Трансформатор Тесли

Трансформатор Тесла , або котушка Тесла ( англ. Tesla coil ) - пристрій, винайдене Ніколою Тесла і носить його ім'я. Є резонансним трансформатором , який виконує високу напругу високої частоти. Прилад був запатентований 22 вересня 1896 роки як «Апарат для виробництва електричних струмів високої частоти і потенціалу»

Суть

Трансформатор Тесла заснований на використанні резонансних стоячих електромагнітних хвиль в котушках. Його первинна обмотка містить невелику кількість витків і є частиною іскрового коливального контуру , що включає в себе також конденсатор і іскровий проміжок. Вторинною обмоткою служить пряма котушка проводу. При збігу частоти коливань коливального контуру первинної обмотки з частотою одного з власних коливань (стоячих хвиль) вторинної обмотки внаслідок явища резонансу у вторинній обмотці виникне стояча електромагнітна хвиля і між кінцями котушки з'явиться висока змінна напруга .

Роботу резонансного трансформатора можна пояснити на прикладі звичайних гойдалок. Якщо їх розгойдувати в режимі примусових коливань, то максимально досягається амплітуда буде пропорційна прикладеному зусиллю. Якщо розгойдувати в режимі вільних коливань, то при тих же зусиллях максимальна амплітуда зростає багаторазово. Так і з трансформатором Тесли - в ролі гойдалок виступає вторинний коливальний контур, а в ролі прикладеного зусилля - генератор.

Опис найпростішої конструкції

Схема найпростішого трансформатора Тесли

Найпростіший трансформатор Тесли включає в себе вхідний трансформатор, котушку індуктивності , що складається з двох обмоток - первинної та вторинної, розрядник (переривник, часто зустрічається англійський варіант Spark Gap), конденсатор , тороид (використовується не завжди) і термінал (на схемі показаний як «вихід »).

Первинна обмотка зазвичай містить всього кілька витків мідної трубки або дроти великого діаметра, а вторинна близько 1000 витків дроту меншої площі перетину. Первинна котушка може бути плоскою (горизонтальної), конічної або циліндричної (вертикальної). На відміну від звичайних трансформаторів , тут немає феромагнітного сердечника. Таким чином, взаємоіндукція між двома котушками набагато менше, ніж у трансформаторів з феромагнітним сердечником. Первинна котушка разом з конденсатором утворює коливальний контур , в який включений нелінійний елемент - розрядник.

Розрядник, в найпростішому випадку, звичайний газовий, являє собою два масивних електрода з регульованим зазором. Електроди повинні бути стійкі до протікання великих струмів через електричну дугу між ними і мати гарне охолодження.

Вторинна котушка також утворює коливальний контур , де роль конденсатора, головним чином, виконують ємність тороида і власна міжвиткова ємність самої котушки. Вторинну обмотку часто покривають шаром епоксидної смоли або лаку для запобігання електричного пробою .

Термінал може бути виконаний у вигляді диска, заточеного штиря або сфери і призначений для отримання передбачуваних іскрових розрядів великої довжини.

Таким чином, трансформатор Тесли являє собою два пов'язаних коливальних контура, що і визначає його чудові властивості і є головним його відмінністю від звичайних трансформаторів. Для повноцінної роботи трансформатора ці два коливальних контура повинні бути налаштовані на одну резонансну частоту. Зазвичай в процесі настройки підлаштовують первинний контур під частоту вторинного шляхом зміни ємності конденсатора і числа витків первинної обмотки до отримання максимального напруження на виході трансформатора.

Функціонування

Трансформатор Тесли розглянутої найпростішої конструкції, показаної на схемі, працює в імпульсному режимі. Перша фаза - це заряд конденсатора до напруги пробою розрядника. Друга фаза - генерація високочастотних коливань в первинному контурі. Розрядник, включений паралельно, замикаючи джерело живлення (трансформатор), виключає його з контура, інакше джерело живлення вносить певні втрати в первинний контур і цим знижує його добротність. На практиці це вплив може в рази зменшити довжину розряду, тому в грамотно побудованою схемою трансформатора Тесли розрядник завжди ставиться паралельно джерела живлення.

