Муниципальное общеобразовательное учреждение

"Средняя школа № 48"

 

 

 

 

 

 

 

 

Проектная работа

На тему: «Катушка Тесла»

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Шеломков Михаил, обучающийся 10 «А» класса Руководитель: Александрова Светлана Юрьевна учитель физики

 

 

 

 

 

 

Ярославль,

2023 г.

Содержание

 

Введение. 3

Глава 1. Знакомство с катушкой Тесла. 5

1.1. История изобретения катушки Тесла. 5

1.2. Применение катушки Тесла. 7

Глава 2. Устройство и конструирование катушки Тесла. 9

2.1. Устройство катушки Тесла. 9

2.2. Принцип работы катушки Тесла. 11

2.2. Катушка Тесла своими руками. 13

Заключение. 16

Список использованной литературы.. 17

Приложение 1. 18

 

 

Введение

Великий сербский ученый Никола Тесла сделал немало для развития науки и техники для своего времени.

Одним из знаменитых изобретений является трансформатор (катушка) Тесла.

Трансформатор Тесла, также катушка Тесла — устройство, изобретённое Николой Тесла и носящее его имя. Является резонансным трансформатором, производящим высокое напряжение высокой частоты. Прибор был запатентован 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».[3, с.285]

Актуальность:

Для чего катушка Тесла нужна в наши дни?

В современном высокотехнологичном мире уже возникают трудности с передачей электроэнергии. Сейчас мы можем передавать её на разные расстояния в основном по проводам. Одно из изобретений Николы Тесла, сделанное им в 1891 году, электрическом резонансном трансформаторе, который также называется катушкой Тесла, может нам помочь. Даже в современном мире мы используем его, чтобы передавать электроэнергию на небольшом расстоянии с помощью электромагнитного поля. Но его создатель мечтал, что все человечество будет иметь возможность использовать недорогое, беспроводное, доступное каждому электричество. Уже предпринимаются попытки передачи энергии высокой мощности без проводов, с использованием электромагнитных волны.

Перспективность этого направления современной науки и техники обуславливает актуальность и данного проекта. Идеи гениального изобретателя могут стать реальностью в ближайшем будущем, поэтому изучение истории, современного и будущего применения катушки Тесла представляется значимым и своевременным.

 

Цель исследования: изготовить действующую модель катушки Тесла.

Задачи исследования:

1. Познакомиться с историей изобретения катушки Тесла

2. Изучить принцип работы и устройство катушки Тесла.

3. Поиск деталей и изготовление мини-катушки Тесла.

4. Провести опыт, демонстрирующий работу катушки Тесла.

5. Подготовить фотоотчет о проделанной работе.

Предмет исследования: свойства катушки, её электромагнитное поле.

Гипотеза: с помощью электромагнитных явлений катушки, возможно, передавать ток беспроводным способом.

Методы исследования:

Работа с научными терминами, анализ литературы по данной теме; моделирование; демонстрация работы прибора.

Практическая значимость:

Катушку Тесла можно использовать впоследствии на уроках физики, в организации занятий внеурочной деятельности, чтобы привлечь внимание учащихся, привить любовь к физике.

Продукт проекта:

Презентация и описание проекта, модель катушки Тесла.

 

 

 

 

 

Глава 1. Знакомство с катушкой Тесла

1.1. История изобретения катушки Тесла

Никола Тесла запатентовал схему катушки Тесла 25 апреля 1891 года. Хотя, Тесла запатентовал много подобных схем в этот период, это была первая, которая содержала все элементы катушки Тесла: первичный трансформатор высокого напряжения, конденсатор, искровой разрядник и «трансформатор колебаний» с воздушным сердечником (рис. 1). [2].

 

 

 

Рис. 1. Рисунок схемы катушки Тесла.

Сам прибор был запатентован 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала». Он хотел доказать, что электричество можно передавать без проводов.

История Тесла находилась в новой области – переменный ток энергосистемы, поэтому он разбирался в трансформаторах и резонансе. В 1888 году он решил, что высокие частоты являются наиболее многообещающей областью для исследований, и основал лабораторию на Южной Пятой авеню, 33, Нью-Йорк, для их исследования, первоначально повторяя эксперименты Герца.[6].

Он первым разработал генераторы как источники высокочастотного тока, но к 1890 году было обнаружено, что они были ограничены частотами около 20 кГц. Инновация Тесла заключалась в применении резонанса к трансформаторам.

Тесла изобрел катушку во время разработки «беспроводной» системы освещения, где газоразрядные лампочки будут светиться в электрическом поле от источника высокого напряжения и высокой частоты. Он обнаружил, что самые высокие напряжения генерируются, когда «замкнутая» первичная цепь с конденсатором находится в резонанс с «открытой» вторичной обмоткой.

Впервые Никола Тесла публично продемонстрировал беспроводное освещение 20 мая 1891 года в Колумбийском колледже, Нью-Йорка на своей лекции «Эксперименты с переменными токами очень высокой частоты и их применение в методах искусственного освещения» (рис. 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Никола Тесла на лекции в Колумбийском колледже.

