XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

1.Трансформатор Тесла

Трансформатор тесла — устройство, изобретённое Николой Тесла и носящее его имя. Является резонансным трансформатором, производящим высокое напряжение высокой частоты. Прибор был запатентован 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала.

Трансформатор Тесла основан на использовании резонансных стоячих электромагнитных волн в катушках. Его первичная обмотка содержит небольшое число витков и является частью искрового колебательного контура, включающего в себя также конденсатор и искровой промежуток. Вторичной обмоткой служит прямая катушка провода. При совпадении частоты колебаний колебательного контура первичной обмотки с частотой одного из собственных колебаний (стоячих волн) вторичной обмотки вследствие явления резонанса во вторичной обмотке возникнет стоячая электромагнитная волна и между концами катушки появится высокое переменное напряжение.

Работу резонансного трансформатора можно объяснить на примере обыкновенных качелей. Если их раскачивать в режиме принудительных колебаний, то максимально достигаемая амплитуда будет пропорциональна прилагаемому усилию. Если раскачивать в режиме свободных колебаний, то при тех же усилиях максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с трансформатором Тесла — в роли качелей выступает вторичный колебательный контур, а в роли прилагаемого усилия — генератор. Их согласованность («подталкивание» строго в нужные моменты времени) обеспечивает первичный контур или задающий генератор (в зависимости от устройства).[1]

Описание простейшей конструкции

Схема простейшего трансформатора Теслы

Простейший трансформатор Тесла включает в себя входной трансформатор, катушку индуктивности, состоящую из двух обмоток — первичной и вторичной, разрядник (прерыватель, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатор, тороид(используется не всегда) и терминал (на схеме показан как «выход»).

Первичная обмотка обычно содержит всего несколько витков медной трубки или провода большого диаметра, а вторичная около 1000 витков провода меньшей площади сечения. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от обычных трансформаторов, здесь нет ферромагнитного сердечника. Таким образом, взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у трансформаторов с ферромагнитным сердечником. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник.

Разрядник, в простейшем случае, обыкновенный газовый, представляет собой два массивных электрода с регулируемым зазором. Электроды должны быть устойчивы к протеканию больших токов через электрическую дугу между ними и иметь хорошее охлаждение.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора, главным образом, выполняют ёмкость тороида и собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.

Терминал может быть выполнен в виде диска, заточенного штыря или сферы и предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины.

Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов. Для полноценной работы трансформатора эти два колебательных контура должны быть настроены на одну резонансную частоту. Обычно в процессе настройки подстраивают первичный контур под частоту вторичного путём изменения ёмкости конденсатора и числа витков первичной обмотки до получения максимального напряжения на выходе трансформатора.

Трансформатор Тесла рассматриваемой простейшей конструкции, показанной на схеме, работает в импульсном режиме. Первая фаза — это заряд конденсатора до напряжения пробоя разрядника. Вторая фаза — генерация высокочастотных колебаний в первичном контуре. Разрядник, включенный параллельно, замыкая источник питания (трансформатор), исключает его из контура, иначе источник питания вносит определенные потери в первичный контур и этим снижает его добротность. На практике это влияние может в разы уменьшить длину разряда, поэтому в грамотно построенной схеме трансформатора Тесла разрядник всегда ставится параллельно источнику питания.

Заряд конденсатора производится внешним источником высокого напряжения на базе повышающего низкочастотного трансформатора. Ёмкость конденсатора выбирается таким образом, чтобы вместе с индуктором она составляла резонансный контур с частотой резонанса, равной высоковольтному контуру. Однако ёмкость будет отличаться от расчетной, так как часть энергии тратится на «накачку» второго контура. Напряжение заряда ограничено напряжением пробоя разрядника, которое, (в случае воздушного разрядника), можно регулировать, изменяя расстояние между электродами или их форму. Обычно напряжение заряда конденсатора лежит в диапазоне 2-20 киловольт. Знак напряжения при заряде конденсатора имеет значение в том смысле, что он не должен сильно «закорачивать» конденсатор, на котором напряжение постоянно меняет знак — Колебательный контур тут