Заряд

Заряд конденсатора проводиться зовнішнім джерелом високої напруги на базі підвищувального низькочастотного трансформатора. Ємність конденсатора вибирається таким чином, щоб разом з індуктором вона становила резонансний контур з частотою резонансу, рівний високовольтного контуру. Однак ємність відрізнятиметься від розрахункової, так як частина енергії витрачається на «накачування» другого контуру. Напруга заряду обмежена напругою пробою розрядника, яке, (в разі повітряного розрядника), можна регулювати, змінюючи відстань між електродами або їх форму. Зазвичай напруга заряду конденсатора лежить в діапазоні 2-20 кіловольт. Знак напруги при заряді конденсатора має значення в тому сенсі, що він не повинен сильно «закорочувати» конденсатор, на якому напруга постійно змінює знак

Генерація

Після досягнення між електродами розрядника напруги пробою, в ньому виникає лавиноподібний електричний пробій газу. Конденсатор розряджається через розрядник на котушку. Після розряду конденсатора, напруга пробою розрядника різко зменшується через що залишилися в газі носіїв заряду ( іонів ). Тому ланцюг коливального контуру, Що складається з первинної котушки і конденсатора, залишається замкнутої через розрядник, і в ній виникають високочастотні коливання. Коливання поступово згасають, в основному, через втрати в розряднику і догляду електромагнітної енергії на вторинну котушку, але тривають до тих пір, поки струм створює достатню кількість носіїв заряду для підтримки напруги пробою розрядника істотно меншого, ніж амплітуда напруги коливань в LC контурі. У вторинному ланцюзі виникають резонансні коливання, що призводить до появи на терміналі високого напруги .

Модифікації трансформаторів Тесли

У всіх типах трансформаторів Тесли основний елемент трансформатора - первинний і вторинний контури - залишається незмінним. Однак, одна з його частин - генератор високочастотних коливань може мати різну конструкцію.

Використання трансформатора Тесли.

Розряд трансформатора Тесли.

Розряд з кінця проводу

Вихідна напруга трансформатора Тесли може досягати декількох мільйонів вольт . Ця напруга в частоті мінімальної електричної міцності повітря здатне створювати значні електричні розряди в повітрі, які можуть мати декількаметровую довжину. Ці явища зачаровують людей з різних причин, тому трансформатор Тесли використовується як декоративний виріб.

Тесла для генерації і поширення електричних коливань, спрямованих на управління пристроями на відстані без проводів ( радіоуправління ), бездротової передачі даних ( радіо ) і бездротової передачі енергії . На початку XX століття трансформатор Тесли також знайшов популярне використання в медицині . Пацієнтів обробляли слабкими високочастотними струмами, які, протікаючи по тонкому шару поверхні шкіри, не завдавали шкоди внутрішнім органам (див .: скін-ефект , Дарсонвалізація ), надаючи при цьому «тонізуючу» і «оздоровчий» вплив.

Невірно вважати, що трансформатор Тесли не має широкого практичного застосування. Він використовується для підпалу газорозрядних ламп і для пошуку течі в вакуумних системах. Проте, основне його застосування в наші дні - пізнавально-естетичне. В основному це пов'язано зі значними труднощами при необхідності керованого відбору високовольтної потужності або тим більше передача її на відстань від трансформатора, так як при цьому пристрій неминуче виходить з резонансу, а також значно знижується добротність вторинного контуру.

Ефекти, що спостерігаються при роботі трансформатора Тесли

Під час роботи котушка Тесли створює гарні ефекти, пов'язані з утворенням різних видів газових розрядів . Багато людей збирають трансформатори Тесли заради того, щоб подивитися на ці вражаючі, красиві явища. В цілому котушка Тесли виробляє 4 види розрядів:

Стримери (від англ. Streamer ) - тьмяно світяться тонкі розгалужені канали, які містять іонізовані атоми газу і отщепленим від них вільні електрони. Протікає від терміналу (або від найбільш гострих, викривлених ВВ-частин) котушки прямо в повітря, не йдучи в землю, так як заряд рівномірно стікає з поверхні розряду через повітря в землю. Стример - це, по суті справи, видима іонізація повітря (світіння іонів), створювана ВВ-полем трансформатора.

Спарк (від англ. Spark ) - це іскровий розряд . Йде з терміналу (або з найбільш гострих, викривлених ВВ частин) безпосередньо в землю або в заземлений предмет. Являє собою пучок яскравих, швидко зникаючих або змінюють один одного ниткоподібних, часто сильно розгалужених смужок - іскрових каналів. Також має місце особливий вид іскрового розряду - ковзний іскровий розряд.

