Меню

Тесла ток при резонансе

Тесла ток при резонансе

Возможно, резонансный механизм извлечения энергии из физвакуума окажется наиболее эффективным из всех существующих. Дело в том, что любое колебание характеризуется очень высокой степенью неравномерности. Здесь постоянно меняется как численное значение скорости движения колеблющегося тела, так и направление вектора скорости. А чем больше неравномерность, тем лучше должен быть результат. Вспомните, что я писал о разрушении моста под сапогами марширующих солдат в статье «Парадоксы энергии». Если суммировать энергию, сообщаемую мосту солдатами, и сравнить её с энергией, необходимой для разрушения моста, то вторая окажется в миллионы раз больше первой.

Неизвестно точно, кто был первым в разработке резонансных генераторов. Имеются сведения, что американский физик Генри Мюррей ещё в середине 20-х годов прошедшего века осуществил первый успешный опыт по извлечению энергии из физвакуума в достаточно больших объёмах. А в конце 20-х годов он построил 30-ступенчатый агрегат мощностью 50 кВт, который работал беспрерывно несколько месяцев. Мюррей не делал секрета из своих экспериментов и демонстрировал работающий генератор всем желающим. Это его и погубило. Однажды какой-то безумец принёс с собой бомбу и взорвал лабораторию. А вскоре внезапно умер и сам изобретатель. После его смерти все уцелевшие бумаги и чертежи установки исчезли. И потому точно не известно, как именно выглядел аппарат этого изобретателя.

Вторым был сербский физик Никола Тесла. Он тоже построил генератор, работающий на резонансном принципе, и его лаборатория в Колорадо-Спрингс также была взорвана. К счастью, Тесла был намного более известен по сравнению с Мюрреем и потому его самого не тронули. Но перекрыли все каналы получения денег для дальнейшей разработки. Тесловский аппарат состоял из электродвигателя и соединённого с ним через механическую муфту электрогенератора, а также искровика. Двигатель вращал генератор, а тот вырабатывал нужный для работы двигателя ток. При этом из-за наличия в цепи резонанса ток вырабатывался в таких количествах, что его хватало и для работы самого двигателя, и для питания многочисленных внешних потребителей. Когда между электродами в искровике проскакивает искра, в ней присутствуют колебания очень широкого спектра частот. И какая-нибудь из них обязательно совпадёт с резонансным значением. Если нагрузка изменится, резонанс будет осуществляться на другой частоте. Такая система очень удобна тем, что в ней не нужен блок управления и она автоматически подстраивается в резонансный режим. Но искра обладает двумя недостатками, из-за которых Тесла отверг данную схему. Во-первых, искра испускает жесткое рентгеновское излучение, вредное для организма. Именно по этой причине преждевременно ушли из жизни те наши современники, которые работали с искровой схемой: Арсений Меделяновский, Владилен Докучаев, Александр Чернетский. Во-вторых, искра порождает мощные радиоволны, от которых глохнут все телевизоры и радиоприёмники в округе.

Тесла быстро разобрался в недостатках искры и отказался от такого способа, разработав иной более безопасный и даже испробовав его на практике. Он использовал обычный колебательный контур, имеющийся во всех радиоприёмниках, и содержащий по меньшей мере, одну индукционную катушку и электрический конденсатор переменной ёмкости. На Земле постоянно бушуют грозы с молниями, которые порождают электромагнитные волны широкого спектра частот. Антенна улавливает эти волны и возбуждает в контуре слабый переменный ток. А постоянно поддерживаемый в контуре режим резонанса усиливает ток до такой степени, что находящийся там электромотор начинает работать. Когда в Далласе (штат Техас) происходила промышленная выставка, Тесла заручился поддержкой фирм «Pierce-Arrow» и «General Electric», снял бензиновый мотор с демонстрируемого автомобиля «Arrow» и установил на него электрический двигатель переменного тока мощностью 80 л.с. и скоростью вращения 1800 об/мин. После этого пошёл в местный магазин, купил там несколько электронных ламп, кучу проводов, резисторы, и из всего этого барахла соорудил небольшую коробочку размерами 60×30×15см с двумя антеннами. Установил коробочку за сиденьем, подсоединил её к электромотору и поехал. Гонял он автомобиль целую неделю, развивая скорость до 150 км/час. А на все вопросы об источнике энергии отвечал, что энергия поступает из эфира. Но неграмотные обыватели сочли, что Тесла связался с дьяволом, который и толкает автомобиль. Разгневанный такими инсинуациями, Тесла снял коробочку с автомобиля и отказался рассказывать, как она работает.

Некоторые современные физики, работающие в этой области, видят источник энергии тесловской коробочки в электромагнитных полях. В принципе, если настроить частоту аппарата на частоту земного электромагнитного поля (от 7 до 7.5 герц, так называемый резонанс Шумана), извлекать энергию из магнитного поля окажется возможным. Но это противоречит тому, что говорил сам Тесла. Ведь он прекрасно разбирался в магнитных полях, но говорил всегда об эфире, а не о поле. Одного я только не понимаю: зачем Тесла установил в своей коробочке две антенны, когда можно было бы обойтись одной?

