Подобие с качелями
Для лучшего понимания скопления, большой разности потенциалов контура, представьте себе колеблющиеся качели от оператора. Тот же контур качания и человек действует как первичная катушка. Ход качания – это электрический ток во второй обмотке, а подъем – это разность потенциалов.
Оператор качается, передает энергию. Несколько раз они сильно ускорялись и становились очень кайфовыми, они концентрировали в себе много энергии. Такой же эффект происходит с катушкой Тесла, возникает переизбыток энергии, происходит сбой и видна красивая коса.
Резонансная частота – это количество колебаний в секунду.
Длина колебательного пути определяется коэффициентом связи. Если качнуть качели, то они быстро раскачиваются, втягиваются ровно на длину руки человека. Этот коэффициент равен единице. В нашем случае катушка Тесла с повышенным коэффициентом – это такой же трансформатор.
Человек толкает качели, но они не держатся, поэтому коэффициент сцепления небольшой, качели уносятся дальше. Их раскачивание занимает больше времени, но не требует силы. Чем выше коэффициент связи, тем больше энергии быстрее накапливается в цепи. Разность потенциалов на выходе меньше.
Коэффициент добротности противоположен трению в примере качелей. Когда трение велико, добротность мала. Это означает, что добротность и коэффициент подбираются для самой большой высоты поворота или самой большой косы. В трансформаторе второй обмотки катушки Тесла добротность является переменной величиной. Эти две ценности трудно согласовать; выбрано в результате экспериментов.
Схема и основные компоненты
Чтобы понять, как работает трансформатор Тесла, необходимо рассмотреть его устройство. В схему входит две обмотки – вторичная и первичная. Контуры выполнены из медной проволоки толщиной 0,1-0,2 мм².
К первичной обмотке подводится переменный ток. Это позволяет получить магнитное поле, передающее электричество от первой ко второй катушке. В этот момент вторичная обмотка будет производить контур колебательного типа. Обмотка будет накапливать получаемое электричество. Некоторое время нагрузка будет здесь храниться как определенное напряжение.
Схема резонансного трансформатора Тесла может иметь разное строение катушек. Контуры обладают схожими чертами. Тороидальные разновидности катушек Тесла представлены на фото.
Трансформатор конструкции Николы Тесла содержит в составе тороид. Элемент выполняет три основные функции:
- Способствует накоплению электричества перед тем, как будет получен стример. Большие габариты позволяют тороиду вместить значительное количество энергии. В устройстве часто применяется прерыватель.
- Уменьшает резонансную частоту.
- Образует электростатическое поле, отталкивающее стример. В некоторых типах конструкций эту функцию выполняет вторичная катушка.
Для подобных устройств важно выдерживать правильное соотношение между диаметром и длиной вторичной катушки. Пропорция должна составлять 1:4
Защитное кольцо схемы препятствует выходу электроники из строя. Деталь выглядит как специальное кольцо, изготовленное из меди.
Для правильной работы трансформатора Тесла защитное кольцо должно заземляться. Стримеры замыкают ток, ударяясь в землю. Если контур надежен, молнии ударяют непосредственно в агрегат.
В первичной обмотке определяется небольшое сопротивление. Это обеспечивает на практике надежную передачу электроэнергии. Точка подключения характеризуется высокой подвижностью. Это позволяет менять резонансную частоту. Понимая соотношение представленных элементов, удастся вникнуть в принцип работы трансформатора Тесла.
ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОКОВ ФУКО
Для того чтобы оценить масштабы энергии, которая может выделяться при протекании вихревых токов, полезно вспомнить принцип работы индукционных плавильных печей. В ёмкость печи, выполненную из огнеупорной керамики, помещают лом стали, чугуна или железную руду.
Плавильная ёмкость окружена мощной спиральной обмоткой, по которой пропускается ток высокой частоты. Содержимое ёмкости в данном случае играет роль магнитного сердечника.
Под воздействием возникающих вихревых токов происходит интенсивный разогрев и расплавление загруженного железосодержащего материала. Электроплавильное производство относится к одному из самых энергоёмких.
