„TESLA“ RITĖ: ISTORIJA, KAIP JI VEIKIA, KAM JI SKIRTA - FIZINIS - 2024

„ Tesla“ ritė yra apvija, veikianti kaip aukštos įtampos, aukšto dažnio generatorius. Ją išrado fizikas Nikola Tesla (1856 - 1943), kuris jį užpatentavo 1891 m.

Magnetinė indukcija „Tesla“ privertė susimąstyti apie galimybę perduoti elektros energiją be laidininkų įsikišimo. Todėl mokslininko ir išradėjo idėja buvo sukurti įrenginį, kuris tarnautų perduoti elektrą nenaudojant laidų. Tačiau naudoti šią mašiną yra labai neefektyvu, todėl netrukus jos buvo atsisakyta.

1 paveikslas. Parodymas naudojant „Tesla“ ritę. Šaltinis: „Pixabay“.

Nepaisant to, „Tesla“ ritinius vis dar galima rasti naudojant tam tikras specifines programas, tokias kaip pilonai ar fizikos eksperimentai.

Istorija

Ritą „Tesla“ sukūrė netrukus po to, kai paaiškėjo „Hertz“ eksperimentai. Pati „Tesla“ tai pavadino „elektros energijos perdavimo aparatu“. „Tesla“ norėjo įrodyti, kad elektra gali būti perduodama be laidų.

Kolorado Springso laboratorijoje „Tesla“ savo žinioje turėjo didžiulę 16 metrų ritę, pritvirtintą prie antenos. Įrenginys buvo naudojamas energijos perdavimo eksperimentams atlikti.

Eksperimentuokite su „Tesla“ ritėmis.

Vieną kartą dėl šios ritės įvyko avarija, kurios metu buvo sudegintos 10 km atstumu esančios elektrinės dinamikos. Dėl gedimo aplink dinamikos apvijas buvo gaminami elektriniai lankai.

Nė vienas iš jų neatbaidė Teslos, kuri toliau eksperimentavo su daugybe ritės dizainų, kurie dabar žinomi jo vardu.

Kaip tai veikia?

Garsioji „Tesla“ ritė yra viena iš daugelio konstrukcijų, kurias Nikola Tesla sukūrė norėdama perduoti elektrą be laidų. Originalios versijos buvo didelės apimties ir jose buvo naudojami aukštos įtampos ir aukštos srovės šaltiniai.

Natūralu, kad šiandien yra daug mažesnių, kompaktiškų ir naminių dizainų, kuriuos aprašysime ir paaiškinsime kitame skyriuje.

2 pav. Pagrindinės „Tesla“ ritės schema. Šaltinis: pačių sukurtas.

Originalios „Tesla“ ritės versijų pagrindu pagamintas dizainas parodytas aukščiau esančiame paveikslėlyje. Ankstesniame paveiksle pateiktą elektrinę schemą galima suskirstyti į tris skyrius.

Šaltinis (F)

Šaltinį sudaro kintamos srovės generatorius ir didelės galios transformatorius. Šaltinio išėjimas paprastai yra nuo 10 000 V iki 30 000 V.

Pirmoji LC 1 rezonansinė grandinė

Jį sudaro jungiklis S, žinomas kaip „Spark Gap“ arba „Explosor“, kuris uždaro grandinę, kai kibirkštis šokinėja tarp jos galų. LC 1 grandinėje taip pat yra kondensatorius C1 ir ritė L1, sujungta nuosekliai.

Antroji rezonansinė grandinė LC 2

LC 2 grandinę sudaro ritė L2, kurios apsisukimų santykis yra apytiksliai 100: 1, palyginti su ritė L1, ir kondensatorius C2. Kondensatorius C2 jungiasi prie L2 ritės per žemę.

L2 ritė paprastai yra vielinė žaizda su izoliacine emaliu ant nelaidžių medžiagų, tokių kaip keramika, stiklas ar plastikas, vamzdelio. Ritė L1, nors diagramoje taip neparodyta, yra apvyniota ant ritės L2.