Два металлических листа подключены к генератору катушки Тесла, который подает колебательное напряжение высокой радиочастоты. Колеблющееся электрическое поле между листами ионизирует газ низкого давления в двух длинных трубках Гейсслера, которые держит Тесла, заставляя их светиться флуоресценцией, подобно неоновым лампам, без проводов. [2]

Одна из первых катушек Тесла в его Нью-йоркской лаборатории в 1892 году с конической вторичной обмоткой (рис. 3).[1]

 

 

 

 

 

Рис. 3. Катушка Тесла с конической вторичной обмоткой.

1.2. Применение катушки Тесла

Основное назначение в настоящем времени – это создание визуальных эффектов, желание произвести впечатление и проверить суть теории Николы Тесла. Величина напряжения на выходе катушки Тесла иногда достигает миллионов вольт, что формирует значительные воздушные электрические разряды длиной в несколько метров. Поэтому такие эффекты применяют в качестве создания показательных шоу. Эффекты катушки Тесла иногда используют в съемках фильмов, компьютерных играх.

Катушка Тесла нашла применение в медицине в начале прошлого века. Больных обрабатывали маломощными токами высокой частоты. Такие токи протекают по поверхности кожи, оказывают оздоравливающее и тонизирующее влияние, не причиняя при этом никакого вреда организму человека. Однако мощные токи высокой частоты оказывают негативное влияние.

Катушка Тесла применяется в военной технике для оперативного уничтожения электронной техники в здании, на корабле, танке. При этом на короткий промежуток времени создается мощный импульс электромагнитных волн. В результате в радиусе нескольких десятков метров сгорают транзисторы, микросхемы и другие электронные компоненты. Это устройство действует абсолютно бесшумно.[5]

Иногда такой трансформатор применяется для розжига газоразрядных ламп. Вакуумные системы тестируются при помощи этих лучей на наличие трещин в корпусах. Молния обязательно будет тянуться в сторону дефекта.

Практическое применение тока катушки Тесла нашли в радиоуправлении, радио и беспроводной передачи энергии для питания различных устройств (например, лампочек).

Катушка Тесла является ранним предшественником (наряду с индукционной катушкой) более современного устройства, называемого трансформатором обратного хода. Он обеспечивает напряжение, необходимое для питания электронно-лучевой трубки телевизоров и компьютерных мониторов. Версии этой катушки широко используются сегодня в радио, телевидении и другом электронном оборудовании.

 

 

 

 

Глава 2. Устройство и конструирование катушки Тесла

2.1. Устройство катушки Тесла

Простейший трансформатор или катушка Тесла состоит из двух катушек без общего сердечника, а также разрядника, конденсатора и тороида, защитного кольца и заземления (рис. 4).[4]

 

 

Рис. 4. Устройство катушки Тесла.

 

Тороид – представляет собой тонкий провод, плотно (виток к витку) намотанный на каркас в форме тора (бублика).

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 используют провода большего сечения.

Вторичная обмотка – основная деталь Тесла.

Диаметр провода для намотки обычно выбирают так, чтобы на вторичке помещалось 800-1200 витков.

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 наносят минимум 3-5 тонких слоев лака.

Мотают вторичную обмотку на воздуховодных (белых) или 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 катушку, если длинна стримера больше длинны вторичной обмотки. Защитное кольцо – это незамкнутый виток медного провода (чаще всего, немного толще, чем тот из которого изготавливается первичная обмотка трансформатора тесла). Защитное кольцо заземляется на общее заземление отдельным проводом.

Разрядник - два металлических шарика, которые находятся на небольшом расстоянии друг от друга.

Конденсатор – это накопитель заряда, который требуется для запуска первичной работы катушки.

 

 

2.2. Принцип работы катушки Тесла

Первичная обмотка находится внутри вторичной. Разделителем служит обычная ПВХ труба. Разберем поэтапную работу катушки:

1.                 При подключении к сети в конденсаторе накапливается заряд.

2.                 Накопление заряда вызывает рост разности потенциалов между шариками разрядника. В итоге, как только напряжение достигает определенного значения, происходит стрим, то есть появляется электрическая дуга, которая соединяет между собой две части сети. Стрим в конструкции играет роль ключа-соединителя, который открывается при условии подходящих параметров напряжения.

3.                 Ток начинает течь первичной обмотке, создавая переменное магнитное поля. В свою очередь это переменное магнитное поле создает электричество во вторичной обмотке: явление индукции в действии.

4.                 В свою очередь ток вторичной обмотки создает магнитное поле, создающее индукционный ток в сфере. Ток в сфере вновь вызывает переменное магнитное поле, которое расходится в пространстве.

5.                 Если поднести к такой катушке электролампу, то она будет светится без всяческих проводов и источников электроэнергии. Источником в данном случае служит катушка. [8]

Вот такая схема работы катушки Тесла.