Потери на перемагничивание обусловлены следующими факторами:
1. Макроструктура магнитных материалов имеет зернистый характер. Образование структурных зёрен происходит на стадии застывания расплавленного металлического сплава вследствие возникновения множества очагов кристаллизации.
2. В результате образуются зёрна структуры, которые представляют собой монокристаллические образования — домены. Каждый домен магнитного материала имеет некоторое результирующее направление вектора магнитной индукции.
При отсутствии внешнего магнитного поля векторы индукции доменов направлены хаотически. Но если поместить такой материал в магнитное поле, векторы доменов становятся однонаправленными.
Применительно к процессу трансформации происходит следующее. Ток первичной обмотки создаёт в сердечнике магнитное поле, направление индукции которого меняется с частотой 50 герц (при подключении к обычной электросети).
С такой же частотой происходит переориентация векторов магнитной индукции доменов магнитопровода. Энергия, затрачиваемая на циклическое перемагничивание, выделяется в виде тепла, нагреваемого сердечник.
Энергию, затраченную на перемагничивание сердечника, называют также потерями на гистерезис. Величина этих потерь зависит от свойств материала трансформаторного сердечника, а если более конкретно, от вида их кривой намагничивания — петли гистерезиса.
Наименьшими потерями характеризуются магнитомягкие материалы — электротехническая сталь и пермаллой, которые и используются при изготовлении трансформаторных магнитопроводов.
Экскурс в историю
Изобретение трансформатора в 1896 году принадлежит именно тому самому Николе Тесла. Основная активность изобретателя пришлась на конец IX — начало XX века. Приоритетными направлениями, которыми он занимался, были физика и инженерия. Он опережал своё время на столетия, даже современные учёные поражаются тем высотам, которых смог достичь изобретатель. Тесла мог превратить ночь над Нью-Йорком в день, у людей от этого вставали волосы дыбом, а из-под лошадиных подков вылетали метровые искры.
Путь, который он выбрал для себя, был полон трудностей, связанных в основном с постоянным
поиском инвесторов. Те, в свою очередь, не желали вкладывать в его «сумасшедшие» идеи деньги. Немногие, решившиеся на финансирование его изобретений, в итоге либо пытались присвоить себе право собственности на его изобретения, либо прекращали финансирование. Влиятельным промышленникам того времени, таким как Рокфеллер, не было на руку, чтобы электричество стало бесплатным.
Одним из последних проектов, который проводил Тесла, было строительство огромной башни «Уорденклифф». В основу этой работы легла ранее изобретённая им катушка. Основным назначением этого объекта была передача электричества через океан — на другой континент такой же башне. При этом обе башни должны были работать в одинаковом резонансе. Но этот эксперимент был обречён на крах. Финансирование проекта прекратилось и Тесла снова ударился в поиски денег для построения своих детищ.
Ученый умер в 1943 году на 87-м году жизни при загадочных обстоятельствах в одном из номеров Нью-йоркского отеля. В последний год жизни он сильно болел и практически не выходил из отеля.
Типы трансформаторов, основанные на использовании
Существует также несколько типов трансформаторов, которые работают в определенной области. Как в электронике, так и в электротехнике несколько специализированных трансформаторов используются в качестве понижающего или повышающего трансформатора в зависимости от области применения трансформаторов. Таким образом, трансформаторы могут быть классифицированы следующим образом в зависимости от использования:
1. Трансформаторы, используемые в силовой области
В электротехнике область мощности имеет дело с производством, измерением и распределением энергии
Однако это очень большая область, где трансформаторы являются важной частью для обеспечения безопасного преобразования энергии и успешной доставки энергии на подстанцию и конечным потребителям. Трансформаторы, которые используются в области питания, могут быть как наружными, так и внутренними.
Силовые трансформаторы имеют большие размеры и используются для передачи энергии на подстанцию или в общественное электроснабжение. Этот трансформатор действует как мост между генератором энергии и первичной распределительной сетью. В зависимости от номинальной мощности и технических характеристик силовые трансформаторы могут быть далее классифицированы на три категории: Малые силовые трансформаторы, средние силовые трансформаторы и большие силовые трансформаторы. Номинальная мощность может быть более 30 кВА для 500-700 кВА или в некоторых случаях может быть равна или больше 7000 кВА для небольшого номинального силового трансформатора.
