Электрическая энергия является основой существования современного общества. В настоящее время мировое научное сообщество уделяет большое внимание разработке альтернативных источников электрической энергии и совершенствованию способов передачи электрической энергии на дальние расстояния. Целью данного исследования является создание экспериментальной установки «Башня Тесла»и проведение экспериментов с ее использованием.
Описание экспериментальной установки «Башня Тесла». Прототипом установки «Башня Тесла» является прибор «качер Бровина» [2]. Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки «Башня Тесла» представлена на рисунке 1,а. В установке используется биполярный транзистор. Обратная связь осуществляется через воздушный трансформатор. Особенности этой схемы заключаются в том, что транзистор работает в импульсном режиме, вторичная обмотка имеет число витков примерно в 500 раз большее, чем первичная, что позволяет получить в ней высокое напряжение. Вторичная обмотка не замкнута. Ее верхний вывод является одной обкладкой конденсатора, а второй обкладкой является земля. При этом емкость такого конденсатора очень маленькая, что позволяет получать в колебательном контуре L2С ток высокой частоты. Цепь L1L2С является известным трансформатором Никола Тесла.
Рис. 1. а — принципиальная схема установки; б — конструкция установки
Несмотря на то, что вторичная обмотка не замкнута, наличие колебательного L2С контура приводит к тому, что во вторичной обмотке существует переменный ток. Переменный ток во вторичной обмотке открывает транзистор и подпитывает затухающие колебания. Конструкция установки представлена на рисунке 1,б. Рекомендованное время работы установки не более 10 минут.
Действующее значение напряжения на первичной обмотке трансформатора равно:
U1 = Uпит/2√2= 6.2 В,
где Uпит = 17.5 В — постоянное напряжение источника питания.
Величина действующего значения напряжения на вторичной обмотке равна
U2 = U1/Ктр = 6.2/0.002 = 3040 В,
где W1 = 4 — число витков первичной обмотки трансформатора;
W2 = 1960 — число витков вторичной обмотки трансформатора.
Результаты измерения действующего значения напряжения на первичной обмотке трансформатора с помощью мультиметра подтвердили правильность расчетных значений. Измеренное напряжение составило 5.9 В.
Получение различных видов самостоятельного разряда. Вторичная обмотка трансформатора является высоковольтной, поскольку действующее значение напряжения в ней составляет порядка 3 кВ. Поэтому вокруг катушки существует сильное электрическое поле. Тонкую проволочку, припаянную в верхней части вторичной катушки можно рассматривать в качестве одиночного электрода. Сильное электрическое поле может вызвать в воздушном промежутке самостоятельный разряд. При проведении опытов на экспериментальной установке мы получили различные виды самостоятельного разряда: коронный, тлеющий и дуговой [3].
Коронный разряд получен на конце тонкой проволочки, припаянной в верхней части вторичной катушки. Форму короны можно менять, изменяя колебания проволочки (рисунок 2,а), при этом наблюдаются фигуры Лиссажу, которые обусловлены наложением гармонических колебаний напряжения во вторичной обмотке и колебаниями самой проволочки. Колебания проволочки возникают самопроизвольно, что объясняется так называемым «ионным ветром». С острых частей заряженного тела начинает «стекать» заряд, который уносится ионами. Ионы вылетают с достаточно большой скоростью под действием силы Кулона. При этом на проволочку будет действовать такая же сила, под действием которой она начинает двигаться в противоположную сторону. Таким образом, возникают вынужденные колебания проволочки. Колебания проволочки можно усилить, прикасаясь к проволочке диэлектрическим стержнем, например деревянным карандашом.
Тлеющий разряд получен в опытах с люминесцентной, энергосберегающей и неоновой лампами (рисунок 2,б). Лампы светится в руках без подключения к источнику питания. Это значит, что электрическое поле создает между электродами лампы напряжение достаточное для возникновения тлеющего разряда. Естественно, что наиболее ярко лампы светится вблизи поверхности обмоток, по мере удаления от поверхности катушек свечение затухает. Полностью люминесцентная лампа гаснет на расстоянии 470 мм, а энергосберегающая лампа — на расстоянии 180 мм от поверхности вторичной обмотки.
Дуговой разряд получен в опытах с лампой накаливания и металлическими ножницами (рисунок 2,в). Получение факельного разряда (рисунок 2,г) свидетельствует о том, что частота тока во вторичной цепи превышает 1 МГц. Следует отметить, что в этих опытах явно имели место стримеры, поскольку выделяется много озона.
