Проект по физике на тему "Трансформатор Тесла"

Опубликовано Жангужинова Мадина Ерсаиновна вкл 05.09.2021 - 17:24

Автор:

Синяева Анастасия

Проект рассчитан на обучающихся среднего звена. Он соответствует требованиям государственного стандарта среднего (общего) образования по физике.

Скачать:

Вложение	Размер
proekt_transformator_sinyaeva_n.docx	887.24 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение Баганская средняя общеобразовательная школа №1

Cекция «Инженерные проекты»

Номинация «Технический проект»

Тема: «Трансформатор Тесла»

Автор: Синяева Анастасия 10 класс

Руководитель: Пиструга Татьяна Анатольевна

Консультант: Жангужинова Мадина Ерсаиновна

с.Баган

2018 г.

Введение

Цель

Исследовать высокочастотный трансформатор Тесла и на основе действующей установки, провести эксперименты.

Задачи

-Знакомство с принципом работы трансформатора Тесла

-Поиск деталей и изготовление высокочастотного трансформатора

-Проведение опытов, демонстрирующих работу трансформатора

Проблематика

Современная энергетика имеет несколько перспективных путей развития, тесно связанных с явлением, получаемым с помощью катушки Тесла. Как современный и заинтересованный школьник, считаю нужным разобраться в данной теме путем изучения и сборки данного устройства.

Методы

-Поиск информации в различных источниках

-эксперимент

Ожидаемый результат

Получение тока с высоким напряжением на выходе, при подаче источником тока низкого напряжения. Получение стримеров (тускло светящиеся разветвленные тонкие каналы) на свободном конце обмотки. Ионизация воздуха. Свечение газоразрядных ламп близ трансформатора.

Историческая справка

В 1896 году изобретатель Никола Тесла, открывший переменный ток, флюоресцентный свет и т.д., запатентовал созданный им прибор, как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала». Тесла возлагал на него миссию по обеспечению человечества бесплатной беспроводной электроэнергией, что могло поставить крест на монополии по продаже энергии. Еще долгое время ученый исследовал свойства своего изобретения, которое приводило в ужас местных жителей, ведь из-за действия создаваемого мощного магнитного поля их волосы и кончики пальцев светились необычным плазменным светом, а из-под копыт лошадей высекались метровые искры.

Физический смысл катушки Трансформатора Тесла

Определение трансформатора

Трансформатор Теслы (ТТ), или катушка Теслы – резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение высокой частоты, изобретённый Николой Теслой.

Возможности катушки Теслы:

Устройству подается ток с малым напряжением, но на выходе же мы получаем напряжение во много раз больше, поэтому ТТ называют высокочастотным трансформатором

Трансформатор может увеличить напряжение, соответственно частоту электроколебаний, но ему не свойственно увеличение мощности. Из этого следует, что его КПД лежит в пределах единицы.

Причины высокочастотности трансформатора Теслы

Факторы, благодаря которым удаётся получать высокое напряжение в трансформаторе Тесла:

Коэффициент трансформации
Резонанс
Наложение волн в длинной линии

Коэффициент трансформации

Определение: Коэффициент трансформации (k) - это отношение числа витков первичной катушки к числу витков вторичной катушки, или отношение. Если k< 1,т.еn2>n1, то трансформатор можно назвать повышающим.

Резонанс

Определение: Резонанс – это резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний. Резонанс возникает только в том случае, когда частота собственных колебаний совпадает с частотой вынуждающей силы. Т.е нужно добиться того, чтобы частоты первичной и вторичной обмотки (колебательных контуров) совпали для получения возрастания амплитуды, соответственно напряжения.

Длинная линия

Определение: Длинная линия - это проводник, геометрические размеры которого сопоставимы с длиной волны.

Провод вторичной обмотки трансформатора – это длинная линия.

В длинной линии возможно явление наложение прямых и отраженных волн. Прямая волна движется от нижней части обмотки к верхней. Отраженная волна – это отраженная прямая волна, движущаяся от верхней части обмотки. Таким образом, происходит наложение прямых и отраженных волн. В определенных точках сложение волн в фазе мы получаем максимумы амплитуды – пучности, минимумы амплитуды получаются при сложении волн в противофазе и называются узлы. Тем самым мы наблюдаем явление стоячей волны, которое дает нам возможность при минимуме тока получать высокое напряжение на верхнем конце обмотки, а на заземленном конце – максимум тока при минимуме напряжения.(см. прилож 1)

Lп2 = ¼ λ

Lп2 – длина провода вторичной обмотки

λ – длина волны колебаний

Именно при такой длине провода будет образовываться классический случай стоячей волны. Также можно использовать длину, равную ¾, 5/4 и любому нечетному количеству четвертей длины волны, но рациональнее, конечно же, взять ¼.