Силовой трансформатор
Из-за очень высокой выработки электроэнергии строительство силового трансформатора также имеет решающее значение. Конструкция включает в себя прочную изолирующую периферию и хорошо сбалансированную систему охлаждения. Наиболее распространенные силовые трансформаторы заполнены маслами.
Основной принцип работы силового трансформатора заключается в преобразовании низковольтного высокого тока в высоковольтный низкий ток. Это необходимо для минимизации потерь мощности в системе распределения электроэнергии.
Еще одним важным параметром для силового трансформатора является наличие фазы. Обычно силовые трансформаторы работают в трехфазной системе, но в некоторых случаях используются также однофазные малые силовые трансформаторы. Трехфазные силовые трансформаторы являются наиболее дорогостоящими и эффективными, чем однофазные силовые трансформаторы.
Измерительный трансформатор
Измерительный трансформатор используется для изоляции основной мощности и преобразования тока и напряжения в меньшем соотношении к его вторичному выходу. Измеряя выход, можно измерить фазу, ток и напряжение фактической линии электропередачи.
Распределительный трансформатор
Распределительные трансформаторы – это понижающий трансформатор, который преобразует высокое сетевое напряжение в требуемое конечным потребителем напряжение. Он также может быть однофазным или трехфазным.
Распределительные трансформаторы могут быть дополнительно классифицированы в зависимости от типа используемой изоляции. Он может быть сухого типа или может быть погружен в жидкость. Он изготовлен с использованием ламинированных стальных пластин, в основном выполненных в форме буквы С в качестве основного материала.
Распределительный трансформатор также имеет другой тип классификации, основанный на месте его использования. Трансформатор может быть установлен на коммунальном столбе, если это так,то его называют полюсным распределительным трансформатором. Он может быть размещен внутри подземной камеры, установлен на бетонной площадке (на площадке установлен распределительный трансформатор) или внутри закрытого стального ящика.
2. Трансформаторы, используемые в электронике
Импульсный трансформатор
Это один из наиболее часто используемых трансформаторов на печатных платах, которые производят электрические импульсы постоянной амплитуды. Он используется в различных цифровых схемах, где генерация импульсов необходима в изолированной среде. Поэтому импульсные трансформаторы изолируют первичную и вторичную цепи и распределяют первичные импульсы по вторичной цепи, часто это цифровые логические элементы или драйверы.
Аудиотрансформатор
Это еще один широко используемый трансформатор в области электроники. Он специально используется в приложениях, связанных со звуком, где требуется согласование импеданса. Аудиотрансформатор уравновешивает схему усилителя и нагрузки, как правило, громкоговорителя. Аудиотрансформатор может иметь несколько первичных и вторичных катушек, разделенных или центрированных.
Мифы об изобретателе
Основным эффектом, производимым катушкой Тесла, является передача электричества на расстояние. На этой основе было поставлено множество экспериментов как самим учёным при жизни, так и многими компаниями и учёными после его смерти.
Но есть несколько случаев и необъяснимых фактов в мировой науке, которые косвенно ведут к Тесле, например:
- Филадельфийский эксперимент, произошедший почти через 10 месяцев после смерти учёного, в котором просматриваются следы опытов Теслы.
- Электромобиль, который Тесла якобы продемонстрировал публике в 1931 году. Какие-либо свидетельства отсутствуют.
- Лучевое оружие. С 1958 по 1982 года одно из американских агентств уже предпринимало ряд попыток создать оружие, но вынуждено было закрыт проект в связи с рядом неудач со значительным превышением бюджета.
- Тунгусский метеорит. 30 июня 1908 года Никола Тесла проводил эксперимент по передаче энергии по воздуху, в этот же день наблюдался Тунгусский феномен.
Незадолго до смерти Никола Тесла попал под колеса автомобиля и получил перелом ребер. На фоне осложнений началось воспаление легких, и он слег в постель. Ученый глубоко переживал за судьбу родины, оккупированной в годы II мировой фашистами, и пытался поддерживать тех, кто вел борьбу за ее независимость. Даже будучи глубоко больным, Тесла никого к себе не пускал и находился в своем гостиничном номере один. Так он и умер в одиночестве от сердечной недостаточности в ночь на 8 января 1943 года. Обнаружили тело лишь спустя двое суток после смерти.