В настоящее время подобные схемы исследуют Андрей Мельниченко в России, Дон Мартин (Don Martin) в США и Паоло Кореа в Канаде. Точная схема установки Дон Мартина не известна, т.к. американцы держат её в секрете. Но мой личный разговор с директором International Tesla Institute Джонном МакГиннисом (John McGinnis), который продвигает эту разработку, привёл меня к выводу, что американская установка почти в точности идентична установке Мельниченко. Начинал Андрей с самого простого устройства, куда входили только генератор, электродвигатель и конденсатор. Вот его рассказ, взятый мною из журнала «Свет», 6, 1997: «. я зарабывал деньги на строительстве дач. И работал с циркуляркой, у которой был двигатель на 1.5 кВт. Всё шло прекрасно, пока не отключили энергию. Я пошёл к соседу, у него был бензиновый генератор на 127 вольт. Но у циркулярки двигатель рассчитан на 220 вольт. От такого генератора циркулярка работала еле-еле, диск можно было остановить ладонью. Тогда я взял пару обычных конденсаторов и поставил их последовательно с двигателем. Напряжение подскочило до 500 вольт. Я снял один конденсатор, и получилась напруга как раз на двигатель. Пришёл местный электрик, померил и чуть не упал в обморок: бензиновый генератор имел 100 вольт и 0.5 кВт, а электродвигатель — 270 вольт и 1.5 кВт при одинаковой силе тока 0.5 ампер. То есть двигатель имел напряжение на входе в 2 раза меньше номинального, а на выходе на 20% больше. Пила работала как зверь — доски только отлетали. Он ничего понять не мог. Тут я вытащил из-под двигателя конденсатор величиной со спичечный коробок, который он не заметил, и объяснил суть эксперимента. Любой специалист может его воспроизвести за несколько секунд и убедиться в реальности дополнительной мощности».

В этой установке вся энергия, выбрасываемая из физвакуума при его переходе из возбуждённого состояния в нейтральное, отдавалась потребителю. Поэтому для следующего цикла возбуждения требовался посторонний источник энергии. В схеме Мельниченко им был бензиновый генератор. А в коробочке Теслы это были далёкие молнии. Но если часть получаемой энергии пускать на повторное возбуждение вакуума, посторонний источник энергии можно убрать. Поэтому Мельниченко изменил установку. Модернизированный аппарат кроме двигателя с генератором включал также конденсатор переменной ёмкости, нагрузку, блок управления и батареи. Двигатель и генератор соединялись механически через муфту и электрически. Конденсатор находился в цепи нагрузки. Цепь нагрузки и цепь двигателя подсоединялись к генератору параллельно. Блок управления менял емкость конденсатора так, чтобы в цепи всегда поддерживался резонанс. Батареи были нужны лишь для запуска установки, а после выхода на стационарный режим они отключались.

А Паоло Кореа, похоже, повторяет работы Мюррея. Потому что внешний вид установки канадца очень напоминает то, что в своё время показывал американец и как об этом рассказывали посетители его лаборатории. Кореа использует акустический резонанс в плазме. В стеклянной трубе по всей её длине тянутся два плоских электрода, на которые подаётся переменное напряжение с частотой, равной резонансной частоте акустических колебаний плазмы (а у Мюррея было 30 таких труб, установленных последовательно в батарею). Сама же плазма создаётся посредством ионизации газа заряженными частицами, вылетающими из тонкого слоя радиоактивного вещества, покрывающего внутреннюю сторону электродов. Конечно, степень ионизации и температура такой плазмы довольно низки, но для получения хорошего результата этого оказывается достаточным. Как сообщает Кореа в своих статьях, на одну единицу вкладываемой энергии он получает от 6 до 18 единиц энергии из плазмы. К сожалению, у такой схемы имеется существенный недостаток: положительная обратная связь между вкладываемой и получаемой энергиями. Поэтому установка канадца работает неустойчиво, вырабатываемые ток и напряжение скачут в слишком широком интервале значений. А это ведёт к перенапряжению оборудования и его быстрому выходу из строя. Как решить эту проблему, исследователь пока не знает.

И вот что интересно. Оказывается, нечто подобное уже давно используется на всех электростанциях, правда с совершенно иной целью. Явление резонанса в электрической сети прекрасно известно всем электротехникам. Когда он возникает, в сети выделяется громадное количество дополнительной энергии (выброс энергии может в 5-10 раз превышать норму), и многие потребители перегорают. От их выхода из работы ёмкость и индуктивность сети меняются и резонанс исчезает. Но для уже перегоревших устройств от этого легче не становится. Чтобы избежать такого оборота, на выходе из станции устанавливают специальные антирезонирующие вставки. Как только сеть окажется слишком близко к условиям резонанса, вставки автоматически изменяют свою ёмкость и уводят сеть из опасной зоны. Но если бы мы стали специально подерживать резонанс в сети с соответствующим уменьшением силы тока на выходе из станции, тогда потребление топлива станциями упало бы в десятки раз. И во столько же раз упала бы себестоимость производимой энергии.

Также имеются сведения, что резонанс позволяет добиться многократного снижения энергозатрат при разложении воды на водород и кислород. Если электролиз производить током с частотой, равной частоте собственных колебаний атомов водорода и кислорода в молекуле воды, тогда затраты энергии на разложение падают в десятки раз. Но при последующем сгорании этих газов один в другом выделится такая же энергия, как раньше. Разлагая повторно полученную воду током резонансной частоты и снова сжигая полученные газы, можно добиться того, что при достаточно малых затратах электричества из розетки или от батарей мы получим громадные количества тепла. К сожалению, я не нашёл достаточно подробной информации на эту тему, поэтому ничего более конкретного сказать не могу.

