Научная работа по физике "Катушка Тесла"

Муниципальный этап региональной научно-практической конференции

учащихся 1-11 классов общеобразовательных учреждений                                    «Интеллектуальный потенциал XXI века»

Катушка Тесла

Содержание

Введение……………………….……………………………….…….….........3

Глава I. Трансформатор Тесла………………………………………..……..4

Глава II.   Моделирование катушки Тесла………………………..….……..8

Заключение…………………….………………………………….……..…..10

Список литературы……………………….………………….………………11

Приложение 1………………………………………………..…………..…..12

Приложение 2…………………………………………………………..……13

Введение

Актуальность. Трудно сейчас представить нашу жизнь без электричества. С использованием электричества осуществляется обустройство жилищ, на электричестве работают некоторые виды транспорта, от электричества зависит любое производство. Главный недостаток электричества – использование для его передачи проводов и различных линий электропередач. Но возможно через некоторое время беспроводная передача электроэнергии войдет в нашу жизнь. Моя работа посвящена созданию катушки Тесла, с помощью которой  можно показать возможность передачи  электричества на расстояние без проводов. Беспроводная передача электрической энергии  на  сегодняшний день актуальная задача.

Цель: изготовление катушки Тесла.

Задачи:

1.     Изучить литературу и Интернет источники по данной теме.

2.     Познакомиться с принципом действия катушки Тесла.

3.     Собрать  катушку Тесла и продемонстрировать её работу.

Объект исследования: катушка Тесла.

Предмет исследования: процесс беспроводной передачи электричества.

Гипотеза: с помощью катушки Тесла можно осуществлять передачу электричества беспроводным путем.

Методы исследования: изучение литературы по выбранной теме, наблюдение, моделирование, проведение исследовательского эксперимента.

Глава I. Трансформатор Тесла

Никола Тесла — изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. Родился 10 июля 1856 года в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США (Рис. 1).

Рис. 1 Никола Тесла

Тесла был трудолюбив, талантлив, умел полностью погружаться в научные проблемы. Основными заслугами Тесла можно считать исследования природы электричества, особенно высоковольтного. Тесла поражал своих знакомых и коллег удивительными экспериментами, в которых он управлял высоковольтными генераторами и мог поддерживать такие характеристики любое необходимое время. Для тех, кто жил рядом с ним, мир менялся, превращался в сказочное пространство, где ничему не стоит удивляться. Вспыхивали северные сияния над всей Атлантикой, обычные бабочки превращались в ярких светлячков, шаровые молнии запросто доставались из чемоданов и использовались для освещения гостиных.

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 [3, стр. 37].

Одним из его самых знаменитых изобретений является трансформатор Тесла. Трансформатор Тесла, также катушка Тесла — устройство, изобретённое Николой Тесла и носящее его имя. Является резонансным трансформатором, производящим высокое напряжение высокой частоты. Оно извергало молнии и заставляло  светиться       люминесцентные лампы.     Прибор был запатентован  22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала» [1, стр. 39]. Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек — первичной и вторичной, а также разрядника, конденсаторов, тороида (Рис. 2). 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 ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.

Рис. 2 Трансформатор Тесла

Принцип работы таков: конденсатор заряжается от высоковольтного источника питания, затем разряжается через искровой промежуток на первичную катушку. На вторичную катушку передается часть энергии, и возникают резонансные колебания, что приводит к возникновению на выходе высокого напряжения. Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов [2, стр. 7]. 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. Высокое напряжение в верхней части вторичной обмотки приведёт к появлению впечатляющих разрядов в воздухе (Рис. 3). 

 

Рис. 3 Высокое напряжение в верхней части вторичной обмотки приводит к появлению впечатляющих разрядов в воздухе. 

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. Если к нему поднести катушку с медной проволокой, то на его концах появится напряжение. А если поднести люминесцентные лампы, то они загораются сами по себе. Это происходит из-за того, что вокруг катушки образуется мощное электромагнитное поле.

Посредством передачи тока высокого напряжения высокой частоты ученый мечтал обеспечить бесплатной электроэнергией любое здание, частный дом и прочие объекты. Но, к сожалению, из-за большого потребления энергии и низкой эффективности, широкого применения катушка Тесла так и не нашла. Не смотря на это, радиолюбители из разных уголков планеты собирают небольшие катушки Тесла для развлечений и экспериментов [5].

