Что такое катушка или трансформатор Николы Теслы?

Заметный импульс в развитии электротехники приходится на первые годы ХХ века, в это время общество и промышленность оценивали инновационные предложения от изобретателей. По мнению специалистов, многие идеи могут развиваться еще несколько десятков и даже сотню лет. Много секретов хранит история, в том числе инновационные идеи и проекты Николы Теслы — это имя стало загадкой для многих поколений людей.

Одно из известных изобретений Теслы — это созданный им трансформатор, чаще его описывают как катушку Теслы (КТ). Демонстрация его работы никого не оставляет равнодушным, можно визуально увидеть электрические разряды, которые могут иметь большие значения. Простота конструкции и получаемый результат всегда вызывают желание сделать подобную катушку самостоятельно.

Резонансный трансформатор Теслы, который в демонстрационном режиме может показать, какими манипуляциями с электричеством и какими методиками на тот период времени владел изобретатель, до настоящего момента ставит традиционную науку в тупик.

Катушка Николы Теслы — это аппарат, с помощью которого получают токи высокой частоты. Реализовывается при помощи первичной и вторичной обмотки, но первичная обмотка получает питание на частоте резонанса вторичной обмотки, при этом напряжение на выходе возрастает в десятки раз.

Тесла в 1896 году запатентовал данное изобретение, которое состоит из следующих элементов:

• обмотка первичная из медного провода сечением не меньше 6 миллиметров квадратных, которая выполнена в виде 6–7 витков;
• обмотка вторичная, она реализуется на диэлектрик проводом 0,3 миллиметра квадратных и до 800–1000 витков;
• разрядное устройство;
• емкость (конденсатор);
• элемент излучения искры.

Основное отличие КТ от всех других трансформаторов в том, что Никола Тесла в своем изобретении не применял для сердечника ферритовые сплавы, и мощность получаемого устройства зависит только от электрической проницаемости воздуха. Смысл идеи — это создание колебательного контура, который можно сделать, используя несколько методик:

• с помощью частотных колебаний — это генератор, реализованный на разрядном элементе;
• при помощи ламп — генератор колебаний;
• используя элементы радиотехники — транзисторы.

Цель изобретения

По мнению специалистов, Тесла изобретал трансформатор для решения глобального вопроса передачи электрической энергии из одного пункта в другой без применения проводов. Для того чтобы получилась задуманная изобретателем передача энергии при помощи эфира, необходимо на двух удаленных точках иметь по одному мощному трансформатору, которые работали бы на одной частоте в резонансе.

Если проект реализовать, тогда не понадобятся гидроэлектростанции, мощные ЛЭП, наличие кабельных линий, что, конечно, противоречит монопольному владению электрической энергией разными компаниями. С проектом Николы Теслы каждый гражданин общества мог бесплатно воспользоваться электричеством в нужный момент в любом месте, где бы он ни находился. С точки зрения бизнеса эта система нерентабельна, так как она не окупится, ведь электричество становится бесплатным, именно по этой причине патент №645576 до сих пор ожидает своих инвесторов.

Как работает катушка Теслы

Для лучшего понимания работы резонансного трансформатора специалисты рекомендуют посмотреть на его работу, так как простая схема катушки предназначается для создания стримера. Другими словами, происходит потеря энергии, которая переходит на конденсатор, если его подключить, а без него из конца высоковольтной обмотки вылетает фиолетового цвета искра (стример). Вокруг появившегося стримера возникает поле, в которое можно поместить люминесцентную лампу, и она будет светиться, не подключенная визуально ни к какому источнику электрической энергии.

Когда не используется конденсатор, лампа светится ярче, некоторые специалисты устройство Теслы называют игрушкой с захватывающими визуальными эффектами. Всегда возникает желание сделать такой прибор  самостоятельно, в нем реализовываются разные физические эффекты при помощи двух обмоток. На первичную обмотку подается переменное напряжение, она создает поток, при помощи которого энергия переходит на вторичную обмотку. По такому же принципу работает большинство трансформаторов.