Kondensatorius C2, kaip ir visi kondensatoriai, susideda iš dviejų metalinių plokščių. „Tesla“ ritėse viena iš C2 plokštelių paprastai yra sferinės arba toroidinės kupolo formos ir sujungta nuosekliai su L2 ritė.

Kita C2 plokštė yra artima aplinka, pavyzdžiui, metalinis pjedestalas, baigtas rutulyje ir sujungtas su žeme, kad būtų uždaryta grandinė su kitu L2 galu, taip pat prijungtu prie žemės.

Veiksmo mechanizmas

Įjungus „Tesla“ ritę, aukštos įtampos šaltinis įkrauna kondensatorių C1. Kai ši įtampa pasiekia pakankamai aukštą įtampą, ji įjungia kibirkštinį jungiklį S (kibirkštinio tarpo ar sprogmens), uždarant I rezonansinę grandinę.

Tada kondensatorius C1 išleidžiamas per ritę L1, sukurdamas kintamą magnetinį lauką. Šis kintamas magnetinis laukas taip pat praeina per ritę L2 ir indukuoja elektromotorinę jėgą ritėje L2.

Kadangi L2 yra maždaug 100 posūkių ilgesnis nei L1, L2 elektrinė įtampa yra 100 kartų didesnė nei L1. Ir kadangi L1 įtampa yra maždaug 10 000 voltų, tada L2 ji bus 1 milijonas voltų.

L2 kaupiama magnetinė energija perduodama kaip elektros energija į kondensatorių C2, kuris, pasiekęs milijono voltų maksimalią įtampą, jonizuoja orą, sukuria kibirkštį ir staiga išleidžiamas per žemę. Išmetimai vyksta 100–150 kartų per sekundę.

LC1 grandinė vadinama rezonansine, nes kondensatoriuje C1 sukaupta energija pereina į ritę L1 ir atvirkščiai; tai yra, atsiranda virpesiai.

Tas pats nutinka rezonansinėje grandinėje LC2, kurioje ritės L2 magnetinė energija perduodama kaip elektros energija į kondensatorių C2 ir atvirkščiai. Tai reiškia, kad kontūre pakaitomis sukuriama apvažiavimo srovė.

Natūralus svyravimo dažnis LC grandinėje yra

Rezonansas ir tarpusavio indukcija

Kai į LC grandines tiekiama energija yra tokia pati kaip ir natūralus grandinės virpesių dažnis, tada energijos perdavimas yra optimalus, sukuriant maksimalų grandinės srovės stiprinimą. Šis reiškinys, būdingas visoms svyruojančioms sistemoms, yra žinomas kaip rezonansas.

LC1 ir LC2 grandinės yra magnetiškai sujungtos, tai dar vienas reiškinys, vadinamas abipusine indukcija.

Optimaliam energijos perdavimui iš LC1 grandinės į LC2 ir atvirkščiai, natūralūs abiejų grandinių virpesių dažniai turi sutapti, jie taip pat turi atitikti aukštos įtampos šaltinio dažnį.

Tai pasiekiama pritaikant abiejų grandinių talpos ir induktyvumo vertes taip, kad virpesių dažniai sutaptų su šaltinio dažniu:

Kai tai įvyksta, energija iš šaltinio efektyviai perduodama į LC1 grandinę, o iš LC1 į LC2. Kiekviename virpesių cikle didėja kiekvienoje grandinėje sukaupta elektrinė ir magnetinė energija.

Kai C2 elektrinė įtampa yra pakankamai aukšta, energija išleidžiama žaibo būdu, išleidžiant C2 į žemę.

„Tesla“ ritė naudoja

Pradinė „Tesla“ idėja eksperimentuojant su šiomis ritėmis visada buvo rasti būdą, kaip perduoti elektros energiją dideliais atstumais be laidų.

Tačiau mažas šio metodo efektyvumas dėl energijos nuostolių pasklindant aplinkai privertė ieškoti kitų būdų elektros energijai perduoti. Šiandien laidai vis dar naudojami.