Читайте также:  Циклическое реле времени постоянного тока

Источник

Катушка Тесла. Краткая теория

Катушка Тесла

Катушка Тесла представляет собой высокочастотный резонансный трансформатор без ферромагнитного сердечника, с помощью которого можно получить высокое напряжение на вторичной обмотке. Под действием высокого напряжения в воздухе происходит электрический пробой, подобно разряду молнии. Устройство изобретено Николой Теслой, и носит его имя.

По типу коммутирующего элемента первичного контура, катушки Тесла подразделяются на искровые (SGTC – Spark gap Tesla coil), ламповые (VTTC – Vacuum tube Tesla coil), транзисторные (SSTC – Solid state Tesla coil, DRSSTC – Dual resonant solid state Tesla coil). Я буду рассматривать только искровые катушки, являющиеся самыми простыми и распространенными. По способу заряда контурного конденсатора, искровые катушки делятся на 2 типа: ACSGTC – Spark gap Tesla coil, а также DCSGTC – Spark gap Tesla coil. В первом варианте, заряд конденсатора осуществляется переменным напряжением, во втором используется резонансный заряд с подведением постоянного напряжения.

Общий вид катушки Тесла
Сама катушка представляет собой конструкцию из двух обмоток и тора. Вторичная обмотка цилиндрическая, наматывается на диэлектрической трубе медным обмоточным проводом, в один слой виток к витку, и имеет обычно 500-1500 витков. Оптимальное соотношение диаметра и длины обмотки равно 1:3,5 – 1:6. Для увеличения электрической и механической прочности, обмотку покрывают эпоксидным клеем или полиуретановым лаком. Обычно размеры вторичной обмотки определяют исходя из мощности источника питания, то есть высоковольтного трансформатора. Определив диаметр обмотки, из оптимального соотношения находят длину. Далее подбирают диаметр обмоточного провода, так чтобы количество витков примерно равнялось общепринятому значению. В качестве диэлектрической трубы обычно применяют канализационные пластиковые трубы, но можно изготовить и самодельную трубу, при помощи листов чертежного ватмана и эпоксидного клея. Здесь и далее речь идет о средних катушках, мощностью от 1 кВт и диаметром вторичной обмотки от 10 см.

На верхний конец трубы вторичной обмотки устанавливают полый проводящий тор, обычно выполненный из алюминиевой гофрированной трубы для отвода горячих газов. В основном диаметр трубы подбирают равным диаметру вторичной обмотки. Диаметр тора обычно составляет 0,5-0,9 от длины вторичной обмотки. Тор имеет электрическую емкость, которая определяется его геометрическими размерами, и выступает в роли конденсатора.

Первичная обмотка располагается у нижнего основания вторичной обмотки, и имеет спиральную плоскую или коническую форму. Обычно состоит из 5-20 витков толстого медного или алюминиевого провода. В обмотке протекают высокочастотные токи, вследствие чего скин-эффект может иметь значительное влияние. Из-за высокой частоты ток распределяется преимущественно в поверхностном слое проводника, тем самым уменьшается эффективная площадь поперечного сечения проводника, что приводит к увеличению активного сопротивления и уменьшению амплитуды электромагнитных колебаний. Поэтому лучшим вариантом для изготовления первичной обмотки будет полая медная трубка, или плоская широкая лента. Над первичной обмоткой по внешнему диаметру иногда устанавливают незамкнутое защитное кольцо (Strike Ring) из того же проводника, и заземляют. Кольцо предназначено для предотвращения попадания разрядов в первичную обмотку. Разрыв необходим для исключения протекания тока по кольцу, иначе магнитное поле, созданное индукционным током, будет ослаблять магнитное поле первичной и вторичной обмотки. От защитного кольца можно отказаться, если заземлить один конец первичной обмотки, при этом попадание разряда не причинит вреда компонентам катушки.

Схема катушки Тесла ACSGTC

Коэффициент связи между обмотками зависит от их взаимного расположения, чем они ближе, тем больше коэффициент. Для искровых катушек типичное значение коэффициента равно K=0,1-0,3. От него зависит напряжение на вторичной обмотке, чем больше коэффициент связи, тем больше напряжение. Но увеличивать коэффициент связи выше нормы не рекомендуется, так как между обмотками начнут проскакивать разряды, повреждающие вторичную обмотку.

На схеме представлен простейший вариант катушки Тесла типа ACSGTC.
Принцип действия катушки Тесла основан на явлении резонанса двух индуктивно связанных колебательных контуров. Первичный колебательный контур состоит из конденсатора С1, первичной обмотки L1, и коммутируется разрядником, в результате чего образуется замкнутый контур. Вторичный колебательный контур образован вторичной обмоткой L2 и конденсатором С2 (тор обладающий емкостью), нижний конец обмотки обязательно заземляется. При совпадении собственной частоты первичного колебательного контура с частотой вторичного колебательного контура, происходит резкое возрастание амплитуды напряжения и тока во вторичной цепи. При достаточно высоком напряжении происходит электрический пробой воздуха в виде разряда, исходящего из тора. При этом важно понимать, что представляет собой замкнутый вторичный контур. Ток вторичного контура течет по вторичной обмотке L2 и конденсатору С2 (тор), далее по воздуху и земле (так как обмотка заземлена), замкнутый контур можно описать следующим образом: земля-обмотка-тор-разряд-земля. Таким образом, захватывающие электрические разряды представляют собой часть контурного тока. При большом сопротивлении заземления разряды, исходящие из тора будут бить прямо по вторичной обмотке, что не есть хорошо, поэтому нужно делать качественное заземление.

