Науково - дослідницької роботи за темою: «Котушка Тесла та демонстрація властивостей її електромагнітного поля»

Міністерство освіти і науки України

Департамент освіти і науки Харківської облдержадміністрації

Харківське територіальне відділення МАН України

Котушка Тесла та демонстрація властивостей її

електромагнітного поля

Роботу виконав
Лебідь Данило,  учень 9 класу                                                                                                                          Шевченківської ЗОШ №1 І-ІІІ ступенів

Науковий керівник
Крикун Світлана Вікторівна,

 вчитель фізики вищої категорії  Шевченківської ЗОШ №1 І-ІІІ ступенів

2018

ЗМІСТ

ВСТУП…………………………………………………………….........................2

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

1.1. Нікола Тесла та його винаходи ……………………………………………. 4

1.2. Трансформатор (котушка) Тесла……………………………………………5

1.3. Сучасне застосування ідей Тесла ...................................................................6

РОЗДІЛ 2. ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

2.1. Схема установки котушки Тесла та її збірка………………………….........8

2.3. Експериментальні досліди застосування котушки Тесла………………….9

ВИСНОВКИ ........................................................................................................ 13

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ........................................................15

ВСТУП

                                  Я міг би розколоти земну кулю, але ніколи

не зроблю цього.

Моєю головною метою було вказати на нові явища

та поширити ідеї, які і стануть

відправними точками для нових досліджень.

Нікола Тесла

  Фізика - це дивовижна наука! Ще з давніх-давен вона трималася й завжди буде триматися на трьох китах: гіпотеза, закон, експеримент. Експериментальна фізика має величезне значення в розвитку науки. Краще один раз побачити, ніж сто разів почути. Ніхто не буде сперечатися з тим, що експеримент - це потужний імпульс до розуміння сутності явищ у природі. Милуватися природою можна і не знаючи фізики. Але зрозуміти її і побачити те, що приховано за зовнішніми образами явищ, можна лише за допомогою точної науки і проведення експерименту. Експерименти з електрикою... здається, що тут ще можна відкривати й експериментувати, адже зараз ми сприймаємо електрику як саме звичайне явище: холодильник, телевізор, комп'ютер, мікрохвильовка. Однак, сам струм доходить до нас, на жаль, лише по дротах. Це все дуже далеко від того, що Нікола Тесла міг робити більше 100 років тому, і чого сучасна фізика не може пояснити досі. Він вмикав і вимикав електродвигун дистанційно, в його руках самі собою спалахували електричні лампочки

 Ще в 1900-х роках Тесла міг передавати на великі відстані струм без проводів, отримати струм у 100 млн. ампер і напругу в 10 тис. вольт. І підтримувати такі характеристики будь-який необхідний час. Сучасна фізика досягти таких показників просто не в змозі. Сучасні вчені досягли лише планки в 30 мільйонів ампер (при вибуху електромагнітної бомби), і 300 мільйонів при термоядерній реакції - та й то, на частку секунди.

Актуальність цієї роботи полягає в тому, що в наш час ентузіасти та вчені світу намагаються повторити досліди геніального вченого і знайти їм застосування. Ми також спробували зробити щось ефектне за «рецептами» Тесла. Це котушка Тесла. Побачивши її один раз, ви ніколи не забудете це неймовірне та дивовижне видовище.     

 Об'єкт дослідження: котушка Тесла.

Предмет дослідження: демонстрація передачі електричного струму бездротовим способом за допомогою котушки Тесли.

 Мета дослідження: виготовити високочастотну котушку Тесла і на основі зібраної діючої установки провести експерименти.

 Об'єкт, предмет і мета дослідження зумовили постановку наступної гіпотези: навколо котушки Тесла утворюється електромагнітне поле величезної напруженості, здатне передавати електричний струм бездротовим способом.

 Завдання:

• ознайомитися з біографією Ніколи Тесли та історією винайдення трансформатора Тесли;
•  ознайомитися з принципом роботи й основними типами трансформаторів Тесли;
• пошук деталей і виготовлення трансформатора;
•  проведення дослідів, що демонструють роботу трансформатора.

   Методи дослідження:

1. Емпіричні: спостереження високочастотних електричних розрядів у газовому середовищі, дослідження, експеримент.

2. Теоретичні: конструювання котушки Тесла, аналіз літератури, статистична обробка результатів.

   Етапи дослідження:

1. Теоретична частина. Вивчення літератури з проблеми дослідження.