Основные качественные характеристики КТ:

• частота во вторичном контуре;
• коэффициент передачи обеих обмоток;
• добротность.

Принцип работы простыми словами

Принцип работы катушки Теслы лучше понять, если всю работу устройства сравнить с качелями — так можно подойти к объяснению накапливания энергии, когда человек, он же оператор, представляется первичной катушкой, а ход качели — электротоком в обмотке №2. Высота подъема есть разность потенциалов.

В этом примере оператор начинает раскачивать качели, иными словами, передавать энергию. За пару качков качели поднимаются высоко, это соответствует большой разности потенциалов, наступает момент переизбытка энергии, и в результате этого появляется фиолетовый стример.

Оператор должен раскачивать качели с определенным тактом, который задается частотой резонанса, иными словами, количеством колебаний в одну секунду. Траектория движения качелей имеет длину — это коэффициент связи. Когда раскачиваем качели на длину руки и быстро, он равняется единице. Катушка Теслы — это тот же трансформатор, имеющий повышенный коэффициент передачи.

Когда оператор раскачивает качели, не удерживая их рукой, это можно ассоциировать с малыми связями — чем дольше раскачивать, тем дальше они уходят. Для быстрого накопления энергии коэффициент связи должен быть большой, но на выходе уменьшается разность потенциалов.

Качественную характеристику добротности можно ассоциировать с трением качелей. Зависимость прямая: при большом трении добротность — незначительная величина. Наивысшее значение добротности будет в самой высокой точке раскачивания, когда появляется наиболее высокое значение стримера.

Основные виды

Катушка Николы Теслы изначально имела одно исполнение — с разрядником, но со временем элементная база расширилась, появилось много видов реализации идеи великого изобретателя, и все они называются катушками его имени. Их представляют в аббревиатуре, в английской редакции.

Схема трансформатора Теслы с разрядником — это начальная конструкция, которая обладает незначительной мощностью, если используются два провода. Для большей мощности применяется вращающийся разрядник для мощного стримера.

Катушка трансформатора Теслы, реализованного на радиолампе — это схема, работающая без сбоев, показывающая мощные стримеры, которые применяются для высоких частот.

Простые в управлении катушки, но по принципу работы такие же, как трансформатор Теслы, реализованы при помощи транзисторов. Есть много вариантов таких катушек:

Сложные для настройки с применением полупроводниковых ключей две резонансные катушки, с небольшой длиной фиолетового стримера, по сравнению с разрядником, характеризуются плохой управляемостью:

Для улучшения управляемости КТ были сделаны прерыватели, с их помощью тормозился процесс, и появлялось время на зарядку емкостных накопителей (конденсаторов). Таким решением удлиняется длина разряда.

Элементы в разных конструкциях

Специалисты для самостоятельного создания КТ сделали базу общих элементов, которые могут применяться в разных реализациях резонансного трансформатора:

1. Тороид, имеющий три основных опции:

• снижение резонанса;
• накопление величины заряда: когда тороид большой, энергии больше;
• организовывается поле статического электричества, которое отталкивается от вторичной обмотки. Сама опция реализуется вторичной обмоткой, но тороид помогает ей в этом, поле отталкивает стример, не дает пробить ему по второй обмотке.

Применять тороид лучше в катушках с прерывателем, в которых происходит накачивание импульсивно. Рекомендуется соблюдение условия: значение диаметра тороида должно быть в два раза выше значения диаметра вторичной обмотки. Изготавливается тороид из гофры или аналогичных ей материалов.