После того как размеры вторичной обмотки и тора определены, можно посчитать собственную частоту колебаний вторичного контура. Здесь надо учитывать, что вторичная обмотка кроме индуктивности обладает некоторой емкостью из-за немалых размеров, которую надо учитывать при расчете, емкость обмотки необходимо сложить с емкостью тора. Далее надо прикинуть параметры катушки L1и конденсатора C1первичного контура, так чтобы собственная частота первичного контура была близка к частоте вторичного контура. Емкость конденсатора первичного контура обычно составляет 25-100 нФ, исходя из этого, рассчитывают количество витков первичной обмотки, в среднем должно получиться 5-20 витков. При изготовлении обмотки необходимо увеличить количество витков, по сравнению с расчетным значением, для последующей настройки катушки в резонанс. Рассчитать все эти параметры можно по стандартным формулам из учебника физики, также в сети есть книги по расчету индуктивности различных катушек. Существуют и специальные программы калькуляторы для расчета всех параметров будущей катушки Тесла.

Настройка осуществляется путем изменения индуктивности первичной обмотки, то есть один конец обмотки подсоединен к схеме, а другой никуда не подключается. Второй контакт выполняют в виде зажима, который можно перекидывать с одного витка на другой, тем самым используется не вся обмотка, а только ее часть, соответственно меняется индуктивность, и собственная частота первичного контура. Настройку выполняют во время предварительных запусков катушки, о резонансе судят по длине выдаваемых разрядов. Существует также метод холодной настройки резонанса при помощи ВЧ генератора и осциллографа или ВЧ вольтметра, при этом катушку запускать не надо. Необходимо взять на заметку, что электрический разряд обладает емкостью, вследствие чего собственная частота вторичного контура может немного уменьшаться во время работы катушки. Заземление также может оказывать небольшое влияние на частоту вторичного контура.

Разрядник является коммутирующим элементом в первичном колебательном контуре. При электрическом пробое разрядника под действием высокого напряжения, в нем образуется дуга, которая замыкает цепь первичного контура, и в нем возникают высокочастотные затухающие колебания, в течение которых напряжение на конденсаторе С1 постепенно уменьшается. После того как дуга гаснет, контурный конденсатор С1 вновь начинает заряжаться от источника питания, при следующем пробое разрядника начинается новый цикл колебаний.

Разрядник подразделяется на два типа: статический и вращающийся. Статический разрядник представляет собой два близко расположенных электрода, расстояние между которыми регулируют так чтобы электрический пробой между ними происходил в то время, когда конденсатор С1 заряжен до наибольшего напряжения, или немного меньше максимума. Ориентировочное расстояние между электродами определяют исходя из электрической прочности воздуха, которая составляет около 3 кВ/мм при стандартных условиях окружающей среды, а также зависит от формы электродов. Для переменного сетевого напряжения, частота срабатываний статического разрядника (BPS – beats per second) составит 100Гц.

Вращающийся разрядник (RSG – Rotary spark gap) выполняется на основе электродвигателя, на вал которого насажен диск с электродами, с каждой стороны диска устанавливаются статические электроды, таким образом, при вращении диска, между статическими электродами будут пролетать все электроды диска. Расстояние между электродами делают минимальным. В таком варианте можно регулировать частоту коммутаций в широких пределах управляя электродвигателем, что дает больше возможностей по настройке и управлению катушкой. Корпус двигателя необходимо заземлить, для защиты обмотки двигателя от пробоя, при попадании высоковольтного разряда.

В качестве контурного конденсатора С1 применяют конденсаторные сборки (MMC – Multi Mini Capacitor) из последовательно и параллельно соединенных высоковольтных высокочастотных конденсаторов. Обычно применяют керамические конденсаторы типа КВИ-3, а также пленочные К78-2. В последнее время намечен переход на бумажные конденсаторы типа К75-25, которые неплохо показали себя в работе. Номинальное напряжение конденсаторной сборки для надежности должно быть в 1,5-2 раза больше амплитудного напряжения источника питания. Для защиты конденсаторов от перенапряжения (высокочастотные импульсы) устанавливают воздушный разрядник параллельно всей сборке. Разрядник может представлять собой два небольших электрода.

В качестве источника питания для зарядки конденсаторов используется высоковольтный трансформатор Т1, или несколько последовательно или параллельно соединенных трансформаторов. В основном начинающие тесластроители используют трансформатор из микроволновой печи (MOT – Microwave Oven Transformer), выходное переменное напряжение которого составляет

2,2 кВ, мощность около 800 Вт. В зависимости от номинального напряжения контурного конденсатора, МОТы соединяют последовательно от 2 до 4 штук. Применение только одного трансформатора не целесообразно, так как из-за небольшого выходного напряжения зазор в разряднике будет очень малым, итогом будут нестабильные результаты работы катушки. Моты имеют недостатки в виде слабой электропрочности, не рассчитаны для работы в длительном режиме, сильно греются при большой нагрузке, поэтому часто выходят из строя. Более разумно использовать специальные масляные трансформаторы типа ОМ, ОМП, ОМГ, которые имеют выходное напряжение 6,3 кВ, 10 кВ, и мощность 4 кВт, 10 кВт. Можно также изготовить самодельный высоковольтный трансформатор. При работе с высоковольтными трансформаторами не следует забывать о технике безопасности, высокое напряжение опасно для жизни, корпус трансформатора необходимо заземлить. При необходимости последовательно с первичной обмоткой трансформатора можно установить автотрансформатор, для регулировки напряжения зарядки контурного конденсатора. Мощность автотрансформатора должна быть не меньше мощности трансформатора T1.