2. Практична частина. Виготовлення трансформатора Тесла та демонстрація неймовірних властивостей електромагнітного поля котушки Тесла.

   Новизна полягає в тому, що, як і багато винахідників-експериментаторів, ми вперше, вивчивши науково-популярну літературу, зібрали котушку Тесла та провели серію дослідів і тим самим показали значимість праць Тесла.

  Практична значимість: у наші дні трансформатор Тесли має широке практичне застосування. Він використовується, наприклад, для пошуку течії у вакуумних системах, прискорювачах заряджених частинок тощо. Під час роботи в повітрі котушка Тесли створює красиві ефекти, пов’язані з утворенням різних видів газових розрядів. Багато людей збирають трансформатори Тесли заради того, щоб подивитися на ці вражаючі, красиві явища.

 Результат нашої роботи носить просвітницький характер, це дозволить підвищити зацікавленість учнів до поглибленого вивчення таких предметів як фізика; юних дослідників - до дослідницької діяльності, і, можливо, для когось визначити область подальшої діяльності.

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

       1.1. Нікола Тесла та його винаходи.

Що ми знаємо про Ніколу Тесла та його роботи?

Звичайній людині діяльність Тесла байдужа і нецікава. У школах та інститутах про Тесла згадується тільки тоді, коли говорять про однойменну одиницю індуктивності. Так суспільство "віддячило" великого практика за весь його внесок у розвиток електротехніки. Уся його діяльність оповита завісою таємничості, а багато хто вважає його шарлатаном у науці.

Нікола Тесла (Рис 1.1) - винахідник в області електротехніки й радіотехніки, інженер, фізик. Народився 10 липня 1856 року та виріс в Австро-Угорщині, але наступні роки працював у Франції та США. Помер 7 січня 1943 року.

 Широко відомий завдяки своєму науково-революційному вкладу у вивчення властивостей електрики й магнетизму. Теоретичні роботи Тесли дали основу для винаходу і розвитку багатьох сучасних пристроїв, що працюють на змінному струмі. Ім'ям М.Тесли названа одиниця вимірювання магнітної індукції. Серед багатьох нагород ученого — медалі Е.Крессона, Дж.Скотта, Т.Едісона. Сучасники-біографи вважали Теслу «людиною, яка винайшла XX століття» і «святим заступником» сучасної електрики, який отримав повсюдне визнання як видатний інженер-електротехнік і винахідник. Його вважають одним із геніїв 20 століття. Багато винаходів Тесли досі зберігаються урядом США під грифом "Цілком таємно". Він настільки випередив науку, що багато з його дослідів вчені не можуть повторити навіть зараз. Фізик відкрив змінний струм, флюоресцентне світло, бездротову передачу енергії, побудував перші електричні годинники, турбіну, двигун на сонячній енергії. Він вмикав і вимикав електродвигун дистанційно, в його руках самі по собі спалахували електричні лампочки. По ідеї, від експериментатора не повинно було б залишитися й жаринки. А Тесла посміхався як ні в чому не бувало. Вбиває не напруга, а сила струму, і струм високої частоти проходить тільки по поверхні шкіри. Але це ми знаємо зараз. А Тесла знав це більше 100 років тому.

Теоретики сучасної фізики так і не змогли дати тлумачення поглядам Тесли на фізичну реальність. Чому він сам не сформулював свою теорію? Відповіді на це питання ми вже не дізнаємося.

1.2 Трансформатор (котушка) Тесла.

У Колорадо Спрінгс Нікола Тесла організував невелику лабораторію. Для вивчення гроз Тесла сконструював спеціальний пристрій, який являє собою трансформатор, один кінець первинної обмотки якого був заземлений, а другий з'єднувався з металевою кулею на стрижні, що висувається вгору. До вторинної обмотки підключався чутливий пристрій, який був з′єднаний із записуючим приладом. Цей пристрій дозволив Николі Теслі вивчати зміни потенціалу Землі, у тому числі й ефект стоячих електромагнітних хвиль, спричинених грозовими розрядами в земній атмосфері. Спостереження навели винахідника на думку про можливість передачі електроенергії без проводів на великі відстані.

