Катушка тесла
Трансформа́тор Те́сла — единственное из изобретений Николы Тесла, носящих его имя сегодня. Это классический резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение при высокой частоте. Оно использовалось Теслой в нескольких размерах и вариациях для его экспериментов. «Трансформатор Тесла» также известен под названием «катушка Теслы» (англ. Tesla coil ). В России часто используют следующие сокращения: ТС (от Tesla coil), КТ (катушка Тесла), просто тесла и даже ласкательно — катька. Прибор был заявлен патентом № 568176 от 22 сентября 1896 года, как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».
Содержание
Описание конструкции
В элементарной форме трансформатор Теслы состоит из двух катушек, первичной и вторичной, и обвязки, состоящей из разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора, тороида (используется не всегда) и терминала (на схеме показан как «выход»).
Первичная катушка построена из 5—30 (для VTTC — катушки Теслы на лампе — число витков может достигать 60) витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная из многих витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от многих других трансформаторов, здесь нет никакого ферромагнитного сердечника. Таким образом, взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у обычных трансформаторов с ферромагнитным сердечником. У данного трансформатора также практически отсутствует магнитный гистерезис, явления задержки изменения магнитной индукции относительно изменения тока и другие недостатки, вносимые присутствием в поле трансформатора ферромагнетика.
Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник (искровой промежуток). Разрядник, в простейшем случае, обыкновенный газовый; выполненный обычно из массивных электродов (иногда с радиаторами), что сделано для большей износостойкости при протекании больших токов через электрическую дугу между ними.
Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора выполняет ёмкостная связь между тороидом, оконечным устройством, витками самой катушки и другими электропроводящими элементами контура с Землей. Оконечное устройство (терминал) может быть выполнено в виде диска, заточенного штыря или сферы. Терминал предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины. Геометрия и взаимное положение частей трансформатора Теслы сильно влияет на его работоспособность, что аналогично проблематике проектирования любых высоковольтных и высокочастотных устройств.
Функционирование
Трансформатор Теслы рассматриваемой простейшей конструкции, показанной на схеме, работает в импульсном режиме. Первая фаза — это заряд конденсатора до напряжения пробоя разрядника. Вторая фаза — генерация высокочастотных колебаний.
Заряд
Заряд конденсатора производится внешним источником высокого напряжения, защищённым дросселями и построенным обычно на базе повышающего низкочастотного трансформатора. Так как часть электрической энергии, накопленной в конденсаторе, уйдёт на генерацию высокочастотных колебаний, то ёмкость и максимальное напряжение на конденсаторе пытаются максимизировать. Напряжение заряда ограничено напряжением пробоя разрядника, которое (в случае воздушного разрядника) можно регулировать, изменяя расстояние между электродами или их форму. Типовое максимальное напряжение заряда конденсатора — 2-20 киловольт. Знак напряжения для заряда обычно не важен, так как в высокочастотных колебательных контурах электролитические конденсаторы не применяются. Более того, во многих конструкциях знак заряда меняется с частотой бытовой сети электроснабжения (50 или 60 Гц).
Генерация
После достижения между электродами разрядника напряжения пробоя в нём возникает лавинообразный электрический пробой газа. Конденсатор разряжается через разрядник на катушку. После разряда конденсатора напряжение пробоя разрядника резко уменьшается из-за оставшихся в газе носителей заряда. Практически, цепь колебательного контура первичной катушки остаётся замкнутой через разрядник, до тех пор, пока ток создаёт достаточное количество носителей заряда для поддержания напряжения пробоя существенно меньшего, чем амплитуда напряжения колебаний в LC контуре. Колебания постепенно затухают, в основном из-за потерь в разряднике и ухода электромагнитной энергии на вторичную катушку. Во вторичной цепи возникают резонансные колебания, что приводит к появлению на терминале высоковольтного высокочастотного напряжения!
Модификации
В качестве генератора ВЧ напряжения, в современных трансформаторах Теслы используют ламповые (VTTC — Vacuum Tube Tesla Coil) и транзисторные (SSTC — Solid State Tesla Coil, DRSSTC — Dual Resonance SSTC) генераторы. Это даёт возможность уменьшить габариты установки, повысить управляемость, снизить уровень шума и избавиться от искрового промежутка. Также существует разновидность трансформаторов Теслы, питаемая постоянным током. В аббревиатурах названий таких катушек присутствуют буквы DC, например DCDRSSTC. В отдельную категорию также относят магниферные катушки Теслы.