Защита силовых трансформаторов
В первую очередь необходимо постоянно контролировать уровень масла, циркулирующего внутри бака. На его температуру оказывает влияние целый комплекс различных факторов. В связи с этим происходит постоянное изменение объема и главной задачей становится поддержание уровня масла в установленных границах. Важную роль в этом играет использование расширительного бачка, компенсирующего все объемные отклонения. Кроме того, он позволяет вести наблюдения за текущим уровнем масла.
Данные о состоянии уровня снимаются с помощью маслоуказателя, подключаемого параллельно с расширительным бачком.
Силовые трансформаторы должны быть защищены от проникновения влаги, поскольку расширительный бак своей верхней частью плотно контактирует с окружающей средой. С этой целью устанавливается осушитель воздуха, создающий препятствия попаданию влаги в масло, что существенно снижает его диэлектрические свойства.
Важной составляющей масляной системы считается газовое реле, защищающее трансформатор от внутренних повреждений. Оно монтируется внутри трубопровода, который соединяет между собой основной и расширительный баки
Во время нагрева масло и органическая изоляция выделяют газы, попадающие в емкость газового реле, содержащую внутри чувствительный элемент.
В некоторых случаях может возникнуть аварийное повышение давления внутри бака. В целях защиты на крышке трансформатора выполняется монтаж выхлопной трубы. Ее нижний конец должен сообщаться с емкостью бака, а масло – поступать внутрь до необходимого уровня в расширителе. Над расширителем возвышается верхняя часть трубы, которая отводится в сторону и незначительно загибается вниз. Ее конец герметично закрывает стеклянная предохранительная мембрана, разрушающаяся в случае аварийного повышения давления.
Силовые трансформаторы, имеющие обмотку высокого напряжения свыше 1000 В, оборудуются релейной защитой от основных повреждений и неисправностей. Непосредственными защитными устройствами являются вторичные реле прямого или косвенного действия. Их подключение осуществляется не напрямую, а через измерительные трансформаторы напряжения и тока.
Кто вы, мистер Тесла?
Тесла — это новая цивилизация. Ученый был невыгоден правящей элите, невыгоден и сейчас. Он настолько опередил свое время, что до сих пор его изобретения и эксперименты не всегда находят объяснение с точки зрения современнейшей науки. Он заставлял светиться ночное небо над всем Нью-Йорком, над Атлантическим океаном и над Антарктидой, он превращал ночь в белый день, в это время волосы и кончики пальцев у прохожих светились необычным плазменным светом, из-под копыт лошадей высекались метровые искры.
Теслу боялись, он мог запросто поставить крест на монополии по продаже энергии, а если бы захотел, то мог бы сдвинуть с трона всех Рокфеллеров и Ротшильдов вместе взятых. Но он упрямо продолжал эксперименты, до тех пор, пока не погиб при таинственных обстоятельствах, а его архивы были выкрадены и местонахождение их до сих пор неизвестно.
Это интересно: Как действует трансформатор, принцип работы трансформатора
Откуда он появился
В начале XIX века ученые изучали свойства магнитного поля. И экспериментально было показано, что переменное магнитное поле способно создавать ток: его фиксировали приборами на проводнике. При этом долгое время никто не измерял его величину.
К середине того же века были изучены свойства ферромагнетиков и параметры магнитного поля, появился даже прообраз трансформатора — катушка Румкорфа. Наконец, в 1876 году русский ученый П. Н. Яблочков запатентовал первый в мире стержневой трансформатор.
Чуть позже в Англии стали производить первые трансформаторы с замкнутым сердечником, которые и стали прообразом почти всех современных устройств этого типа. Все дальнейшие работы велись в направлении усовершенствования, и основывались они на изучении эксплуатационных свойств этого устройства. Так, были введены сердечники из слоистого материала, масляное охлаждение. В СССР распространение трансформаторов шло вместе с электрификацией всей страны, с конца 20-х годов прошлого века.
Основные виды катушек
Самодельная катушка тесла.
Сам Тесла изготавливал Трансформатор только одного типа – на разряднике (СГТЦ).