Коронний розряд - світіння іонів повітря в електричному полі високої напруги. Створює красиве блакитнувате світіння навколо ВВ-частин конструкції з сильною кривизною поверхні.

Дугового розряд - утворюється в багатьох випадках. Наприклад, при достатній потужності трансформатора, якщо до його терміналу близько піднести заземлений предмет, між ним і терміналом може спалахнути дуга (іноді потрібно безпосередньо доторкнутися предметом до терміналу і потім розтягнути дугу, відводячи предмет на більшу відстань). Особливо це властиво ламповим котушок Тесли. Якщо котушка недостатньо потужна і надійна, то спровокований дугового розряд може пошкодити її компоненти.

Часто можна спостерігати (особливо поблизу потужних котушок), як розряди йдуть не тільки від самої котушки (її терміналу і т. Д.), Але і в її сторону від заземлених предметів. Також на таких предметах може виникати і коронний розряд . Рідко можна спостерігати також тліючий розряд . Цікаво зауважити, що деякі іонні хімічні речовини, нанесені на розрядний термінал, здатні змінювати колір розряду. Наприклад, іони натрію змінюють звичайний забарвлення спарка на помаранчевий, а бору - на зелений.

Робота резонансного трансформатора супроводжується характерним електричним тріском. Поява цього явища пов'язано з перетворенням стримеров в іскрові канали (див. Статтю іскровий розряд ), який супроводжується різким зростанням сили струму і кількості енергії, що виділяється в них. Кожен канал швидко розширюється, в ньому стрибкоподібно підвищується тиск, в результаті чого на його кордонах виникає ударна хвиля . Сукупність ударних хвиль від розширення іскрових каналів породжує звук, що сприймається як «тріск» іскри.

Вплив на організм людини

Будучи джерелом високої напруги, трансформатор Тесли може бути смертельно небезпечний. Особливо це стосується надпотужних ТТ з керуванням на лампах або MOSFET. У будь-якому випадку, навіть для малопотужних трансформаторів Тесла характерний викид високовольтної високочастотної енергії, здатної викликати локальні пошкодження шкірного покриву у вигляді опіків. Для трансформаторів Тесла середньої потужності (50-150 Ватт), такі опіки можуть привести до пошкодження нервових закінчень і значне пошкодження підшкірних шарів включаючи пошкодження м'язів і зв'язок (отримано на власному досвіді). Трансформатори Тесла з іскровим збудженням менш небезпечні з точки зору опіків, проте, високовольтні розряди наступні з паузами, завдають більшої шкоди нервовій системі і здатні викликати зупинку серця (у людей з проблемами серця). У будь-якому випадку, шкоди,

Помічений факт, що жінки найбільш гостро реагують на випромінювання потужних мобільних пристроїв, відповідно і реакція на ТТ у жінок гостріше ніж у чоловіків. Також і шкода наноситься організму жінки може бути більшим ніж для чоловіків. З цієї причини, бажано обмежити доступ жінок і дітей до працюючого ТТ.

Однак існує й інша думка [ джерело не вказано 1091 день ] , що стосується деяких видів трансформаторів Тесли. Так як високочастотне висока напруга має скін-ефект , то незважаючи на потенціал в мільйони вольт, розряд в тіло людини не може викликати зупинку серця або інші серйозні ушкодження організму, несумісні з життям.

На противагу цьому інші високовольтні генератори, наприклад, високовольтний умножитель телевізора і інші побутові високовольтні генератори постійного струму, що мають незрівнянно меншу вихідну напругу (близько 25 кВ), можуть бути смертельно небезпечними. Все це тому, що у вищевказаних перетворювачах використовується частота в 50 герц (в умножителе класичного телевізора частота близько 15кГц, в моніторах ще вище), отже, скін-ефект відсутній, або зникаюче слабкий, і струм потече через внутрішні органи людини (небезпечним для життя вважається струм в десятки мА).

Дещо інша картина з статичною електрикою , яке може дуже чутливо вдарити струмом при розряді (при дотику до металу), але при цьому не смертельно, так як статичний заряд порівняно невеликий, і протікає струм не встигне завдати шкоди людині (заряд дорівнює добутку струму і часу ). [ Джерело не вказано 1091 день ] Ще одна небезпека, яка підстерігає при використанні трансформатора Тесли, - це надлишок озону в крові, який може спричинити за собою головні болі , так як при роботі пристрою виробляються великі порції цього газу.