Читайте также:  Трансформатор тока импульсного источника питания

Дроссель Lд в цепи питания необходим для ограничения тока короткого замыкания трансформатора при пробое разрядника. Чаще всего дроссель находится в цепи вторичной обмотки трансформатора T1. Вследствие высокого напряжения, необходимая индуктивность дросселя может принимать большие значения от единиц до десятков Генри. В таком варианте он должен обладать достаточной электропрочностью. С таким же успехом дроссель можно установить последовательно с первичной обмоткой трансформатора, соответственно здесь не требуется высокая электропрочность, необходимая индуктивность на порядок ниже, и составляет десятки, сотни миллигенри. Диаметр обмоточного провода должен быть не меньше диаметра провода первичной обмотки трансформатора. Индуктивность дросселя рассчитывают из формулы зависимости индуктивного сопротивления от частоты переменного тока.

Схема катушки Тесла DCSGTC

Фильтр низких частот (ФНЧ) предназначен для исключения проникновения высокочастотных импульсов первичного контура в цепь дросселя и вторичной обмотки трансформатора, то есть для их защиты. Фильтр может быть Г-образным или П-образным. Частоту среза фильтра выбирают на порядок меньше резонансной частоты колебательных контуров катушки, но при этом частота среза должна быть намного больше частоты срабатывания разрядника.

При резонансном заряде контурного конденсатора (тип катушки – DCSGTC), используют постоянное напряжение, в отличии от ACSGTC. Напряжение вторичной обмотки трансформатора T1 выпрямляют с помощью диодного моста и сглаживают конденсатором Св. Емкость конденсатора должна быть на порядок больше емкости контурного конденсатора С1, для уменьшения пульсаций постоянного напряжения. Величина емкости обычно составляет 1-5 мкФ, номинальное напряжение для надежности выбирают в 1,5-2 раза больше амплитудного выпрямленного напряжения. Вместо одного конденсатора можно использовать конденсаторные сборки, желательно не забывая про выравнивающие резисторы при последовательном соединении нескольких конденсаторов.

В качестве диодов моста применяют последовательно соединенные высоковольтные диодные столбы типа КЦ201 и др. Номинальный ток диодных столбов должен быть больше номинального тока вторичной обмотки трансформатора. Обратное напряжение диодных столбов зависит от схемы выпрямления, по соображениям надежности обратное напряжение диодов должно быть в 2 раза больше амплитудного значения напряжения. Возможно изготовление самодельных диодных столбов путем последовательного соединения обычных выпрямительных диодов (например 1N5408, Uобр = 1000 В, Iном = 3 А), с применением выравнивающих резисторов.
Вместо стандартной схемы выпрямления и сглаживания можно собрать удвоитель напряжения из двух диодных столбов и двух конденсаторов.

Принцип работы схемы резонансного заряда основан на явлении самоиндукции дросселя Lд, а также применения диода отсечки VDо. В момент времени, когда конденсатор C1 разряжен, через дроссель начинает течь ток, возрастая по синусоидальному закону, при этом в дросселе накапливается энергия в виде магнитного поля, а конденсатор при этом заряжается, накапливая энергию в виде электрического поля. Напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения источника питания, при этом через дроссель течет максимальный ток, и падение напряжения на нем равно нулю. При этом ток не может прекратиться мгновенно, и продолжает течь в том же направлении из-за наличия самоиндукции дросселя. Зарядка конденсатора продолжается до удвоенного значения напряжения источника питания. Диод отсечки необходим для предотвращения перетекания энергии от конденсатора обратно в источник питания, так как между конденсатором и источником питания появляется разность потенциалов равная напряжению источника питания. На самом деле напряжение на конденсаторе не достигает удвоенного значения, из-за наличия падения напряжения на диодном столбе.

Применение резонансного заряда позволяет более эффективно и равномерно передавать энергию на первичный контур, при этом для получения одинакового результата (по длине разряда), для DCSGTC требуется меньшая мощность источника питания (трансформатор Т1), чем для ACSGTC. Разряды приобретают характерный плавный изгиб, вследствие стабильного питающего напряжения, в отличии от ACSGTC, где очередное сближение электродов в RSG может приходиться по времени на любой участок синусоидального напряжения, включая попадание на нулевое или низкое напряжение и как следствие переменная длина разряда (рваный разряд).

Ниже на картинке представлены формулы для расчета параметров катушки Тесла:

Предлагаю ознакомиться с моим опытом постройки катушки Тесла своими руками.

Источник

Резонанс в электрической цепи

Разберемся сначала с важными понятиями.

Колебания внешнего воздействия могут усиливать даже незначительные колебания системы. Наибольший резонанс достигается при совпадении частоты колебаний внешнего воздействия с колебаниями системы.

Одним из примеров явления резонанса, есть расшатывание моста ротой солдат. Это происходит, когда частота шагов солдат, которая являются внешним воздействием, совпадает с частотой колебаний моста. Если возникнет такой резонанс, это может разрушить мост. Именно поэтому солдаты не переходят мосты стройным шагом, а идут в вольном режиме.