Plazminė lempa, padėjusi plėtoti „Tesla“ eksperimentą.

Tačiau daugelis Nikola Tesla originalių idėjų vis dar egzistuoja šiuolaikinėse laidinėse perdavimo sistemose. Pvz., „Tesla“ suprojektavo pakopinius transformatorius elektros pastotėse, skirtus perdavimui mažesniais nuostoliais, ir mažesnio galingumo paskirstymo namus.

Nepaisant to, kad „Tesla“ ritės nenaudojamos plataus masto, jos ir toliau yra naudingos aukštos įtampos elektros pramonėje tikrinant izoliacines sistemas, bokštus ir kitus elektrinius prietaisus, kurie turi veikti saugiai. Jie taip pat naudojami įvairiuose pasirodymuose generuoti žaibus ir kibirkštis, taip pat atliekant kai kuriuos fizikos eksperimentus.

Atliekant eksperimentus su didelėmis „Tesla“ ritėmis, svarbu imtis saugos priemonių. Pavyzdys yra Faraday narvų naudojimas stebėtojų apsaugai ir metaliniai tinkleliai, skirti atlikėjams, dalyvaujantiems parodose su šiomis ritėmis.

Kaip pasidaryti naminę „Tesla“ ritę?

Komponentai

Šioje miniatiūrinėje „Tesla“ ritės versijoje nebus naudojamas aukštos įtampos kintamasis. Priešingai, energijos šaltinis bus 9 V akumuliatorius, kaip parodyta schemoje 3 paveiksle.

3 pav. Mini Tesla ritės sudarymo schema. Šaltinis: pačių sukurtas.

Kitas skirtumas nuo originalios „Tesla“ versijos yra tranzistoriaus naudojimas. Mūsų atveju tai bus 2222A, kuris yra žemo signalo NPN tranzistorius, tačiau turintis greitą atsakymą arba aukštą dažnį.

Grandinėje taip pat yra jungiklis S, 3 apsisukimų pirminė ritė L1 ir antrinė ritė L2, ne mažesnė kaip 275 apsisukimai, tačiau ji taip pat gali būti nuo 300 iki 400 apsisukimų.

Pirminę ritę galima pastatyti iš bendros vielos su plastikine izoliacija, tačiau antrinei ritę reikia plonos vielos, padengtos izoliaciniu laku, kuris dažniausiai naudojamas apvijose. Apvija gali būti padaryta ant kartono arba plastikinio vamzdžio, kurio skersmuo yra nuo 3 iki 4 cm.

Naudojant tranzistorių

Reikia prisiminti, kad Nikola Tesla laikais tranzistorių nebuvo. Tokiu atveju tranzistorius pakeičia originalios versijos „kibirkštį“ arba „sprogdiklį“. Tranzistorius bus naudojamas kaip vartai, leidžiantys arba neleidžiantys praeiti srovei. Tam tranzistorius poliarizuojamas taip: kolektorius c į teigiamą gnybtą, o emiteris e - į neigiamą akumuliatoriaus gnybtą.

Kai pagrindas b turi teigiamą poliarizaciją, tada jis leidžia perduoti srovę iš kolektoriaus į emiterį ir kitaip neleidžia.

Mūsų schemoje bazė yra sujungta su teigiamu akumuliatoriaus elementu, tačiau yra įdėtas 22 kilo omų rezistorius, siekiant apriboti perteklinę srovę, galinčią sudeginti tranzistorių.

Grandinėje taip pat rodomas LED diodas, kuris gali būti raudonas. Jo funkcija bus paaiškinta vėliau.

Ant laisvos antrinės ritės L2 galo dedamas nedidelis metalinis rutulys, kurį galima pagaminti uždengiant aliuminio folija polistireno rutulį arba rutulinį rutulį.

Ši sfera yra kondensatoriaus C plokštė, kita plokštė yra aplinka. Tai yra vadinama parazitine geba.