Виды эффектов от катушки Тесла

·                     Дуговой разряд – возникает во многих случаях. Он характерен ламповым трансформаторам.

·                     Коронный разряд является свечением воздушных ионов в электрическом поле повышенного напряжения, образует голубоватое красивое свечение вокруг элементов устройства с высоким напряжением, а также имеющим большую кривизну поверхности.

·                     Спарк по-другому называют искровым разрядом. Он протекает от терминала на землю, либо на заземленный предмет, в виде пучка ярких разветвленных полосок, быстро исчезающих или меняющихся.

·                     Стримеры – это тонкие слабо светящиеся разветвляющиеся каналы, содержащие ионизированные атомы газа и свободные электроны. Они не уходят в землю, а протекают в воздух. Стримером называют ионизацию воздуха, образуемую полем трансформатора высокого напряжения (рис. 5). [7]

 

Рис. 5. Эффекты от катушки Тесла.

2.2. Катушка Тесла своими руками

 

Простейшую модель катушки Тесла можно сделать самому:

1. Для этого мне необходимы следующие материалы и инструменты:

·                   печатная плата, размер платы 4 см*3,1 см – 1 шт;

·                   катушка – 1 шт;

·                   светодиод 3 мм синий – 1 шт;

·                   разъем питания DC005 – 1 шт;

·                   керамический конденсатор 105 – 2 шт;

·                   самоблокирующий выключатель 8*8 – 1 шт;

·                   резистор 10К – 1 шт;

·                   транзистор BD243 – 1 шт;

·                   радиатор 15*10*20 – 1 шт;

·                   винт 3*6 – 1 шт;

·                   винт М2*4 – 4 шт;

·                   двухпроводная медная труба М2*7 – 4 шт;

·                   паяльник для проводов, припой;

·                   универсальный блок питания JDT-001;

·                   отвертка;

·                   клеевой пистолет;

·                   неоновая лампа;

·                   газоразрядная лампа.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Составить схему катушки Тесла. Схема представлена на рис. 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Схема катушки Тесла.

3. Ход работы.

3.1. Припаиваем к плате резистор, конденсатор, устанавливаем светодиод синий согласно полярности (длинный провод «+», короткий «-»).

3.2. Устанавливаем выключатель и разъем для питания.

3.3. Транзистор прикручиваем к теплоотводу.

3.4. Припаиваем транзистор на печатную плату.

3.5. Катушку прикрепляем с помощью клея.

3.6. Прикручиваем ножки к плате.

3.7. Подключим универсальный блок питания JDT-001

3.8. Берем газоразрядную и неоновую лампу и тестируем. Сначала включаем выключатель и подводим к катушке. Лампа светится без всяческих проводов и источников электроэнергии.

3.9. На свободном конце вторичной обмотки образовывались стримеры.

 

Заключение

В результате выполнения проектной работы я узнал много нового и интересного:

·        выяснил, что такое «Катушка Тесла»;

·        нашел сферы ее применения и принцип работы;

·        разобрался с устройством катушки Тесла;

·        смог смоделировать катушку в домашних условиях и проверил ее работоспособность. Лампа светится без всяческих проводов и источников электроэнергии. Из этого следует, что вокруг устройства существует электромагнитное поле и электрический ток может передаваться без проводов. Гипотеза подтверждена!

·        данный прибор можно применять на уроках физики как дополнительный материал для объяснения принципа работы трансформатора и электромагнитной индукции.

 

 

Список использованной литературы

1.                 Изобретения Николы Тесла. [Электронный ресурс]. - Режим доступа:http://kakizobreli.ru/izobreteniya-nikoly-tesly/?ysclid=lg939tvlvj84332 3631

2.                 История катушки Тесла. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.25bbcb62-643473e3-442d7af4-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_Tesla_coil

3.                 Как все устроено сегодня / Дэвид Маколи. – 3-е изд. – М.:Манн, Иванов и Фербер, 2016. – 400 с.

4.                 Катушка тесла принцип работы. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://electrik-ufa.ru/raznoe/katushka-tesla-printsip-raboty? ysclid=lg7x6ytar391285318

5.                 Катушка Тесла. Устройство и виды. Работа и применение. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://electrosam.ru/glavnaja/ jelektrotehnika/katushka-tesla/?ysclid=lg93jeccak972942533

6.                 Псаломщиков В. Электричество без проводов / В.Псаломщиков // Энергетика и промышленность России. – 2003. - № 3. – С.5.

7.                 Трансформатор Тесла.  [Электронный ресурс]. - Режим доступа:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80_%D0%A2%D0%B5%D1%81%D0%BB%D1%8B

8.                 Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т./Под ред. Г. С. Ландсберга. Т.2. Электричество и магнетизм. – 10 изд. перераб. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. – 2010. – 480 с.

 

Приложение 1

 

 

 

 

 

               

 

Скачано с www.znanio.ru