Многие разработчики в качестве прерывателя (разрядника) используют управляемые электронные компоненты, такие как транзисторы, модули на MOSFET транзисторах, электронные лампы, тиристоры.
Использование трансформатора Теслы
Выходное напряжение трансформатора Теслы может достигать нескольких миллионов вольт. Это напряжение в резонансной частоте способно создавать внушительные электрические разряды в воздухе, которые могут иметь многометровую длину. Эти явления очаровывают людей по разным причинам, поэтому трансформатор Теслы используется как декоративное изделие.
Трансформатор использовался Теслой для генерации и распространения электрических колебаний, направленных на управление устройствами на расстоянии без проводов (радиоуправление), беспроводной передачи данных (радио) и беспроводной передачи энергии. В начале XX века трансформатор Теслы также нашёл популярное использование в медицине. Пациентов обрабатывали слабыми высокочастотными токами, которые протекая по тонкому слою поверхности кожи не причиняют вреда внутренним органам (см. Скин-эффект), оказывая при этом тонизирующее и оздоравливающее влияние. [1] Последние исследования механизма воздействия мощных ВЧ токов на живой организм показали негативность их влияния. [2]
В наши дни трансформатор Теслы не имеет широкого практического применения. Он изготовляется многими любителями высоковольтной техники и сопровождающих её работу эффектов. Также он иногда используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах.
Трансформатор Теслы используется военными для быстрого уничтожения всей электроники в здании,танке,корабле.Создается на доли секунды мощный электромагнитный импульс в радиусе нескольких десятков метров.В результате перегорают все микросхемы и транзисторы,полупроводниковая электроника.Данное устройство работает совершенно бесшумно.В прессе появилось сообщение, что частота тока при этом достигает 1 Терагерц.
Эффекты, наблюдаемые при работе трансформатора Теслы
Во время работы катушка Теслы создаёт красивые эффекты, связанные с образованием различных видов газовых разрядов. Многие люди собирают трансформаторы Теслы ради того, чтобы посмотреть на эти впечатляющие, красивые явления. В целом катушка Теслы производит 4 вида разрядов:
Часто можно наблюдать (особенно вблизи мощных катушек), как разряды идут не только от самой катушки (её терминала и т. д.), но и в её сторону от заземлённых предметов. Также на таких предметах может возникать и коронный разряд. Редко можно наблюдать также тлеющий разряд. Интересно заметить, что разные химические вещества, нанесённые на разрядный терминал, способны менять цвет разряда. Например, натрий меняет обычный окрас спарка на оранжевый, а бром — на зелёный.
Работа резонансного трансформатора сопровождается характерным электрическим треском. Появление этого явления связано с превращением стримеров в искровые каналы (см. статью искровой разряд), который сопровождается резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющегося в них. Каждый канал быстро расширяется, в нём скачкообразно повышается давление, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры.
Неизвестные эффекты трансформатора Теслы
 |
 |
| На крупных купюрах сербских динаров с портретом Теслы на реверсе изображён трансформатор Теслы. 1992 и 1993 |
Многие люди считают, что катушки Теслы — это особенные артефакты с исключительными свойствами. Существует мнение, что трансформатор Теслы может быть генератором свободной энергии и является вечным двигателем, исходя из того, что сам Тесла считал, что его генератор берёт энергию из эфира (особой невидимой материи в которой распространяются электромагнитные волны) через искровой промежуток. Иногда можно услышать, что с помощью «Катушки Теслы» можно создать антигравитацию и эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния без проводов. Данные свойства пока никак не проверены и не подтверждены наукой. Однако, сам Тесла говорил о том, что такие способности скоро будут доступны человечеству с помощью его изобретений. Но впоследствии посчитал, что люди не готовы к этому.