Часто встречаемым явлением в физике есть электрический резонанс. Без него невозможно было бы провести телетрансляцию, многие медицинские обследования и прочие важные процессы.

Востребованными резонансами в электрической цепи есть:

  • резонанс напряжений;
  • резонанс токов.

Резонанс в электрической цепи

Схема \(RLC\) – это электрическая цепь с последовательными, параллельными или комбинированными соединениями компонентов (резисторами, индукционными катушками и конденсаторами). \(RLC\) – это сочетание сопротивления, индуктивности и емкости.

Векторная диаграмма в случае последовательного соединения \(RLC\) -цепи бывает емкостной, активной или индуктивной.

В индуктивной векторной диаграмме резонанс напряжений появляется лишь при нулевом сдвиге фаз и совпадении сопротивлений индукции и емкости.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Резонанс токов через реактивные элементы

Резонанс токов возникает при параллельном соединении реактивных сопротивлений с одинаковыми характеристиками в цепях с переменным током. Во время резонанса токов реактивная индуктивная проводимость приравнивается к реактивной емкостной проводимости, то есть \(BL=BC.\)

Колебания контура с определенной частотой совпадают с частотой колебаний источника.

Простейшим примером цепи, в которой может произойти резонанс токов, есть параллельное соединение катушки с конденсатором.

Поскольку реактивные сопротивления совпадают по модулю, то амплитуды токов конденсатора и катушки также будут совпадать и могут достичь наибольшего значения амплитуды. Согласно первому закону Кирхгофа \(IR\) равняется току источника. Иначе говоря, ток проходит лишь через резистор. Если рассмотреть параллельный контур \(LC,\) то при частоте резонанса его сопротивление будет огромным. В условиях режима гармонии при частоте резонанса в контуре будет расход тока лишь для восполнения потерь на активном сопротивлении.

Значит, в последовательной цепи \(RLC\) импеданс наименьший при частоте резонанса и равняется активному сопротивлению контура, при этом в параллельной цепи \(RLC\) импеданс наибольший при частоте резонанса и равняется сопротивлению утечки, что фактически есть активным сопротивлением контура. Это значит, что для обеспечения резонанса силы тока или напряжения в цепи необходима ее проверка с целью определения суммарного сопротивления и проводимости. Кроме того, ее мнимая часть должна равняться нулю.

Резонанс напряжений

Резонанс напряжений имеет место в цепи переменного тока в случае последовательного соединения активного \(R\) , емкостного \(C\) и индуктивного \(L\) компонентов. Резонанс напряжений состоит в совпадении внутренних колебаний источника и внешних колебаний контура. Резонанс напряжений применяется с пользой, но бывает и опасен. Например, данное явление применяют в радиотехнике, а опасность его состоит в том, что при резких скачках напряжения может произойти поломка оборудования и даже его возгорание.

Резонанс напряжения достигают несколькими путями:

  • подбирая индуктивность катушки;
  • подбирая емкость конденсатора;
  • подбирая угловую частоту \(ω_0\) .

Эти величины подбирают с помощью таких формул:

Частота \(ω_0\) – это резонансная величина. При постоянных напряжении и активном сопротивлении в цепи сила тока в процессе резонанса напряжения наибольшая и равняется отношению напряжения к активному сопротивлению. То есть, сила тока полностью не зависима от реактивного сопротивления. Если реактивные сопротивления индукции и емкости одинаковы и по своей величине превышают активное сопротивление, тогда на зажимах катушки и конденсатора будет напряжение, сильно превышающее напряжение на зажимах контура.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Кратность превышения напряжения на зажимах катушки и конденсатора в соотношении с напряжением контура рассчитывается так:

Величина \(Q\) является добротностью контура и описывает его резонансные характеристики.

Величина, обратная добротности контура, – это затухание контура \( <1 \over Q>\) .

Явление резонанса на практике

Электрический резонансный трансформатор, который был разработан Николой Теслой в конце XIX века, является ярким примером практического применения резонанса в электрических цепях. Тесла проводил массу экспериментов при разных конфигурациях резонансных цепей.

На сегодняшний день словосочетанием «катушка Теслы» называют высоковольтные резонансные трансформаторы. Такие приспособления применяют для генерации высокого напряжения и частоты переменного тока. Если простые трансформаторы используют для передачи энергии с первичной на вторичную катушку, то резонансные — для хранения электрической энергии во временном режиме.

При помощи данного приспособления, посредством управления воздушным сердечником резонансно настроенного трансформатора, при незначительной силе тока получают высокие напряжения. При этом у каждой катушки есть собственная емкость и она работает как резонансный контур. Для создания еще большего напряжения достигают резонанса двух контуров.

Источник

Резонансный метод беспроводной передачи электрической энергии Николы Тесла

Резонансный метод беспроводной передачи электрической энергии Николы ТеслаВ начале 20 века ученый Никола Тесла, уроженец Хорватии, работавший тогда в Нью-Йорке, разработал новаторский метод передачи электрической энергии на большие расстояния без проводов, с применением явления электрического резонанса, изучению которого ученый уделял тогда особое внимание. До этого он уже в достаточной степени изучил возможности переменного тока, и отчетливо понимал технические перспективы его применения, однако впереди был следующий важный шаг – система беспроводной передачи электрической энергии.