Метою наступного експерименту Тесли було дослідження можливості самостійного створення стоячої електромагнітної хвилі. На величезну основу трансформатора були намотані витки первинної обмотки. Вторинна обмотка з'єднувалася з 60-метрової щоглою й закінчувалася мідною кулею метрового діаметру. При пропущенні через первинну котушку змінної напруги в декілька тисяч вольт у вторинній котушці виникав струм із напругою в кілька мільйонів вольт і частотою до 150 тисяч герц.

При проведенні експерименту були зафіксовані грозоподібні розряди, які відходили від металевої кулі. Довжина деяких розрядів досягала майже 4,5 метрів, а грім був чутний на відстані до 24 км. Навколо експериментальної башти палало світло діаметром 30 метрів.

На підставі експерименту Тесла зробив висновок про те, що пристрій дозволив йому генерувати стоячі хвилі, які сферично поширювалися від передавача, а потім зі зростаючою інтенсивністю сходилися в діаметрально протилежній точці земної кулі, десь біля островів Амстердам і Сен-Поль в Індійському океані.

 Трансформатор Тесла, також котушка Тесла - пристрій, винайдений Ніколою Тесла та носить його ім'я. Є резонансним трансформатором, який генерує високу напругу високої частоти. Прилад був запатентований 22 вересня 1896 року як «Апарат для виробництва електричних струмів високої частоти та потенціалу».

1.3. Сучасне застосування ідей Тесла

Ми не знайдемо зараз трансформатор Тесли в кабінеті фізики в школі. Ними перестали комплектувати кабінети.

На жаль, котушку Тесли ми використовуємо частіше, як красиві іграшки. Наприклад, така котушка є основною частиною атракціону Dr Megavolt в Окленді (США) (Рис.1.2.1.) або оригінальним протиугінним засобом, що працює за принципом все тих же котушок (Рис.1.2.2). 

Електродвигуни, вперше створені Ніколою Тесла, використовуються у всіх сучасних верстатах, електропоїздах, електромобілях, трамваях, тролейбусах. Радіокерована робототехніка отримала широке поширення не тільки в дитячих іграшках і бездротових телевізійних і комп'ютерних пристроях (пульти управління), а й у військовій сфері, в цивільній сфері, в питаннях військової, цивільної та внутрішньої, а також і зовнішньої безпеки країн. Для зарядки мобільних телефонів або ноутбуків починають використовуватися бездротові зарядні пристрої. Змінний струм є основним способом передачі електроенергії на великі відстані. Електрогенератори є основними елементами в генерації електроенергії на ГЕС, АЕС, ТЕС і т.д. Трансформатор використовувався Теслем для генерації та поширення електричних коливань, які були напрямлені на керування пристроями на відстані без проводів, бездротової передачі даних і бездротової передачі енергії.

На початку XX століття трансформатор Тесла також знайшов широке використання в медицині. Пацієнтів обробляли слабкими високочастотними струмами, які, протікаючи по тонкому шару поверхні шкіри, не завдавали шкоди внутрішнім органам, надаючи при цьому «тонізуючий» і «оздоровчий» вплив.

Він використовується для підпалу газорозрядних ламп і для пошуку течі в вакуумних системах.

 Основне його застосування в наші дні - пізнавально-естетичне. В основному це пов'язано зі значними труднощами при керованому відборі високовольтної потужності та передачі її на певну відстань від трансформатора, так як при цьому пристрій неминуче виходить з резонансу і при цьому значно знижується добротність вторинного контуру.

Неправильно вважати, що котушка Тесла не має широкого практичного застосування. Перераховані нами вище приклади яскраво про це свідчать.

РОЗДІЛ 2. ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

2.1. Схема установки котушки Тесла та її збірка

     Звернемося до пристрою, який зараз відомий, як трансформатор (котушка) Тесла. У всьому світі "теслабудівники" щорічно відтворюють його численні модифікації. Основною метою у більшості таких радіоаматорів Тесла є отримання світлових і звукових ефектів, що досягаються в експериментах із високою напругою, яка є на виході високовольтної котушки трансформатора Тесла (ТТ). Багатьох приваблюють ідеї Тесла по генерації енергії великої потужності, а ще більш привабливим є спроба створення "надодиничного" пристрою на основі трансформатора Тесла. Це сфера альтернативної науки.

