Розробка трансформатора Тесла для мініатюрних високовольтних пристроїв

Розробка трансформатора Тесла для мініатюрних високовольтних пристроїв

Мета:розробити функціональну й електричну схему пристрою та виготовити високовольтну установку для демонстрації законів фізики та виконання науково-дослідницької роботи.

Завдання: опрацювати матеріал, пов’язаний з фізикою високовольтних трансформаторів;розробити функціональну та електричну схему для трансформатора Тесла;виготовити трансформатор Тесла та визначити його параметри;розробити методичні рекомендації щодо застосування трансформатора Тесла в навчальному процесі.

Трансформатор Тесла, також котушка Тесла - пристрій винайдений Ніколою Тесла і носить його ім'я. Він є резонансним трансформатором, виробляє високу напругу високої частоти. Прилад був запатентований 22 вересня 1896 року як «Апарат для виробництва електричних струмів високої частоти». Нікола Тесла (1856-1943) вважається батьком сучасної концепції енергосистем. Відкриття Ніколи Тесли

Найпростіша схема трансформатора Тесла Найпростіший трансформатор Тесла складається з двох індуктивно не пов'язаних котушок. Первинна обмотка виготовлена з кількох витків товстого дроту. Вторинна, високовольтна, обмотка містить набагато більшу кількість витків. Конденсатор заряджається до напруги в декілька десятків кіловольт і як тільки напруга на ньому досягає напруги пробою іскрового проміжку, виникає розряд і через первинну обмотку тече потужний імпульсний струм, створюючи електрохвилі.

Обрана схема

Параметри:

Досліди з використанням трансформатора. Демонстрація дугового розряду. Завдання: Демонстрація дугового розряду. Обладнання: Трансформатор Тесла, блок живлення. Експеримент: Дуговий розряд при атмосферному тиску. Електрод – на трансформаторі Тесла та викрутка. При відстані 3 см. Температура в дузі t = 40000 C`. На дерев’яному держаку приєднано Sn (олово), Pb (свинець).

Висновок: одержали дуговий розряд, підвищили температуру за 3 секунди, олово починає плавитися

Коронний розряд Завдання: Демонстрація коронного розряду. Обладнання: трансформатор Тесла, вакуумна колба з металевою стружкою, щоб мати метал з великої кількості площин з малим радіусом кривизни. Експеримент: на вторинній котушці стержень, що закінчується гостряком з малим радіусом кривизни. На цей стержень одягається вакуумна колба з металевою стружкою. З кожної ділянки, де є малий радіус кривизни, утворюється коронний розряд (в цих місцях неоднорідне електричне поле). Спочатку показуємо коронний розряд при нормальному атмосферному тиску. Він має висоту 1,5 – 2 см. Але, якщо ми створюємо умови для цього розряду, підключивши колбу, тоді корона утворюється в об’ємі при дуже малому тискові, висота коронного розряду збільшується на порядок.

Висновок: Одержали коронний розряд при нормальному та при пониженому атмосферному тискові (в літературі цей шар називається «плазма-шар»). Можемо керувати величиною коронного розряду.

Демонстрація тліючого розряду. Завдання: продемонструвати тліючій розряд в газонаповнених трубках різного типу (неонова трубка, економна лампа, лампа денного світла, неонова сигнальна лампа, галогенна та ксенонова автомобільна лампа, спеціальні газонаповнені трубки). Обладнання: трансформатор Тесла та вказаний набір газових трубок. Експеримент: Тліючий розряд спостерігається в газонаповнених трубках з електродами та без них, при певному тиску порядку 13 Па. При піднесені по черзі вказаних трубок (без доторкування до центрального електрода) трубки починають світитися різними кольорами (фіолетовий колір в трубці з криптоном, помаранчевий – неон, ртуть – білий).

Висновок: в газових трубках (трубки з інертним газом) знаходяться атоми газу; під дією електромагнітних хвиль, які супроводжують розряди, іони (яких дуже мало в інертних газах) в електричному полі розганяються і можуть іонізувати атоми. Ці іони рухаються хаотично. І при стіканні іонів різних знаків рекомбінація з виділенням енергії у вигляді квантів (трубка світиться)

Демонстрація бездротової передачі електроенергіїЗавдання: за допомогою трансформатора Тесла передати електроенергію на відстань без використання дроту. Обладнання: трансформатор Тесла, лампа денного світла різного коліру, лампа розжарення, неонова лампа, ультрафіолетова лампа.

Висновок: Трансформатор Тесла здатен передавати енергію без провідників.

Зміна кольору розряду. Завдання: змінити колір розряду. Обладнання: Трансформатор Тесла, водяний розчин хлориду літію(Li. Cl), броміду калію(Kbr), роданіду калію (KCNS); паличка для нанесення розчину. Експеримент: При нанесенні розчину хлориду літію на термінал трансформатора, колір стримеру змінюється з синьо-фіолетового на рожево-червоний. При нанесенні розчину броміду калію колір стає жовтим (оранжевим). При нанесенні розчину роданід калію, колір стримера змінюється з синьо-фіолетового на рожевий.

Висновок: Спостерігаємо світло від коронного розряду при нанесенні вказаних хімічних сполук.

Дерево плазми. Завдання: розбити одне джерело коронного розряду на декілька джерел Обладнання: Трансформатор Тесла, пучок мідного дроту припаяний до гайки, яка накручується на стержень. Експеримент Для того щоб створити дерево плазми беремо багатожильний провід і розгалужуємо жили. Зачищаємо від ізоляції провід і підключаємо до терміналу. Після чого спостерігаємо розгалуження струменів.

Висновок: за допомогою пучка мідного проводу вдалося розділити коронний розряд на 3-10 каналів.

Іонний двигун. Завдання: використати коронний розряд, як стікання електронів з пристрою, завдяки чому можна одержати реактивний рух. Обладнання: трансформатор Тесла, вертушка на вістрі голки, яка знаходиться на стержні вторинної обмотки трансформатора. Експеримент: вістря змочується мастильним маслом для зменшення тертя, насаджується вертушка на вістря і вмикається трансформатор. При стіканні розрядів з кінчиків вертушки, маленькі короні розряди світяться.

Висновок: стікання зарядів з маленьких коронних розрядів, створює маленьку коронну реактивну силу.

ВИСНОВКИ1. В ході дипломної роботи була визначена оптимальна для самостійного виготовлення функціональна та електрична схема трансформатора Тесла.2. Розроблена технологія та виготовлено демонстраційний пристрій на базі трансформатора Тесла.3. Проведені багаточисельні досліди, які довели широкі потенційні можливості використання розробленої демонстраційної установки в навчальному процесі.4.  Розроблено методичні рекомендації щодо виховного заходу з фізики до «дня знань». Отже, поставлені в роботі мета та завдання виконано.