Согласно представлениям ученого, в такой системе передачи электроэнергии планета Земля выступала в роли электрического проводника, в котором с помощью электрических осцилляторов (электрических колебательных систем) можно было возбуждать стоячие волны. К данному выводу Тесла пришел благодаря наблюдениям за электрическими возмущениями, распространявшимися по поверхности земли после разрядов молний во время грозы.

Читайте также:  Схема подключения двигателя постоянного тока в сеть

тесла никола изобретения

Тесла зафиксировал с помощью своих приборов, что длина волн, порождаемых разрядами молний, варьируется в диапазоне от 25 до 70 километров, и что эти волны распространяются во всех направлениях земного шара. Мало того, ученый понял, что эти волны не только распространяются до самых отдаленных частей планеты, но и отражаются оттуда, и что длина волн непосредственно связана с размерами земного шара.

Тесла решил, что, создавая подобные электрические возмущения искусственным путем, можно передавать электрическую энергию во всех направлениях планеты, используя это ее свойство. Однако, несмотря на понимание наблюдаемого процесса, техническая реализация стала сложной инженерной задачей.

Требовалось обеспечить высокую скорость передачи электричества в Землю, как это происходит в природных условиях, ведь размеры планеты огромны, а возможности экспериментатора казались просто пылью по сравнению с возможностями природы.

Но, совершенствуя схемы питания своих осцилляторов, и проводя исследования в лаборатории, Тесла, в конце концов, находит решение, он вдруг понимает каким образом создать мощные электрические возмущения в Земле, чтобы скорость подачи электроэнергии не уступала природным.

беспроводная передача электроэнергии по методу никола тесла

Если очень качественно заземлить многовитковую катушку, длина провода в которой будет равна четверти длины волны колебаний, возбуждаемых осциллятором, и подать эти колебания на катушку, то в этой заземленной катушке возникнут колебания максимальной силы, и действие в точке заземления будет максимально возможным в силу явления электрического резонанса.

Если второй вывод такой заземленной катушки соединить с металлическим предметом достаточной кривизны, чтобы заряд не утекал в атмосферу, а также подходящей электроемкости, и поднять этот предмет на достаточную высоту, то заряд в этой верхней точке будет максимально возможным, ведь в проводе будет иметь место стоячая электрическая волна, узел которой будет находиться в точке заземления, а пучность – на другом, поднятом на высоту конце катушки. Так, экспериментируя с заземленным резонансным контуром, ученому удалось достичь движения электричества через систему со скоростью, превосходящей природную молнию.

Приемник этой энергии представлял собой воздушный (без сердечника) трансформатор, первичная обмотка которого была такой же, как передающая катушка, и тоже располагалась вертикально, также имела поднятый вверх металлический терминал, и тоже была заземлена, а вторичная катушка состояла из нескольких витков относительно толстого провода, которые располагались вблизи заземленного конца первичной обмотки, и служили для подачи энергии на потребитель.

Шагом совершенствования приемника была разработка своеобразного синхронного выпрямителя, состоящего из вращающегося коммутатора, целью работы которого была зарядка конденсатора на выходе приемной катушки, что повышало эффективность применения принятой от передатчика энергии.

Тесла особенно отмечал в своих статьях, что разработанный им метод беспроводной передачи электрической энергии основан на проводимости, а не на излучении. Если бы система была основана на излучении, то было бы просто невозможным передавать сколько-нибудь значительное количество энергии на расстояние.

Энергия в системе Тесла передавалась через землю, а поднятые терминалы, заряжаемые до очень высоких напряжений, взаимодействовали благодаря электрической проводимости воздушных слоев, и передаваемая энергия практически была доступна в любом месте планеты, благодаря электрическому резонансу.

Мемориальная доска Никола Тесла

Тесла сумел продемонстрировать это, когда ему удалось зажечь 200 ламп на расстоянии 40 километров от передатчика. Энергия не передавалась излучением, она практически регенерировалась в приемнике. Ученый утверждал, что, развив его технологию, можно будет беспроводным способом принимать электрическую энергию в любом необходимом количестве в любой точке земного шара.

Источник



Резонансный трансформатор Тесла — больше не секрет

Знакомство с трансформатором Н. Тесла.

Новомодный феномен резонансного трансформатора Николы Тесла возник не давно, а Интернет забит фотографиями и интригующими видеосъемками молний и коронарных разрядов.

Вспомним, что трансформатор первоначально был предназначен не для показательного выступления в цирке, а для передачи радиосигналов на далекие расстояния. В связи с этим предлагаю ознакомиться с его принципом работы и найти ему практическое применение.

Трансформатор Тесла состоит из двух основных частей, см. рис.1а;

1. Генерирующей части, состоящей из высоковольтного источника питания, накопительного конденсатора С1, разрядника и катушки связи L1. Частота генерации зависит от напряжения питания, емкости конденсатора С1, характеризующее время разряда, а так же промежутком между электродами разрядника;

2. Резонансной катушки индуктивности L2, заземления и сферы, см. рис. 1а.

Если вглядеться в схему этого трансформатора внимательнее, то мы увидим известную схему последовательного колебательного контура, состоящего из катушки индуктивности L2 с открытой емкостью С, образованной между сферой и землей. Это открытый колебательный контур, который был открыт Дж. К. Максвеллом.