Также очень распространён тезис о том, что разряды, испускаемые трансформаторами Теслы, полностью безопасны, и их можно трогать руками. Это не совсем так. В медицине также используют «катушки Теслы» для оздоровления кожи. Это лечение имеет положительные плоды и благотворно действует на кожу, но конструкция медицинских трансформаторов сильно разнится с конструкцией обычных. Лечебные генераторы отличает очень высокая частота выходного тока, при которой толщина скин-слоя (см. Скин-эффект) безопасно мала, и крайне малая мощность. А толщина скин-слоя для среднестатистической катушки Теслы составляет от 1 мм до 5 мм и её мощности хватит для того, чтобы разогреть этот слой кожи, нарушить естественные химические процессы. При долгом воздействии подобных токов могут развиться серьёзные хронические заболевания, злокачественные опухоли и другие негативные последствия. Кроме того, надо отметить, что нахождение в ВЧ ВВ поле катушки (даже без непосредственного контакта с током) может негативно влиять на здоровье. Важно отметить, что нервная система человека не воспринимает высокочастотный ток и боль не чувствуется, но тем не менее это может положить начало губительным для человека процессам. Также существует опасность отравления газами, образующимися во время работы трансформатора в закрытом помещении без притока свежего воздуха. Плюс ко всему, можно обжечься, так как температуры разряда обычно достаточно для небольшого ожога (а иногда и для большого), и если человек всё же захочет «поймать» разряд, то это следует делать через какой-нибудь проводник (например, металлический прут). В этом случае непосредственного контакта горячего разряда с кожей не будет, и ток сначала потечет через проводник и только потом через тело.
Трансформатор Теслы в культуре
В фильме Джима Джармуша «Кофе и сигареты» один из эпизодов строится на демонстрации трансформатора Теслы. По сюжету, Джек Уайт, гитарист и вокалист группы «The White Stripes» рассказывает Мег Уайт, барабанщице группы о том, что земля является проводником акустического резонанса (теория электромагнитного резонанса — идея, которая занимала ум Теслы многие годы), а затем «Джек демонстрирует Мэг машину Теслы».
В игре Tomb Raider: Legend на одном из уровней есть статичные «Установки Тесла» их можно использовать для притягивания и поднятия тяжелых объектов (почти также, как в Half-Life 2). А также с помощью одной из них можно умертвить огромного монстра-босса.
Тесла катушка (трансформатор тесла)
Трансформатор (катушка) Тесла (Tesla Coil, TC) — это повышающий высокочастотный резонансный трансформатор — два колебательных контура, настроенных на одинаковую резонансную частоту. В сети можно найти множество примеров ярких реализаций этого необычного устройства.
Катушка без ферромагнитного сердечника, состоящая из множества витков тонкого провода, увенчанная тором, испускает настоящие молнии, впечатляя изумленных зрителей.
С точки зрения электротехники в нашем примитивном понимании, трансформатор Теслы — это первичная и вторичная обмотка, простейшая схема, которая обеспечивает питание первичной обмотки на резонансной частоте вторичной обмотки, но выходное напряжение возрастает в сотни раз. В это сложно поверить, но каждый может убедиться в этом сам.
Как работает трансформатор тесла
Катушка Тесла названа так в честь ее изобретателя Николы Тесла (около 1891 года). История данного изобретения начинается с конца 19 века, когда гениальный ученый-экспериментатор Никола Тесла, работая в США, только поставил перед собой задачу научиться передавать электрическую энергию на большие расстояния без проводов. Аппарат для получения токов высокой частоты и высокого потенциала был запатентован Теслой в 1896 году.
Не смотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты.
Трансформатор Тесла – прекрасная игрушка для тех, кто хочет сделать что-то эдакое. Это устройство не перестает поражать окружающих мощью своих огромных разрядов. Более того, сам процесс конструирования трансформатора очень увлекателен – не часто так много физических эффектов сочетаются в одной несложной конструкции.
Несмотря на то, что сама по себе “Тесла” очень проста, многие из тех, кто пытаются ее сконструировать не понимают как работает трансформатор Тесла.
катушка тесла
Принцип действия трансформатора Тесла похож на работу обычного трансформатора. Трансформатор Тела состоит из двух обмоток – первичной (Lp) и вторичной (Ls) (их чаще называют “первичка” и “вторичка”). К первичной обмотке подводится переменное напряжение и она создает магнитное поле. При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную.
трансформатор тесла схема
Вторичная обмотка вместе с собственной паразитной (Cs) емкостью образуют колебательный контур, который накапливает переданную ему энергию. Часть времени вся энергия в колебательном контуре храниться в виде напряжения. Таким образом, чем больше энергии мы вкачаем в контур, тем больше напряжения получим.
колебания напряжения в трансформаторе Тесла
Тесла обладает тремя основными характеристиками:
Коэффициент связи определяет насколько быстро энергия из первичной обмотки передается во вторичную, а добротность – насколько долго колебательный контур может сохранять энергию.
Основные детали и конструкции трансформатора Тесла
Тороид
Тороид – 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.