Конструкция трансформатора Тесла

Виды простейших конструкций

Различают два основных вида конструкций катушки Тесла: на разрядниках и на полупроводниках. Я собрала устройство на более удобных мне полупроводниках, точнее на транзисторах.( см. прилож. 2)

Составляющие устройства

Медная проволока (0,15 мм)

Медный провод с изоляцией (1,5 мм)

Пластиковая труба (d=32 мм)

Источник постоянного тока(0-35 В)

Транзистор (13007А)

Регулируемый резистор (50 кОМ)

Резистор (75 Ом)

Расчет основных параметров трансформатора

υ- частота волны колебаний

Примем для будущего трансформатора υ=750кГц (т.к частота волны колебаний для катушки на полупроводниках ограничена)

С помощью программы для расчета длины волны с учетом ее частоты вычислила, что λ=404,1м.

Исходя из формулы Lп2 = ¼ λ, получаем:

Lп2= 404,1/4= 101,023м

Вычислим кол-во витков вторичной обмотки. Для этого необходимо рассчитать длину каркаса по формуле С=πD, где С-длина окружности, D- диаметр окружности.

С= 3.14 *32мм=101мм

Теперь можно рассчитать количество витков обмотки:

n= Lп2/С=101023мм/101 мм=1000 витков

Длина провода первичной обмотки Lп1=7витков

Рассчитаем коэффициент трансформации

k= n1/n2, k=7/1000=0,007

(k<1), из этого следует, что трансформатор действительно является повышающим.

Общее сопротивление цепи: т.к регулируемый резистор и резистор соединены последовательно, то R=R1+R2, где R-общ. сопротивление, R1-сопротивление регулируемого резистора,R2- сопротивление резистора

R=50000 Oм + 75 Ом= 50075 Ом

Подаваемое источником тока напряжение- Uвход=33В

После переработки вышеперечисленных данных программа для расчета выходного напряжения Uвыход выдает значение примерно равное 1873,1 В. Именно такое напряжение в лучшем случае мне удастся получить в результате сборки трансформатора Тесла.

Процесс сборки

Источником питания устройства является блок питания, выдающий ток с малым напряжением (в моем случае 33 В).

Трансформатор состоит из двух обмоток- первичной и вторичной(две катушки без сердечника). К первичной обмотке подводится переменное напряжение и она создает магнитное поле. При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную.

Из проволоки и отрезка пластиковой трубы (пластик - хороший диэлектрик) создаю катушку. Она будет высоковольтной. Для этого произвожу процедуру наматывания 1000витков вторичной обмотки (вторичная обмотка — медная проволока сечением 0,15 мм на трубе диаметром в 3,2 сантиметра) виток к витку, избегая нахлестов и пробелов. Катушку не нужно покрывать дополнительной изоляцией, т.к проволока уже покрыта парафином.(см. прилож. 3)

Далее наматываю на каркас, основа которого на 5 мм больше трубы, 7 витков первичной обмотки (первичная обмотка – медная проволока сечением 1,5 мм). В качестве каркаса использую основу на 5 мм больше каркаса вторичной обмотки.(см. прилож. 4)

После собираю простейшую электрическую схему, состоящую из регулируемого резисторов, транзистора(приборы для управления электрическим током), резистора и источника питания. Собрав схему, присоединяю ее к катушкам.(см. прилож. 5)

Все составляющие крепятся к деревянной доске, обеспечивая устойчивость конструкции, а также ее заземление.(см. прилож. 6)

После сборки трансформатора приступаю к его настройке. Для этого нужно кладу наверх газоразрядную лампочку, включаю в сеть блок питания и начинаю выкручивать резисторы со среднего положения на базу.(см. прилож. 7)

Техника безопасности

Работая с трансформатором Тесла обязательно нужно помнить, что это устройство генерирует очень мощное магнитное поле, которое может легко повредить электронные устройства (компьютеры, телефоны и т.д.),а также плохо сказывается на здоровье человека при долгом воздействии на него. Вместе с эти на выходе мы получаем ток высокого напряжения, удары которого опасны для человека.

Применение трансформатора Тесла

Выходное напряжение в частоте минимальной электрической прочности воздуха способно создавать внушительные электрические разряды в воздухе, которые могут иметь многометровую длину. Эти явления очаровывают людей по разным причинам, поэтому трансформатор Тесла используется как декоративное изделие.

Но первоначально он был предназначен не для показательных выступлений, а для передачи радиосигналов на далекие расстояния.

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. Существуют такие данные, что частота тока при функционировании такого устройства может достигать 1 ТГц.

Иногда такой трансформатор применяется для розжига газоразрядных ламп, а также поиска течи в вакууме.

Эффекты катушки Тесла иногда используют в съемках фильмов, компьютерных играх.

Использование трансформатора Тесла в будущем:

Иногда говорят, что при помощи такого трансформатора можно передавать электрическую энергию на значительные расстояния, не используя провода, а также создать антигравитацию. Такие свойства не подтверждены и не проверены наукой, но Тесла говорил о скорой доступности таких способностей для человека. Также ученый отмечал, что катушка способна обеспечивать людей «дармовой энергией»

Вывод

Вокруг катушки Тесла образуется электромагнитное поле огромной напряженности, способное передавать электрический ток беспроводным способом. Напряжение оказалось настолько велико, что на свободном конце вторичной обмотки образовывались стримеры.(см. прилож. 8)Лампочки, наполненные инертным газом, светятся на определенном расстоянии от катушки, следовательно, вокруг установки действительно существует электромагнитное поле высокой напряженности.(см. прилож. 9)