После достижения между электродами разрядника напряжения пробоя, в нём возникает лавинообразный электрический пробой газа. Конденсатор разряжается через разрядник на катушку. После разряда конденсатора, напряжение пробоя разрядника резко уменьшается из-за оставшихся в газе носителей заряда (ионов). Поэтому цепь колебательного контура, состоящего из первичной катушки и конденсатора, остаётся замкнутой через разрядник, и в ней возникают высокочастотные колебания. Колебания постепенно затухают, в основном, из-за потерь в разряднике и ухода электромагнитной энергии на вторичную катушку, но продолжаются до тех пор, пока ток создаёт достаточное количество носителей заряда для поддержания напряжения пробоя разрядника существенно меньшего, чем амплитуда напряжения колебаний в LC контуре. Во вторичной цепи возникают резонансные колебания, что приводит к появлению на терминале высокого напряжения.[2]

3. Как работает трансформатор Тесла

Как уже было сказано, у трансформатора Тесла первичная обмотка расположена снаружи, а вторичная внутри. В соответствии с эфиродинамическими представлениями магнитное поле - это набор тороидальных вихрей, образующихся при прохождении тока в проводнике. Если бы речь шла об обычном трансформаторе, то после прекращения тока внешнее магнитное поле будет возвращаться обратно в проводник, создавая в нем ЭДС самоиндукции е_L

е_L = -L дi/дt

Здесь L - индуктивность провода или катушки, дi/дt -скорость обрыва тока в цепи. Чем больше индуктивность и чем быстрее будет оборван ток, тем больше будет ЭДС самоиндукции.

Но если магнитное поле создано внешней обмоткой, а цепь в ней после создания магнитного поля оборвана, то магнитное пол будет стремиться во вторую обмотку, имеющую меньший радиус. Давление эфира будет загонять туда магнитное поле, сжимая его и добавляя в него свою энергию. Поэтому и ЭДС самоиндукции, и общая энергия должна быть там в несколько раз больше, чем это было бы в первичной обмотке. В этом и заключается главная суть преобразования энергии в трансформаторе Тесла.

Именно для того чтобы вовремя оборвать цепь, и служит разрядник в первичной цепи. Он сначала пропускает импульс тока от конденсатора в первичную обмотку, а затем, когда конденсатор разрядился и напряжение на конденсаторе упало, обрывает цепь, не допуская энергию магнитного поля обратно в первичную обмотку. Для этого, конечно, нужны достаточно короткие фронты у импульса, чтобы в пространстве вокруг магнитного поля - вихрей эфира, смог бы образоваться пограничный слой эфира. Именно этот процесс надо выловить, отлаживая схему с трансформатором Тесла.[3]

4. Особенности формирования импульсов е первичной цепи трансформатора Тесла

Если в катушке индуктивности L, Гн течет ток i, A, то энергия w_L запасенная в магнитном поле, составит величину

Обращает на себя внимание тот факт, что в отличие от конденсатора С, Ф, заряженного напряжением U, В, в котором запасенная энергия w_C, Дж составляет величину

и энергия сохраняется и может храниться сколь угодно долго, если нет потерь, то в катушке индуктивности энергия исчезает, как только прекращает течь ток, и запасенная в магнитном поле энергия возвращается в цепь, создавшую магнитное поле. Но если эта энергия возвращается в другую обмотку, в цепь которой через диод включен конденсатор, то накопленная на нем энергия будет пропорциональна количеству импульсов, те,

Если форма импульса соответствует меандру, то есть длительность импульса и длительность паузы равны, то общая мощность составит:

Если радиусы первичной обмотки r₁ и вторичной r₂ не равны, то

Здесь следует учесть, что отношение радиусов не должно быть большим, поскольку зависимость здесь нелинейная, и ее еще предстоит установить.

Постоянная времени цепи ключ - первичная обмотка трансформатора составляет

где L- индуктивность первичной обмотки, Гн, R- сопротивление ключа в открытом состоянии.

Если длительность импульса равна постоянной времени цепи ключ-первичная обмотка трансформатора, то за время длительности импульса ток в цепи вырастет до значения 0,632 полного тока, если бы цепь питалась постоянным током. Тогда общая предельная мощность, которую можно получить, составит:

При отношении радиусов r₁ / r₂ = 2 получим значение предельной мощности

При отношении радиусов r₁ / r₂ = 3 получим:

При напряжении питания U = 100 В и сопротивлении открытого ключа в 100 Ом величина тока составит 1 А и предельная получаемая мощность в первом случае составит 40 Вт, во втором - 90 Вт. Если же будут применены ключи, способные пропускать 10 А, то в первом случае предельная мощность составит 4 кВт, во втором 9 кВт. Мощность же затрачиваемая на поддержание процесса, в обоих случаях составит 0,1 R i², т.е. при токе в 1 А 10 Вт, при токе в 10 А - 1 кВт. Эта мощность выделяется на ключе, что потребует принятия серьезных мер для его охлаждения, в последнем случае, вероятно, водяного охлаждения.