Тороид на схеме:

1. Основная составляющая всей конструкции — вторичная катушка (обмотка), она должна быть в диаметре больше первичной в пять раз. Провод берется с таким сечением, чтобы вошло в обмотку не меньше 900–1000 витков, плотно намотанных, с лаковым покрытием.
2. Из ПВХ-материала, который применяется в быту для сантехники, изготавливается каркас.
3. Защитное кольцо, функциональное назначение которого — оградить первичную обмотку от попадания в нее стримера.
4. Обмотка первичная, обычно ее изготавливают из конденсаторной, медной трубки, провод должен иметь большое сечение.
5. Коэффициент связи влияет на расстояние между обмотками: чем дальше, тем меньше связь.
6. Реализация заземления, для того чтобы стримеры били в него и замыкали ток. При плохом заземлении стример может бить в катушку.

Как изготовить катушку самостоятельно

Для домашней реализации КТ может применяться любой вариант элементов, необходимо помнить об основном принципе ее работы:

• надо сделать первичную и вторичную обмотку;
• к первичной обмотке подается переменное напряжение;
• возникает магнитное поле, которое будет передавать электрическую энергию на вторичную обмотку;
• вторичная обмотка создает колебательный контур, в задачу которого входит накапливание энергии, которая будет храниться контуром некоторое время.

Рекомендации специалистов для реализации резонансного трансформатора средней мощности собственными руками:

1. Для намотки вторичной обмотки понадобится:

• двухдюймовая труба;
• провод длиной 100 метров, с эмалированным покрытием;
• фитинг из ПВХ-материала двухдюймовый;
• болты и гайки, шайбы в ассортименте;
• медная трубка длиной в 3 метра.

1. Чтобы изготовить конденсатор самостоятельно, нужны следующие детали:

• стеклянные бутылки, несколько штук;
• каменная соль;
• фольга;
• специальное масло.

1. Порядок выполнения работ следующий:

• Наматываем вторичную обмотку, для этого один конец заготовленного провода крепим в верхней части двухдюймовой трубы, начинаем намотку, не допускаем пересечения провода. Намотка вторичной обмотки проводится плотно. Для фиксации катушки применяем малярный скотч, который мотается через 20 витков.
• Полученную обмотку плотно фиксируем скотчем и покрываем эмаль краской.
• Для облегчения намотки можно сделать простое приспособление, проволоку направлять через деревянный брусок:

• Изготавливаем первичную обмотку. Для ее намотки делаем приспособление из металлического фланца, установленного в центр доски и закрепленного болтами с гайками. Медную трубу превращаем в спираль, разрезая ее таким образом, чтобы при ее растяжении образовался конус.
• Делаем разрядник, для этого понадобится два болта и деревянная коробка.
• Изготавливаем конденсаторы, для этого в подготовленную бутылку наливаем соленую воду, верх ее обматываем фольгой, через нее пропускаем в бутылку металлическую проволоку.
• Соединяем провода, как указано на схеме ниже, обязательно выполняем заземление.

На первичной обмотке получается по схеме 7 витков, на вторичной — 600.

Специалисты рекомендуют первичное испытание полученного аппарата сделать на улице, в итоге должно получиться искровое шоу из разрядов, длина которых должна быть от 10 до 15 сантиметров.

Вывод

Изготовить трансформатор Теслы своими руками, применяя навыки электротехники, не так сложно, но рекомендуется делать предварительный расчет, так как может получиться большое устройство, и искры будут значительно нагревать пространство, а также создавать звук громового разряда. Надо учитывать и влияние создаваемого поля на рядом находящиеся электрические устройства.

Рекомендуется сделать простой расчет дуги, ее длины и мощности. Для этого берем расстояние между электродами (сантиметры) и  делим его на коэффициент 4,25, затем полученное значение возводим в квадрат — это и будет мощностью дуги. Расстояние определяем следующим образом: берем полученную мощность и извлекаем из нее корень квадратный, затем умножаем на коэффициент 4,25. Длина дуги разряда в 150 сантиметров будет иметь мощность 1246 ватт. Обмотка мощностью в 1000 ватт дает длину разряда в 137 сантиметров.