Глава II. Моделирование катушки Тесла

Изучив схему трансформатора Тесла, я пришёл к выводу, что вполне возможно собрать катушку Тесла дома. Для её создания мне потребовались следующие предметы и материалы:

1) Провод медный обмоточный D 0,1мм

2) Провод медный обмоточный D 0,8мм

3) Два резистора R=33кОм

4) Два подстроечных резистора СП4-1

6) Транзистор 2SC2625

7) Основа для вторичной катушки, ПВХ труба

8) Изолированный медный провод D 1мм

9) Радиатор

10) Клеммы для проводов

11) Олово, припой, шуруп

12) Паяльник 30 Вт, термопистолет, шуруповерт, кусачки.

Первым этапом  моей работы было создание первичной  и вторичной  катушек. Создание первичной катушки не несло в себе никаких трудностей, медный провод 0,8 мм был сложен вдвое и намотан в виде 5 витков спирали, а вот со вторичной всё оказалась не так просто, т. к. она мотается очень тонкой проволокой, и витки должны не накладываться друг на друга, а их количество должно быть равным 1500. Поэтому для данных целей был взят шуроповерт, а в его патрон была закреплена ПВХ труба. Тем самым намотка 1500 витков была легкой и в тоже время качественной.

Далее я спаял нужную мне схему из транзистора, отвечающего за рабочую частоту данной схемы, и двух резисторов, выполняющих функцию токоограничения базы транзистора. Также подключил два подстроечных резистора для регулировки мощности катушки. Затем я прикрутил транзистор к радиатору, для его охлаждения, приклеил клеммы с помощью термоклея и подключил провода к первичной и вторичной обмотке   (Приложение 1).

В итоге у меня получилось собрать устройство, осуществляющее  беспроводную передачу энергии, т.к. при подключении питания вокруг катушки возникает электромагнитное поле высокого напряжения. Но разряды катушки не являются опасными для человеческого организма при кратковременном воздействии, так как сила тока мала, а частота и напряжение слишком высоки [5, 6] .

С готовой катушкой Тесла можно провести демонстрацию разряда в люминесцентной лампе и лампе дневного света. Люминесцентная лампа, при внесении в зону электромагнитного поля начинает светиться, т.к. инертный газ, наполняющий её, подвергается воздействию высокочастотного импульсного поля и должен начинать свечение [4]. При поднесении лампы накаливания в поле катушки, в ней возникает свечение красноватого оттенка от спирали, которое,  доходя до поверхности лампы становиться ярко-синим     (Приложение 2).

Катушку Тесла можно использовать: в познавательно-эстетическом направлении в тесла-шоу, для генерации и распространения электрических колебаний, на расстоянии без проводов (радиоуправление), в медицине (пациентов обрабатывали слабыми высокочастотными токами, которые, оказывают «тонизирующее» и «оздоравливающее» влияние), для запуска газоразрядных ламп, для поиска течей в вакуумных системах.

Заключение

В ходе проведения исследовательской работы мной была изучена схема катушки Тесла, произведен ее монтаж и сборка, а также проведено несколько экспериментов. Был получен стример, светились люминесцентные лампы и лампы накаливания. Собранная катушка Тесла показала, что возможность передачи электричества без проводов существует. Моя гипотеза подтвердилась. Технология беспроводной передачи энергии является революционной для нынешнего общества, т.к. начинает получать широкое распространение уже сегодня. Хотя первые масштабные опыты были проведены Николой Тесла более ста лет назад, данная технология только сейчас перешла на более глобальный уровень. И можно сказать, что в ближайшее время именно она в процессе развития станет одной из основополагающих в будущем.

Список литературы:

1.                 Ларионов Д. В. Беспроводная передача энергии [Текст]   // Молодой ученый. — 2018. — №44. — С. 39-41.

2.                 Магомедов Э. Макет устройства для передачи электрической энергии без проводов [Текст]  / Э. Магомедов,  рук. Ю. В. Казакова // Физика. Первое сентября. – 2013. - № 2. – С. 7-9.

3.                 Образцов П. А. Правда и ложь о великом изобретателе. [Текст] / П. Образцов. –  М.: Эксмо, 2009. – 283с.

4.                 Беспроводная передача энергии [электронный ресурс] / Режим доступа: https://elquanta.ru/teoriya/besprovodnaya-peredacha-ehnergii.html

5.                 Катушка Тесла своими руками [электронный ресурс] / Режим доступа: https://elektro.guru/osnovy-elektrotehniki/katushka-tesla-svoimi-rukami.html

6.                 Делаем беспроводную передачу энергии [электронный ресурс] / Режим доступа: https://usamodelkina.ru/4382-delaem-besprovodnuyu-peredachu-elektroenergii.html

                                                                                                    Приложение 1

Фотографии модели созданного устройства

Приложение 2

Демонстрация работы катушки Тесла