При значении индуктивности первичной обмотки в 100 мкГн постоянная времени цепи составит 10^-4 / 100 = 10^-6 с, следовательно, частота переключений составит 500 кГц, а с учетом необходимой крутизны фронтов частотная характери­стика ключа должна быть не хуже, чем 5мГц.

Если индуктивность первичной обмотки составляет 100 мкГн = 10^-4 Гн, а частота повторения импульсов составляет 1 мГц = 10⁶ Гц, то при токе в импульсе, равном 1 А, мощность магнитною поля составит 100 Вт. При больших частотах она будет соответственно большей, если за время длительности импульса ток в первичной обмотке успеет установиться до полного значения. При этом длительность, как переднего, так и заднего фронтов должна составлять не более 0,1 от длительности самого импульса.

Из изложенного вытекает, что для повышения выходной мощности следует найти оптимальное отношение диаметров первичной и вторичной обмоток, а также стремиться к повышению частоты переключения тока ключом, что возможно лишь при повышении его сопротивления, а значит, повышения питающего напряжения и соответственно выделяемой на ключе мощности.

При напряжении питания ключа U = 1000 В, R = 100 Ом и токе в 10 А выделяемая на ключе мощность составит 10 кВт, а выдаваемая мощность с учетом потери на возвратную мощность составит в первом случае 30 кВт, во втором - 80 кВт.

Тесла в своих трансформаторах применял частоты порядка 200 кГц, можно предполагать, что такая частота является оптимальной, по крайней мере, для начальной стадии работ.

Расчет зарядной емкости, шунтирующей цепь питания электронной схемы произведем, исходя из соотношения для электрического заряда

имеем

Если вся электронная схема питается от напряжения 100 В, то при токе i = 1 А и длительности импульса Т = 10^-6 с (F = 0,5 мГц), получим:

С =0,01 мкФ.

Однако здесь предполагается полный разряд емкости, что нецелесообразно. Для того, чтобы емкость удерживала напряже­ние литания в пределах изменений не более 1%, нужно увеличить ее в 100 раз, следовательно, для приведенного примера достаточ­но иметь значение шунтирующей емкости 1 мкФ при рабочем напряжении и 100 В и частотных характеристиках до 1-2 мГц.

При рабочем напряжении в 1000 В и токе импульса в 10 А потребуется конденсатор емкостью той же 1 мкФ при рабочем напряжении в 1000 В и тex же частотных характеристиках.

Таким образом, вырисовывается следующий принцип работы устройства для получения энергии из эфира.

В первичную обмотку трансформатора с возможно более высокой частотой повторения поступают импульсы тока с короткими фронтами. С вторичной обмотки, имеющей большее число витков, чем первичная, снимаются импульсы и через выпрямительный диод поступают на конденсатор, шунтирующий цепь питания генератора импульсов, чем осуществляется положительная обратная связь, призванная поддерживать весь процесс. Начальный запуск всей схемы осуществляется от стартера - отдельного источника питания генератора импульсов (сеть, батарея, аккумулятор), который после вхождения устройства в режим, отключается.

Энергия для внешнего потребителя снимается с третьей обмотки, помещаемой аналогично вторичной обмотке внутрь первичной обмотки. К этой третьей обмотке также подключается выпрямительный диод, а затем сглаживающий конденсатор. Полученное постоянное напряжение может использоваться либо непосредственно, либо через соответствующие преобразователи, преобразующие постоянный ток в вид энергии, необходимый потребителю.[4]

Список литературы

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80_%D0%A2%D0%B5%D1%81%D0%BB%D1%8B

https://rosuchebnik.ru/material/katushka-tesla-elektromagnitnye-yavleniya-7155/

http://www.electrolibrary.info/tesla/transformatortesla.htm

https://docplayer.ru/47649870-Transformator-tesla.html

Код для цитирования: Скопировать