНПК «Новое поколение»	2 место в секции «Физика»
26-27 февраля	Подготовка электронной версии работы по требованиям краевого форума «Молодежь и наука»	Создание электронной версии  работы
28.02.12	Участие в зональном слете юных техников в г. Минусинске	3 место в номинации «Инженерная бизнес-идея»
7 апреля 2012 г	Презентация работы на форуме «Молодёжь и наука»	Отношение учёных г. Красноярска к работе		Корректировка работы
август 2012 – ноябрь 2012г.г.	Изучение информации об альтернативных  генера- торах электроэнергии	Создание «Банка данных» об альтернативных источниках электрической энергии.		Решено делать модель генератора на  4-х аккумуляторных батареях.
Ноябрь 2012г	Презентация работы на слете Юных техников, п. Курагино	Победа в номинации «Инженерная бизнес-идея»
ноябрь 2012 – декабрь 2012г.г.	Приобретение аккумуляторных батарей, радиодеталей, проводов, клемм, зажимов. Изготовление генератора. Исследовательские пробы	Собрана модель генератора на 4-х батареях. Управление батареями с помощью  реле от генератора управления на микросхеме К561ЛН2.		При исследова- нии работы генератора решено изменить управление переключения на реле транзисто- рами КТ817В.
январь –февраль 2013г.	Исследование работы генератора с дальнейшим усовершенствованием схем управления и конструктивные доработки модели.	Замена схемы управления на улучшенный вариант.
февраль 2013г	Презентация работы на слете Юных техников, г.Минусинск	Победа в номинации «Энергосбережение»
март 2013г.	Оформление  учебно-исследовательской работы в соответствии с требованиями форума «Молодёжь и наука»	Создание электронной версии  работы
март 2013г.	Подготовка  презентации работы	Создание электронной презентации работы
.Апрель 2013г.	Выступление на краевом форуме «Молодежь и наука»	Призер форума		Получил устные рекомендации жюри форума
Апрель-май 2013г.	Анализ информации по изготовлению новой схемы			Решено изготовить схему на полевых транзисторах
Сентябрь-октябрь 2013г.	Сборка варианта схемы №1  на полевых транзисторах, ее исследование			Лампочка на модели горит дольше, чем отдельно на аккумуляторах
Ноябрь 2013г.	Участие в краевой выставке «Сибирский техносалон»
.Ноябрь 2013г.	Презентация работы на VIII соревнованиях молодых исследователей Сибирского федерального округа «Шаг в будущее»	Получил научную медаль «юный исследователь Сибири», сертификат для участия в конкурсном отборе XIX Российской молодежной научной и инженерной  выставке «Шаг в будущее»
Декабрь 2013г.	Изготовление варианта схемы №2. Проведение экспериментов №2-№5.
Январь 2014г.	Изготовление варианта  схемы №3. Эксперимент №6. Оформление  учебно-исследовательской работы в соответствии с требованиями форума
Февраль 2014г.	Дальнейшее оформление исследовательской работы. Оформление презентации на данную работу.