С тех пор элементная база сильно улучшилась, и появилось множество разных типов катушек, по аналогии их продолжают называть катушками Тесла.
Типы катушек принято называть из английских аббревиатур. Если название необходимо сказать на русском языке, английские аббревиатуры просто говорят русскими буквами без перевода. Самые распространенные типы катушек тесла рассмотрим ниже.
SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil)
Трансформатор тесла на разряднике. Самая первая и “классическая” конструкция (ее использовал сам Тесла). В качестве ключевого элемента использует разрядник. В маломощных конструкциях разрядник – просто два куска провода, находящихся на некотором расстоянии, а в мощных – сложные вращающиеся разрядники. Трансформаторы этого типа идеальны если вам нужна только большая длинна стримера.
VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil
Трансформатор тесла на лампе. В качестве ключевого элемента используется мощная радиолампа. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и выдавать толстые, “жирные” стримеры. Этот тип чаще всего используют для высокочастотных тесел, которые из-за характерного вида своих стримеров получили название “факельник”.
SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil)
Трансформатор тесла, в котором в качестве ключевого элемента используются полупроводники. Обычно это MOSFET или IGBT транзисторы. Этот тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых этой катушкой, может быть самый различный. Этим типом Тесел проще всего управлять (играть музыку, к примеру).
Катушка типа Solid State Tesla Coil.
DRSSTC (ДРССТЦ, ДРка, Dual Resonant Solid State Tesla Coil)
Трансформатор с двумя резонансными контурами, в котором в качестве ключей используются полупроводники, в подавляющем большинстве случаев, это IGBT транзисторы. ДРССТЦ – самый сложный в изготовлении и настройке тип трансформаторов тесла. Характерная длинна стримеров трансформатора этого типа немного меньше, чем у SGTC, а управляемость немногим хуже, чем у SSTC.
Для управления внешним видом стримеров придумали так называемый прерыватель. Изначально с помощью этого устройства останавливали катушку для того, чтобы дать возможность зарядится конденсатором и остыть разрядному терминалу, и, засчет этого, увеличить длину стримеров. Но в последнее время в прерыватели начали встраивать дополнительные функции, к примеру, научили катушки Тесла играть музыку.
Получаем энергию с катушками и без них
Попробуем снять энергию эфира в двух режимах. Сначала трансформатор работает самостоятельно, без дополнительных катушек. Слева напряжение потребления, справа ток. Напряжение приблизительно 11 вольт, ток 1,8. Теперь подключим две одинаковые катушки. В их середине вставлены трубки для съема. На их выходы включены лампочки. Те, что используются в холодильнике на 220 вольт, 15 ватт. Катушки намотаны так же, как на качере. Все выводы из лампочек пойдут на землю. Посмотрим, как изменяются параметры.
7. Об измерении частоты на качере. Как это получилось? Включился во вторичную обмотку. Она пошла с катушки, прошла через феррит, далее на кольце намотал 3 витков обычного провода и выводы пошли на осциллограф. На нём поставил заземление. Предел 1 микросекунда. Предел напряжения 1 вольт. Смотрим.
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.
Будет интересно Как подключить комнатную антенну к телевизору: практические советы
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
Почему никто не развивает катушку Теслы
Сказать, что кто-то всерьез занимается вопросом развития технологии, нельзя. Может быть она не так привлекательна в промышленном применении, а может быть она нужна только военным. Точного ответа на этот вопрос нет, но именно военные много работают в этом направлении.
Все просто! Если как следует ”раскочегарить” катушку Теслы, она может спалить всю электронику на очень большом расстоянии. Даже простейшие макеты, которые делаются в домашних условиях, могут вывести из строя домашние бытовые приборы, что уже говорит о действительно мощных установках.
Причин, по которым катушки Тесла развиваются недостаточно эффективно много — от недостаточно востребованности до секретности и опасности.
Реальное применение катушки Теслы находят только в шоу, которые основаны на электрических спецэффектах. Считается, что их использование безопасно для человека, но при этом оно позволяет создавать красочные фиолетовые молнии, которые можно видеть буквально перед собой. Это очень эффектно и заставляет многих детей увлечься наукой.