Трансформатор Тесла (Рис. 2.1.) складається з двох котушок, у яких немає загального залізного осердя. На первинній обмотці повинно бути не менше десятка витків товстого дроту. На вторинну намотують вже як мінімум 1000 витків. Врахуйте, що котушка Тесла має такий коефіцієнт трансформації, який у 10-50 разів більше, ніж відношення кількості витків на другий обмотці до першої. На виході напруга у такого трансформатора може перевищувати декілька мільйонів вольт. Саме цей факт і забезпечує виникнення видовищних розрядів. Дуже важливо, щоб і конденсатор, і первинна обмотка обов'язково повинні, в кінцевому рахунку, утворювати специфічний коливальний контур, що входить у стан резонансу з вторинною обмоткою.

В Інтернеті можна знайти різні варіанти виготовлення джерел високої частоти та напруги. Ми вибрали одну з схем (Рис.2.2.), яка складається з:

1. Джерело живлення (220В - 24 В)

2. Змінний резистор

3. Резистор

4. Первинна котушка (9 витків)

5. Вторинна котушка (1000 витків)

6. n-канальний польовий транзистор.

Котушка намотана на каркасі від пластикової (сантехнічної) труби з діаметром 50мм. Первинна обмотка містить всього 4 витки, на які був використаний одножильний мідний дріт у гумовій ізоляції діаметром 1,5 мм. Вторинна обмотка міститься 500-700 витків мідного ламінованого дроту 0,25 мм. Вторинна обмотка мотається ретельно, виток до витка. Цей пристрій виробляє високу напругу при високій частоті.

 Котушка Тесли - це демонстраційний генератор високочастотних струмів високої напруги. Пристрій може бути використано для бездротової передачі електричного струму на великі відстані.

2.2. Експериментальні досліди застосування котушки Тесла

     Із готової котушкою Тесла можна провести ряд цікавих дослідів, звичайно, дотримуючись правил безпеки. Для проведення дослідів у вас повинна бути дуже надійна проводка, інакше біди не уникнути. До вихідної котушки високої напруги можна навіть доторкнутися шматком металу. Чому при дотику до джерела напруги 250000В високої частоти 500 кГц з експериментатором нічого не трапляється? Відповідь проста. Ніколою Тесла була відкрита і ця «страшна» таємниця - струми високих частот при високій напрузі безпечні.

       Під час роботи котушка Тесла створює гарні ефекти, пов'язані з утворенням різних видів газових розрядів. Багато людей збирають котушки Тесла заради того, щоб подивитися на ці вражаючі, красиві явища. У цілому котушка Тесла виробляє декілька видів розрядів:

•   Спарк - це іскровий розряд. Також має місце особливий вид іскрового розряду - ковзний іскровий розряд.
•   Стримери - тонкі розгалужені канали, які тьмяно світяться та містять іонізовані атоми газу та відірвані від них вільні електрони. Протікає від терміналу котушки прямо в повітря, не йдучи в землю. Стример – це видима іонізація повітря (світіння іонів), яка створюється  високовольтним полем трансформатора.
•   Коронний розряд - світіння іонів повітря в електричному полі високої напруги. Створюється красиве блакитне світіння навколо високовольтних частин конструкції з сильною кривизною поверхні.
•  Дуговий 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.

 Цікаво зауважити, що деякі іонні хімічні речовини, нанесені на розрядний термінал, здатні змінювати колір розряду. Наприклад, іони натрію змінюють звичайне забарвлення спарка на помаранчевий, а бору - на зелений, марганцю - на синій, літію - на малиновий окраси.

Робота резонансного трансформатора супроводжується характерним електричним тріском. Це пов'язано з перетворенням стримерів в іскрові канали, які супроводжуються різким зростанням сили струму й енергії, що виділяється в них.

Після того, як наш трансформатор Тесла був остаточно зібраний, ми приступили до досліджень. Мета полягала в доведенні можливості передачі електроенергії на відстані.

За допомогою виготовленої котушки Тесла продемонструємо безліч красивих і ефектних експериментів.

Поспостерігаємо розряди.

Демонстрація 1: Демонстрація газових розрядів. Стример, спарк, дуговий розряд.

Обладнання: котушка Тесла, товстий мідний дріт.

При вмиканні катушки з терміналу починає виходити розряд довжиною 3-5 мм.

Демонстрація 2. Демонстрація розряду в люмінісцентній лампі.

Обладнання: котушка Тесла, люмінісцентна лампа.

Спостерігається світіння в лампі на відстані 0,5  метра від установки.

Демонстрація 3. Електростатичний двигун

Обладнання: котушка Тесла, тонка мідна проволока.

