Научно- исследовательская работа по теме "Катушка Тесла" презентация и сообщение

МОУ «Зимстанская сош» Беспроводная передача электроэнергии Цель работы: исследовать способы беспроводной передачи электроэнергии Работу выполнили:  Котов Илья  Исаков Никита  Научный руководитель: Королёва Е.Н. 2016 Содержание I. Введение o Значение электроэнергии в современной жизни. o Проблемы, связанные с передачей электроэнергии. o Способы передачи электричества без применения проводников. o Никола Тесла как один из создателей способа беспроводной передачи  электроэнергии. II. Трансформатор Тесла o   Принцип работы o   Описание простейшей конструкции o   Виды  III. Эксперименты o o o o Создание  Неудачный запуск  Переделка  Новый запуск IV. Используемые материалы V. Приложение Введение Электроэнергия играет важную роль в быту современного человека,  сопровождая его повсюду. Каждый из нас пользуется лифтами, бытовой  техникой, банкоматами, компьютерами — все эти и многие другие привычные  каждому вещи, облегчающие нашу жизнь, не способны функционировать без  постоянного электроснабжения. При этом количество электроприборов,  окружающих нас, не становится меньше, оно постоянно увеличивается из года в  год. Увеличивается и  потребность  в эффективной передаче электроэнергии. Все мы знаем, что со строительством электрических станций, подстанций и  линий электропередач проблема передачи электроэнергии на расстояние  приобрела большое экономическое значение.Помимо этого возникают и  некоторые другие проблемы:  Электроника становится все более энергоемкой и требует более частой  зарядки посредством сотен отличающихся стандартов и разъемов.  Передача электричества по проводам влечет за собой большие потери,  особенно, когда речь идет о промышленных масштабах.  Емкость аккумуляторов растет недостаточно быстро и ограничивает  развитие многих отраслей (электромобили, дроны, мобильная  электроника и т.п.) Для того чтобы решить эти и другие проблемы, ученые придумали метод  передачи электроэнергии на расстоянии, не прибегая к помощи проводников  электричества. Были изобретены различныеспособы реализации этой идеи, а  именно:  Ультразвуковой способ  Метод электромагнитной индукции  Электростатическая индукция  Микроволновое излучение  Лазерный метод а Ведущие ученые из разных стран мира сегодня единогласно называют  беспроводную передачу электричества одним из важнейших индустриальных  прорывов ближайшего будущего. Самым известным изобретателем и  экспериментатором в сфере передачи электричества «по воздуху» стал Никола  Тесла. Будущий инженер, физик и изобретатель в области электротехники и  радиотехники родился и вырос в Австро­Венгрии в 1856 году. В 19 лет он  поступил в высшее техническое училище в Граце, где стал изучать  электротехнику. И уже в 1890 году ученый демонстрирует первую в мире  лампочку, зажженную без помощи проводов. В основе этого изобретения лежал  принцип электрических колебаний в одном единственном проводе. Никола Тесла  считал, что использование подобных ламп экономически более выгодно. Ведь  потери энергии минимальны. Так же он отмечал, что свет, производимый его  лампой, наиболее близок к естественному освещению.  Позднее Никола Тесла предположил, что для передачи электрического тока  можно использовать колебания электрического поля Земли. И тогда задача  передачи энергии и информации на любые расстояния будет решена. Практическим итогом всех его исследований стала энергетическая установка на Лонг­Айленде, которая зажгла цепь из 200 лампочек на протяжении 25 миль  от источника тока. К сожалению, вскоре после этого финансирование  закончилось, и лабораторию на Лонг­Айленде пришлось закрыть. После этого  учёный больше не развивал идею беспроводной передачи электричества. Трансформатор Тесла Трансформатор Тесла – устройство, изобретенное Николой Тесла, которое,  является резонансным трансформатором, производящим высокое напряжение  высокой частоты. Работу резонансного трансформатора можно объяснить на примере  обыкновенных качелей. Если их раскачивать в режиме принудительных  колебаний, то максимально достигаемая амплитуда будет пропорциональна  прилагаемому усилию. Если раскачивать в режиме свободных колебаний, то при  тех же усилиях максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с  трансформатором Теслы — в роли качелей выступает вторичный колебательный  контур, а в роли прилагаемого усилия — генератор. Их согласованность  («подталкивание» строго в нужные моменты  времени) обеспечивает первичный  контур. Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек — первичной и  вторичной, а также разрядника, конденсатора, тороида и терминала.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  выполняет собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Таким образом,  трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных  контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его  отличием от обычных трансформаторов. Для полноценной работы  трансформатора эти два колебательных контура должны быть настроены на  одну резонансную частоту. 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.На данный момент существуют: SGTC (Spark Gap Tesla Coil) — классическая катушка Тесла — генератор  колебаний выполнен на искровом промежутке (разряднике). Для мощных  трансформаторов Тесла наряду с обычными разрядниками (статическими)  используются более сложные конструкции разрядника. Например, RSG или  статический искровой промежуток. В этом случае частоту работы промежутка целесообразно выбирать синхронно частоте подзарядки конденсатора. В  конструкции роторного искрового промежутка используется двигатель,  вращающий диск с электродами, которые приближаются к ответным электродам  для замыкания первичного контура.  VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil). В ней в качестве генератора ВЧ колебаний  используются электронные лампы. Одна из особенностей — отсутствие  необходимости в высоком напряжении. Для получения сравнительно небольших  разрядов достаточно 300—600 Вольт. Также VTTC практически не издает шума,  появляющегося при работе катушки Тесла на искровом промежутке. SSTC (Solid State Tesla Coil) — генератор выполнен на полупроводниках. Он  включает в себя задающий генератор и силовые ключи. Данный вид катушек  Тесла является самым интересным по нескольким причинам: изменяя тип сигнала на ключах, можно кардинально изменять внешний вид разряда. Также ВЧ сигнал  генератора можно промодулировать звуковым сигналом, например музыкой —  звук будет исходить из самого разряда. К прочим достоинствам можно отнести низкое питающее напряжение и отсутствие шумного искрового разрядника, как в SGTC. Эксперименты У нас было множество идей по конструированию трансформатора Тесла, и  мы сошлись во мнении, что будем создавать устройство типа SGTC, то есть  трансформатор, работающий на искровом промежутке. Для аппарата нам  потребовались следующие материалы: 1. Высоковольтный трансформатор. ­ Мы использовали высоковольтный трансформатор от микроволновки  (МОТ) на 2200 вольт и 1500 ватт 2. Высоковольтные конденсаторы ­ Эксперименты проводили с высоковольтными керамическими  конденсаторами К15­5 из строчной развертки телевизора 3. Разрядник ­ Взяли два больших болта, и привинтили их к небольшой стойке из ДВП. 4. Первичная обмотка ­ Мы взяли алюминиевый провод 4мм с лаковой изоляцией. 5. Вторичная обмотка ­ В качестве каркаса использовали сантехническую трубу ПВХ. На нее  была намотана вторичная катушка состоящая из 1500 витков провода  0.28мм. Устройство мы собрали по приведенной ниже схеме: И вот после долгой кропотливой работы настал момент запуска. И как  ожидалось, первый запуск прошел неудачно – вышел из строя высоковольтный  трансформатор (мы случайно замкнули контакты обмотки накала магнетрона). К  счастью, у нас было несколько старых микроволновок, и мы сразу же смогли  заменить МОТ. Пришла очередь второго запуска. Мы были настроены  пессимистично, и как оказалось в итоге – наши ожидания подтвердились:  устройство заработало на пару секунд, но вскоре высоковольтные конденсаторы  задымились. После этого, стало известно, что данные конденсаторы совершенно  не подходят для схем с высокими частотами. Мы стали искать высокочастотные  высоковольтные конденсаторы, но их найти мы не смогли, и эксперименты с  SGTC пришлось прекратить. После долгих раздумий  и подробного изучения теории, мы решили немного  изменить схему на SGTC и в качестве источника питания стали использовать  блокинг­генератор.  Расскажем о нем поподробнее. Блокинг­генератор ­ этогенератор,  формирующий кратковременные электрические импульсы, повторяющиеся через  сравнительно большие интервалы.Выполняется он на базе усилительного  элемента (в нашем случае ­ транзистора). Схема использованного нами блокинг­ генератора представлена на рисунке: А теперь приступим к рассмотрению нашей готовой схемы: Она состоит из нескольких частей: 1) Блок питания на 20 вольт. ­ Он состоит из трансформатора на 20В, диодного моста и  электролитического фильтрующего конденсатора на 3300 мкФ 50В 2) Блокинг­генератор. ­ Главная часть генератора – это мощный низкочастотный транзистор,  далее резисторы номиналом 27 Ом и 220 Ом. А также строчный  трансформатор из строчной развертки телевизора. 3) Первичный и вторичный контуры трансформатора Тесла. ­ Их мы взяли из предыдущего эксперимента. Первый запуск новой установки прошел успешно: вывод вторичной обмотки  выдавал довольно большие высоковольтные дуги длиной до двух сантиметров.  После этого мы стали настраивать нашу схему: меняли зазор разрядника и  количество витков первичной обмотки. В результате дальнейших испытаний, мы  заметили, что диодный мост и транзистор слишком сильно перегреваются. Мы  заменили их на более мощные, и поставили на радиаторы для лучшего  охлаждения. После того как наш трансформатор Тесла был окончательно собран, мы  приступили к исследованиям. Цель заключалась в доказательстве возможности  передачи электроэнергии на расстоянии. Мы взяли из школы несколько  газоразрядных ламп, одну люминесцентную и одну лампу накаливания. При поднесении к аппарату газоразрядные и люминесцентная лампы  начинали светиться, но такого же результата мы не получили от лампы  накаливания.  Объяснить это можно очень просто: в газоразрядных лампах, для  получения света используется электрический разряд в газах, что нельзя сказать  о лампе накаливания. Название говорит само за себя – в  таких лампах свет  исходит от нити накала (в рабочем режиме она нагревается до высоких  температур). Но для таких ламп мы нашли другое применение: если приставить  вывод вторичной обмотки к выводу лампы, то можно наблюдать красивые дуги  внутри нее. Такое устройство называется плазменной лампой. Вывод:       Мы рассмотрели один из способов беспроводной передачи электроэнергии на расстоянии, а именно, способ с применением изобретения Николы Теслы –  Трансформатора Теслы. В результате исследований проведенных с данной  установкой мы убедились в том, что передача электричества без проводов  осуществима. Также мы доказали это в ходе эксперимента. Используемые материалы 1) Трансформатор 20В 10Вт (150 руб) 2) Диодный мост 500В 10А (300 руб) 3) Электролитический конденсатор 3300 мкФ 50В (250 руб) 4) Резисторы (60 руб) 5) Транзистор D209L (110руб) 6) Строчный трансформатор (800 руб) 7) Высоковольтный диод (170 руб)  8) Высоковольтные конденсаторы (300 руб) Итого: 2140 руб.  Источники 1) https://ru.wikipedia.org/wiki/Трансформатор_Тесла 2) http://lepopora.ru/articles/nikola_tesla/