Kaip veikia „Mini Tesla“ ritė

Kai jungiklis S uždarytas, tranzistoriaus pagrindas yra teigiamai pakreiptas, o viršutinis pirminės ritės galas taip pat yra teigiamas. Taigi staiga atsiranda srovė, kuri praeina per pirminę ritę, tęsiasi per kolektorių, palieka emiterį ir grįžta į akumuliatorių.

Ši srovė per labai trumpą laiką padidėja nuo nulio iki maksimalios vertės, todėl ji indukuoja elektromotorinę jėgą antrinėje ritėje. Tai sukuria srovę, einančią iš L2 ritės apačios į tranzistoriaus pagrindą. Ši srovė staiga nutraukia teigiamą pagrindo poliarizaciją, kad srovė tekėtų per pirminę.

Kai kuriose versijose LED diodas pašalinamas ir grandinė veikia. Tačiau jo įdėjimas pagerina tranzistoriaus bazės įstrižų pjovimo efektyvumą.

Kas nutinka, kai cirkuliuoja srovė?

Greito srovės augimo pirminėje grandinėje ciklo metu antrinėje ritėje buvo indukuota elektromotorinė jėga. Kadangi apsisukimų santykis tarp pirminės ir antrinės yra nuo 3 iki 275, laisvo ritės L2 galo įtampa žemės atžvilgiu yra 825 V.

Dėl to, kas išdėstyta, kondensatoriaus C sferoje susidaro intensyvus elektrinis laukas, galintis jonizuoti dujas esant mažam slėgiui neoniniame vamzdyje ar liuminescencinėje lempoje, artėjančioje prie rutulio C, ir pagreitinti laisvuosius elektronus vamzdžio viduje. kad sužadintų atomus, kurie skleidžia šviesos sklidimą.

Staigiai nutrūkus srovei per ritę L1 ir ritę L2 išleidžiant per orą C į žemę, ciklas pradedamas iš naujo.

Svarbus šio tipo grandinių punktas yra tas, kad viskas įvyksta per labai trumpą laiką, taigi jūs turite aukšto dažnio generatorių. Tokio tipo grandinėse tranzistoriaus skleidžiamas virpėjimas ar greitasis virpesys yra svarbesni nei rezonanso reiškinys, aprašytas ankstesniame skyriuje ir nurodantis originalią „Tesla“ ritės versiją.

Siūlomi eksperimentai su mini „Tesla“ ritėmis

Pastačius „Tesla“ mini ritę, bus galima su ja eksperimentuoti. Akivaizdu, kad originalių versijų žaibai ir kibirkštys nebus gaminami.

Tačiau, naudodamiesi fluorescencine lempute ar neoniniu vamzdeliu, galime pastebėti, kaip lempą lemia bendras intensyvaus elektrinio lauko, kurį sukuria kondensatorius ritės gale, ir aukšto to lauko virpesių dažnio poveikis. užsidega tik artėjant prie kondensatoriaus sferos.

Stiprus elektrinis laukas jonizuoja žemo slėgio dujas vamzdyje, palikdamas laisvuosius elektronus dujose. Taigi dėl aukšto grandinės dažnio laisvieji elektronai fluorescenciniame vamzdyje pagreitina ir sužadina fluorescencinius miltelius, prilipusius prie vamzdžio vidinės sienelės, todėl jie skleidžia šviesą.

Šviesos diodą taip pat galite priartinti prie C sferos, stebėdami, kaip jis užsidega, net jei LED kaiščiai nebuvo prijungti.

Nuorodos

1. Blake'o, T. Tesla ritės teorija. Atkurta iš: tb3.com.
2. Burnett, R. „Tesla“ ritės veikimas. Atgauta iš: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fizika: sąvokos ir programos. 7-asis leidimas. „MacGraw Hill“. 626-628.
4. Viskonsino universitetas - Madisonas. „Tesla“ ritė. Atkurta iš: stebuklai.fizika.wisc.edu.
5. „Wikiwand“. „Tesla“ ritė. Atkurta iš: wikiwand.com.