Стример — это, по сути дела, видимая ионизация воздуха (свечение ионов), создаваемая ВВ-полем трансформатора.
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.
От использования тороидоа больше всего выиграют теслы с импульсной накачкой – SGTC, DRSSTC и теслы с прерывателями. Типичный внешний диаметр тороида – два диаметра вторички.
Тороиды обычно изготавливают из алюминиевой гофры, хотя есть множество других технологий,
Вторичная обмотка – основная деталь Теслы
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.
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 вторичную обмотку на воздуховодных (белых) или, что хуже, канализационных (серых) ПВХ трубах. Найти эти трубы можно в любом строительном магазине.
Защитное кольцо
Защитное кольцо – предназначено для того, чтобы стример, попав в первичную обмотку не вывел электронику из строя. Эта деталь устанавливается на теслу, если длинна стримера больше длинны вторичной обмотки. Представляет собой 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.
Первичная обмотка
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. Так-же 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.
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.
первичные обмотки трансформатора тесла
Заземление
Заземление – как не странно, тоже очень важная деталь теслы. Очень часто задаются вопросом – куда же бьют стримеры? — стримеры бьют в землю!
Стримеры 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.
Поэтому задавая вопрос обязательно ли заземлять теслу?
Заземление для теслы – обязательно.
Существуют трансформаторы Тесла без первичной обмотки. У них питание подается прямо на “земляной” конец вторички. Такой метод питания называется “бэйзфид” (basefeed).
Иногда, в качестве источника бэйзфидного питания используется другой трансформатор Тесла, такой метод питания называют “магниферным” (Magnifier).
Существуют так называемые биполярные теслы, они отличаются тем, что разряд происходит не в в воздух, а между двумя концами вторичной обмотки. Таким образом, путь тока легко может замкнуться и заземление не нужно.
Вот самые распространенные типы катушек Тесла в зависимости от способа управления ими:
Для получения более эффективной и эффектной работы трансформатора Тесла применяют именно схемы топологии DRSSTC, когда мощный резонанс достигается и в самом первичном контуре, а во вторичном соответственно — более яркая картина, более длинные и толстые молнии (стримеры).
Виды эффектов от катушки Тесла
Действие катушки Тесла сопровождается треском электрического тока. Стримеры могут превращаться в искровые каналы. Это сопровождается большим увеличением тока и энергии. Канал стримера быстро расширяется, давление резко повышается, поэтому образуется ударная волна. Совокупность таких волн подобен треску искр.
Практическое применение трансформатор тесла
Величина напряжения на выходе трансформатора Тесла иногда достигает миллионов вольт, что формирует значительные воздушные электрические разряды длиной в несколько метров. Поэтому такие эффекты применяют в качестве создания показательных шоу.
Катушка Тесла нашла практическое 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.
Трансформатор 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. Существуют такие данные, что частота тока при функционировании такого устройства может достигать 1 ТГц.
Иногда на практике такой трансформатор применяется для розжига газоразрядных ламп, а также поиска течи в вакууме.
Эффекты катушки Тесла иногда используют в съемках фильмов, компьютерных играх.
В настоящее время катушка Тесла не нашла широкого применения на практике в быту.
Новое в трансформаторах тесла
В настоящее время остаются актуальными вопросы, которыми занимался ученый Тесла. Рассмотрение этих проблемных вопросов дает возможность студентам и инженерам институтов взглянуть на проблемы науки более широко, структурировать и обобщать материал, отказаться от шаблонных мыслей. Взгляды Тесла актуальны сегодня не только в технике и науке, но и для работ в новых изобретениях, применения новых технологий на производстве. Наше будущее даст объяснение явлениям и эффектам, открытым Теслой. Он заложил для третьего тысячелетия основы новейшей цивилизации.
схема трансформатора тесла на транзисторе
Схема трансформатора тесла выглядит невероятно просто и состоит из:
Главное отличие трансформатора Теслы от всех остальных приборов — в нем не применяются ферросплавы в качестве сердечника, а мощность прибора, независимо от мощности источника питания, ограничена только электрической прочностью воздуха. Суть и принцип действия прибора в создании колебательного контура, который может реализовываться несколькими методами:
Видео: Стоячие волны в Трансформаторе Тесла, резонанс, коэффициент трансформации
Видео: Трансформатор ТЕСЛА своими руками
Видео: Трансформатор Тесла
Пошаговое объяснение процесса сборки и запуска одного из самых мощных трансформаторов Тесла в России. Конструктор: Блотнер Борис
