Всем добрый день! Сегодня я закончу начатое и расскажу вам о принципе работы катушки Тесла. Это устройство будет ещё интереснее, чем качер Бровина, но и опаснее, поэтому стоит отдельно упомянуть технику безопасности. Всё описанное в статье является лишь теоретической частью; автор не призывает воплощать подобные проекты дома без соответствующих навыков. Забудьте про скин-эффект — здесь он уже не проявляется. Катушка работает в режиме генерации мощных одиночных импульсов, которые по силе можно сравнить с ударом электрошокера. Это опасно! Мало не покажется.
Реализовать такое устройство в домашних условиях крайне сложно. Фотографий и видео в этот раз не будет, так как это дорогой и трудозатратный проект. Комплектующие стоят целое состояние, при этом они «горят как спички» (особенно транзисторы, которые постоянно выбивает). Теперь разберёмся с деталями, ставшими в нынешних реалиях почти «золотыми»:
1. Катушка Теслы, комплектующие и детали, нужные к ней
Катушка Теслы работает за счёт более сложных и интересных процессов, нежели качер Бровина. Кроме того, в классической схеме нет никаких транзисторов. Установка состоит из двух ключевых частей: LC-контура (колебательного контура) и самого резонансного трансформатора. Также необходим источник питания.
В первой части я описывал принцип работы обычного трансформатора; здесь на входе также используется повышающий трансформатор, который поднимает напряжение до нескольких тысяч вольт. Можно использовать и схему драйвера, но она быстро сгорит из-за очень сильных ВЧ-помех (высокочастотных помех) во время работы. Рассмотрим каждую деталь подробнее:
1.1 Конденсатор
Конденсатор — это деталь, способная накапливать электрический заряд между двумя обкладками (на схемах он изображается в виде двух параллельных черточек). Конденсатор чем-то похож на батарейку, но сходство ограничивается лишь цилиндрической формой корпуса (и то не всегда) и способностью запасать энергию.
Разница существенна: в батарейке протекают химические реакции, за счёт которых она отдает ток. Она изначально заряжена, а разряжается постепенно. Конденсатор же изначально разряжен. При этом он способен заряжаться и разряжаться с большой скоростью — миллионы раз в секунду, на что батарейка физически не способна. Но батарейка хранит энергии куда больше чем в конденсаторе, если вдруг подумали что в фонариках лучше использовать конденсатор, то это не так. Фонарик просветит не дольше минуты в лучшем случае
Кстати, не каждый конденсатор выдержит такие частоты. Обычные компоненты работают в относительно «легких» условиях, но для Теслы нужны настоящие «богатыри». Их называют высокочастотными конденсаторами
И вот почему они «богатыри»: обратите внимание на контакты — они соединяются уже не пайкой, а толстыми болтами. У таких конденсаторов маленькая ёмкость и очень низкое внутреннее сопротивление. Условия работы здесь суровые: бешеные перегрузки и огромные токи. Если их заменить на обычные конденсаторы, у тех просто начнут плавиться ножки, и проработают они совсем недолго.
В этом и заключается подвох: эти «богатыри» стоят целое состояние. Зачастую их можно найти только на вторичном рынке — это б/у детали советского производства, которые даже в таком состоянии стоят немало. Не слышу, промышленные аналоги? Да, их производят и они очень востребованы в металлургии в плавильных индукционных печах. Но их новыми достать нельзя, только через связи или работая в таком цехе. И то не факт, а бу стоят ещё дороже чем советские, кстати, а теперь вспомним, что ёмкость у одного такого советского конденсатора очень маленькая. Если вы захотите собрать батарею с большой ёмкостью, в катушке Теслы такие используют как раз, на рынке придётся оставить целое состояние.
А если вам нужен не любой, а особенный, с конкретными характеристиками? Разброс в 10% от расчётного значения в ту или иную сторону — и схема уже не работает. Проще сначала достать конденсатор, а уже под него подгонять все расчёты. Вот поэтому проект явно не по карману обычному школьнику, да и по техническим требованиям уровень тут выше.
1.2 Индуктивность
Индуктивность же — это просто медная катушка, намотанная на магнитопровод (сердечник) или вовсе не имеющая каркаса. В схеме Теслы первичная обмотка выступает одновременно и как часть трансформатора, и как индуктивность.
Дроссель тоже способен накапливать энергию в виде магнитного поля, но, в отличие от конденсатора, не может её долго хранить. Он накапливает энергию в начале запитки, становясь своего рода «пробкой», через которую ток не потечет, пока не создастся магнитное поле. Затем, если напряжение стабильно, дроссель превращается в обычный проводник с сопротивлением.
Но самое интересное происходит после прекращения подачи питания: дроссель начинает конвертировать накопленное магнитное поле обратно в напряжение. Причем до такой степени, что может просочить яркая искра! И пусть вас не смущает, что на входе было всего 5 вольт — на выходе можно получить более 10 000 вольт. К тому же полярность будет обратной: там, где вы подавали «плюс», после отключения возникнет «минус», и там где был минус, появится плюс.