Обратимся к классической теории принципа действия открытого колебательного контура:

Как известно колебательный контур состоит из катушки индуктивности и конденсатора. Исследуем простейший колебательный контур, катушка которого состоит из одного витка, а конденсатор представляет собой две рядом расположенные металлические пластины. Подадим в разрыв индуктивности контура 1 переменное напряжение от генератора, см. рис.2а. В витке потечет переменный ток и создаст вокруг проводника магнитное поле. Это сможет подтвердить магнитный индикатор в виде витка, нагруженного лампочкой. Для того, что бы получить открытый колебательный контур, раздвинем пластины конденсатора. Мы наблюдаем, что лампа индикатора магнитного поля продолжает гореть. Чтобы лучше понять, что происходит в данном опыте, смотри рис. 2а. По витку контура 1 течёт ток проводимости, который вокруг себя создает магнитное поле Н, а между пластинами конденсатора – равный ему, так называемый, ток смещения. Несмотря на то, что между пластинами конденсатора нет тока проводимости, опыт показывает, что ток смещения создаёт такое же магнитное поле, как и ток проводимости. Первым, кто об этом догадался, был великий английский физик Дж. К. Максвелл.

В 60-х годах 19-го столетия, формулируя систему уравнений для описания электромагнитных явлений, Дж. К. Максвелл столкнулся с тем, что уравнение для магнитного поля постоянного тока и уравнение сохранения электрических зарядов переменных полей (уравнение непрерывности) несовместимы. Чтобы устранить противоречие, Максвелл, не имея на то никаких экспериментальных данных, постулировал, что магнитное поле порождается не только движением зарядов, но и изменением электрического поля, подобно тому, как электрическое поле порождается не только зарядами, но и изменением магнитного поля. Величину где — электрическая индукция, которую он добавил к плотности тока проводимости, Максвелл назвал током смещения. У электромагнитной индукции появился магнитоэлектрический аналог, а уравнения поля обрели замечательную симметрию. Так, умозрительно был открыт один из фундаментальнейших законов природы, следствием которого является существование электромагнитных волн. В последствии Г.Герц опираясь на эту теорию доказал, что электромагнитное поле излучаемое электрическим вибратором равно полю излучаемое емкостным излучателем.

Раз так, убедимся еще раз, что происходит, когда закрытый колебательный контур превращается в открытый и как можно обнаружить электрическое поле Е ? Для этого рядом с колебательным контуром поместим индикатор электрического поля, это вибратор, в разрыв которого включена лампа накаливания, она пока не горит. Постепенно раскрываем контур, и мы наблюдаем, что лампа индикатора электрического поля загорается, рис. 2б. Электрическое поле теперь не сосредоточено между пластинами конденсатора, его силовые линии идут от одной пластины к другой через открытое пространство. Таким образом, мы имеем экспериментальное подтверждение утверждения Дж. К. Максвелла, что емкостной излучатель порождает электромагнитную волну. Никола Тесла обратил на этот факт внимание, что при помощи совсем не больших излучателей можно создать достаточно эффективный прибор для излучения электромагнитной волны. Так родился резонансный трансформатор Н. Тесла. Проверим и этот факт, для чего вновь рассмотрим назначение деталей трансформатора.

И так, сфера и заземление выполняют роль пластин открытого конденсатора. Геометрические размеры сферы и технические данные катушки индуктивности определяют частоту последовательного резонанса, которая должна совпадать с частотой генерации разрядника.

Иными словами, режим последовательного резонанса позволяет трансформатору Тесла достигать таких величин напряжений, что на поверхности сферы появляется коронарный разряд и даже молнии. Весь фокус состоит в том, что коэффициент трансформации резонансного трансформатора выше соотношения витков катушек L1/L2 и значительно выше, чем в трансформаторах с ферро сердечниками. Здесь индуктивность L2, сфера и заземление, представляют из себя открытый резонансный колебательный контур. Именно по этому трансформатор Тесла называется резонансным.

Рассмотрим работу трансформатора Тесла, как последовательный колебательный контур:

— Этот контур необходимо рассматривать как обычный LC – элемент, рис. 1а.б, а так же рис. 2а, где включены последовательно индуктивность L, открытый конденсатор С и сопротивление среды Rср. Угол сдвига фаз в последовательном колебательном контуре между напряжением и током равен нулю (φ=0), если ХL = — Хс, т.е. изменения тока и напряжения в нем происходят синфазно. Это явление называется резонансом напряжений (последовательным резонансом). Следует отметить, что при понижении частоты от резонанса, ток в контуре уменьшается, а резонанс тока несет емкостной характер. При дальнейшей расстройке контура и понижении тока на 0,707, его фаза смещается на 45 градусов. При расстройке контура вверх по частоте, он приобретает индуктивный характер. Это явление часто используют в фазоинверторах.

Если мы рассмотрим схему изображенную на рис. 3, то мы сможем предоставить простые расчеты, из которых видно, что напряжение на пластинах излучателя вычисляется исходя из добротности контура Q, которая реально может находиться в пределах 20 – 50 и много выше.

Где полоса пропускания определяется добротностью контура:

Тогда напряжение на пластинах излучателя будет выглядеть согласно следующей формуле:

В таблице 1 расчетные данные приведены для частоты 7.0 МГц не случайно, это дает возможность любому желающему коротковолновику провести радиолюбительский эксперимент в эфире. Здесь входное напряжение U1 условно взято за 100 Вольт, а добротность за 26.

Источник