Рис. 2. Получение различных видов самостоятельного разряда
Исследование электромагнитного поля установки. Внутри и вокруг обмоток воздушного трансформатора существует достаточно мощное электромагнитное поле. Мы исследовали характер распределения поля вокруг первичной и вторичной катушек визуальным методом с помощью неоновой лампы. В неоновой лампе при напряжении 70 В возникает тлеющий разряд, сопровождаемый красно-желтым свечением, поэтому мы использовали ее в качестве индикатора напряжения. Задав шаг в 10 мм по высоте вторичной катушки, мы измерили, на каком расстоянии от поверхности вторичной обмотки гаснет неновая лампа (рис. 3,а). Результаты данного исследования показаны на рисунке 3,б. Таким образом, мы определяем пространственную область электромагнитного поля, в которой напряжение на неоновой лампе не менее 70 В.
Рис. 3. а — Проведение эксперимента по исследованию поля; б — характер распределения электромагнитного поля по высоте обмоток
Как видно из рисунка, электромагнитное поле имеет форму объемной «матрешки». При этом на высоте 160 мм лампа не загорается даже на поверхности вторичной обмотки. Такая картина электромагнитного поля обусловлена явлением взаимоиндукции: направление ЭДС, индуктируемой во вторичной обмотке, определяется по закону Ленца, то есть поля первичной и вторичной обмоток направлены встречно. На расстоянии 160 мм от нижнего основания катушек находится область, где результирующее поле как внутри, так и снаружи катушек практически равно нулю. Это означает, что поля вторичной и первичной катушек практически полностью компенсируют друг друга. Электромагнитные поля, расположенные выше и ниже области нулевого поля имеют противоположное направление. Наиболее четко этот процесс виден при перемещении энергосберегающей лампы в горизонтальном положении. Мы отчетливо наблюдали, как лампа перестает светить в своей нижней трубке, но горит в верхней. Затем на уровне 160 мм от основания катушек она гаснет полностью, после чего она начинает светиться в нижней трубке, а потом и в верхней (рис. 4).
Рис. 4. Опыт с энергосберегающей лампой по исследованию электромагнитного поля
Анализ полученных результатов. Нами была разработана принципиальная электрическая схема экспериментальной установки «Башня Тесла», произведен выбор элементов установки и разработана технология ее изготовления. В результате была создана экспериментальная установка «Башня Тесла».
На этой установке были проведены следующие экспериментальные исследования:
- исследовано электромагнитное поле установки и построена картина поля;
- получены, описаны и сфотографированы коронный, кистевой, дуговой, факельный и стримерный разряды;
- проведены опыты с люминесцентными, энергосберегающими и неоновыми лампами.
Мы провели теоретические изыскания, которые позволили понять сущность полученных экспериментальных данных.
По результатам экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Экспериментальная установка позволяет получить во вторичной обмотке высокое напряжение порядка 3.кВ и ток с частотой превышающей 1 МГц.
2. Вокруг обмоток воздушного трансформатора существует достаточно сильное электромагнитное поле. Внешнее результирующее магнитное поле двух катушек имеет форму объемной «матрешки». На расстоянии 160 мм от нижнего основания катушек находится область, где результирующее поле как внутри, так и снаружи катушек равно нулю. Электромагнитные поля, расположенные выше и ниже данной области имеют противоположное направление, то есть направление векторов индукции магнитного поля противоположно. Полученные результаты соответствуют теоретически выкладкам.
3. Экспериментально доказана возможность получения различных видов самостоятельного разряда в воздухе при использовании в качестве катода тонкой проволочки, припаянной в верхней части вторичной катушки. Таким образом, нам удалось повторить ряд опытов Никола Тесла.
4. Опыты с люминесцентными, энергосберегающими и неоновыми лампами доказали, что электрическую лампочку можно зажечь без проводов. Это значит, что электрическую энергию можно передавать на расстояние. Однако экономическая целесообразность такой передачи вызывает сомнения. Кроме того, сильные электромагнитные поля оказывают, как доказано современной наукой, вредное воздействие на человека, окружающую среду и современную технику.
Практическое применение результатов нашей научно-исследовательской работы:
- Экспериментальная установка будет использоваться в качестве демонстрационной в учебном процессе при изучении таких дисциплин как физика и электротехника.
- По результатам экспериментальных исследований сделан учебный видеофильм, который будет использоваться при изучении тем «Разряды в газе», «Электрическое поле», «Магнитное поле».
Литература:
1. Данилов И. А., Иванов П. М. Общая электротехника с основами промышленной электроники/ 4-ое изд. М.: Высшая школа, 2010.
2. http://www.tesla-tehnika.biz/otkritija-nikoli-tesla.html.