Мідна проволока, яка зігнута в різні боки з двох кінців, у полі котушки починає обертатися навколо своєї осі.

Демонстрація 4. Розряди з руки.

Обладнання: котушка Тесл а, рука з напальчниками з фольги.

При внесенні руки в поле котушки, виникає розряд із боку напальчників у сторону котушки.

Демонстрація 5. Дослід із лампами, заповненими різними газами.

Обладнання: котушка Тесла, лампи, заповнені гелієм, криптоном, воднем, неоном.

При піднесенні ламп до котушки, всередині них розряди починають світитися певними кольорами.

ВИСНОВКИ

      Однією з найяскравіших, цікавих і неординарних особистостей серед вчених-фізиків є Нікола Тесла. Чомусь його не дуже шанують на сторінках шкільних підручників фізики, хоча без його праць, відкриттів і винаходів важко уявити собі існування звичайних, здавалося б, речей, таких як, наприклад, наявність електроструму в наших розетках. Подібно Ломоносову, Нікола Тесла випередив свій час і не отримав заслуженого визнання за життя,  і понині його праці не мають гідної оцінки.

Теслі вдалося поєднати в одному приладі властивості трансформатора та явище резонансу. Так був створений знаменитий резонанс-трансформатор, який зіграв величезну роль у розвитку багатьох галузей електротехніки, радіотехніки та широко відомий під назвою "трансформатора Тесла".

Трансформатор (котушка) Тесла – дивовижний пристрій, що дозволяє отримати потужний інтенсивний потік автоелектронної емісії надзвичайно економічним способом. Однак його унікальні властивості та корисні застосування далеко ще не вичерпані.

Сербському генію вдалося залишити помітний слід в історії науки і техніки. Його інженерні розробки знайшли застосування в галузі електроенергетики, електротехніки, кібернетики, біофізики, медицини. Діяльність винахідника оповита містичними розповідями, серед яких треба вибрати саме ті, в яких міститься правдива інформація, справжні історичні факти, наукові досягнення та конкретні результати.

Питання, якими займався Нікола Тесла, залишаються актуальними й сьогодні. Їх розгляд дозволяє творчим інженерам і студентам фізичних спеціальностей ширше дивитися на проблеми сучасної науки, відмовитися від шаблонів, навчитися відрізняти правду від вигадки, узагальнювати й структурувати матеріал. Тому погляди Н. Тесла можна вважати актуальними нині не тільки для досліджень в області історії науки й техніки, але як досить дієвим засобом пошукових робіт, створенням нових технологічних процесів і використанням новітніх технологій.

  У результаті наших досліджень гіпотеза підтвердилася: навколо котушки Тесла утворюється електромагнітне поле величезної напруженості, здатне передавати електричний струм бездротовим способом:

•  лампочки, наповнені інертним газом, світяться поблизу котушки, отже, навколо установки дійсно існує електромагнітне поле високої напруженості;
•   лампочки спалахували самі по собі в мене в руках на певній відстані, значить, електричний струм може передаватися без дротів.

Необхідно відзначити  ще одну важливу річ: дія цієї установки на людину, як ви помітили, при роботі мене не било струмом: струми високої частоти, які проходять по поверхні людського організму не завдають йому шкоди, навпаки, надають тонізуючу і оздоровчу дію, це використовується навіть в сучасній медицині (з науково-популярної літератури). Однак слід зауважити, що електричні розряди, які Ви бачили, мають високу температуру, тому довго ловити блискавку руками не рекомендується!

Нікола Тесла заклав основи нової цивілізації третього тисячоліття, і його роль потребує переоцінки. Тільки майбутнє дасть справжнє пояснення явищу Тесли.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1.  Марк Сейфер. Абсолютна зброя Америки. - М: Ексмо, 2005.

2.  Піштало В. Нікола Тесла. Портрет серед масок. - М: Азбука-класики 2010.

3. Ржонсніцкій Б. Н. Нікола Тесла. Життя чудових людей. Серія біографій. Випуск 12. - М: Молода гвардія, 1959.

4. Фейгін О. Нікола Тесла: Спадщина великого винахідника. - М.: Альпіна нон-фікшн, 2012.

5. Інтернет ресури: http://www.sdelaysam-svoimirukami.ru/400- katushka_tesla_na_odnom_tranzistore_ili_kacher_brovina.html

http://www.sdelaysam-svoimirukami.ru/727-kacher-brovina-i-transformator-tesla.html