Повторюсь: такой способ накопления энергии не способен удержать в себе энергию надолго (весь процесс длится доли секунды и зависит от самой катушки). Она либо потратит её на искрообразование, либо сбросит в схему. Это свойство используют в современных импульсных блоках питания для повышения, понижения или стабилизации напряжения. Если вам будет интересно, я подробнее расскажу о типах БП, работающих на этих свойствах дросселя
1.3 Искровой разрядник.
Разрядник
Ну, тут всё просто. Есть два электрода, находящихся на определённом расстоянии друг от друга. При достижении нужного напряжения происходит пробой: газ между ними ионизируется, превращаясь в токопроводящий канал, и через него начинает течь ток.
Конечно, это не идеальное устройство. Напряжение пробоя сильно зависит от состава и свойств газа, давления и влажности воздуха.
2 Принцип работы
- На контакты «источника тока» подаётся напряжение около 2000 вольт (зависит от схемотехники). Опасно, не повторять! Конденсатор начинает забирать заряд на себя, и напряжение в сети временно проседает. Далее оно растёт по мере заряда: 100–200–300… 1700–1800 вольт, и тут происходит самое интересное.
Как только напряжение достигает отметки пробоя (а это значение не константа и может «плавать»), в разряднике проскакивает искра. В этот момент ток устремляется в первичную обмотку. Про источник питания на мгновение забудьте — представьте, что он выключился. Конденсатор отдаёт всю накопленную энергию, дроссель (первичка) насыщается, и возникает мощное электромагнитное поле. Это поле нарастает именно так, как нужно для вторичной катушки, это когда она входит в резонанс, падает реактивное сопротивление и электроном легче двигаться.
И здесь стоит рассказать о ключевом эффекте — резонансе.
Интернет говорит нам, что резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении внешней частоты с собственной частотой системы. Перескаажу по поостому суть: это когда частоты колебаний в двух системах совпадают, и начинаются мощнейшие вибрации — не только атомов (стол, кружка, бокал), но и электронов.
Идеальный пример — певицы, разбивающие бокалы голосом. Стекло начинает колебаться в такт со звуковой волной. Если подобрать идеальную резонансную частоту и достаточную силу звука, амплитуда (сила) этих колебаний вырастет настолько, что в стекле начнут рваться межатомные связи. Одна трещина, вторая — и пошла цепная реакция. Бокал разлетается в дребезги.
Нечто подобное происходит и в катушке Теслы: бокал — это вторичная обмотка, а певица — первичная. Но где именно здесь возникает резонанс? Во вторичной цепи он есть «от природы» — любая катушка имеет частоту, на которой электроны колеблются почти без сопротивления. Такое сопротивление называется реактивным. А что же в первичной цепи? Здесь мы вплотную подходим к понятию LC-контура.
3. Lc контур
Первичная катушка и конденсатор образуют колебательный контур. Механика процесса проста: когда происходит пробой в разряднике, конденсатор начинает отдавать энергию катушке. В итоге конденсатор разряжается полностью, отдавая всё накопленное «до капли».
Но, как мы говорили ранее, дроссель (катушка) не способен удерживать энергию долго, как конденсатор. Инвертируя полярность, он тут же начинает заряжать конденсатор обратно. Тот, в свою очередь, заряжается и вновь принимается питать дроссель, но уже обратным током. Когда катушка снова «выстреливает» энергию назад, она опять инвертирует полярность в изначальную.
Этот процесс повторяется по кругу, создавая те самые высокочастотные колебания. Энергия мечется от конденсатора к катушке и обратно, пока не затухнет из-за потерь или не будет передана во вторичную обмотку.
4. Проводим взаимосвязи пред пунктов
Теперь, когда проскакивает искра, начинаются колебания с очень большой амплитудой. Кстати, ток на протяжении всего процесса так и будет течь через разрядник — через уже проложенный ионизированный канал (он не создает новых искр, а просто при каждой амплитуде разогревает имеющийся канал, здесь и происходят основные потери).
Так как резонансы в первичном LC-контуре и во вторичной катушке совпадают, из тороида начинают бить очень большие и красивые молнии (стримеры). Забавный факт: если частота выше, то и разряды будут образовываться выше, а если ниже — то ближе к центру тороида.
Нюансы. Они есть
Они есть и это факт. Все эти колебания в Lc контуре создают очень сильные помехи и естественно любому высоковольтному блоку это не понравится. И все эти такты могут просто сжечь блок питания. Сетевые трансформаторы 50 Гц тоже горят от таких ситуаций, что уж там говорить про нежные транзисторы, которые также дорого стоят. Ещё факт в копилку, что всё это явно не для школьника
Вывод
Это прекрасное устройство было изобретено Николой Тесла и названо в его честь. Красота науки, не более чем. А не зная сути данного устройства можно было бы сказать что это магия высшего уровня. А столько всего не знаем в этой вселенной. На этом диалог подходит к концу. Надеюсь вам понравилось и было интересно, подписывайтесь и оценивайте эту статью. Так вы поможете в продвижении будущего моего контента. А пока, всем хорошего утра/дня/вечера/ночи, 73!