Моя биполярная катушка Тесла

Информация предоставлена исключительно в образовательных целях!
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования предоставленной информации.

 
Катушка Тесла представляет опасность при нарушении техники безопасности!

Катушка Тесла (Tesla Coil, TC) - это повышающий высокочастотный резонансный трансформатор - два колебательных контура, настроенных на одинаковую резонансную частоту.

Катушка Тесла названа так в честь ее изобретателя Николы Тесла (около 1891 года).

Существует несколько вариантов исполнения катушки Тесла:

• SGTC (Spark Gap Tesla Coil) - искровая катушка Тесла (рассматривается в дальнейшем), колебания генерируются при срабатывании разрядника;
• VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) - ламповая катушка Тесла, для генерации колебаний применяются радиолампы;
• SSTC (Solid State Tesla Coil) - полупроводниковая катушка Тесла, содержит задающий генератор и силовые ключи на полупроводниках.

Выходное напряжение катушки Тесла может достигать несколько мегавольт!

Классическая (четвертьволновая) катушка Тесла предполагает наличие разрядного терминала (тороида) на верхнем конце вторичной обмотки и требует хорошего РЧ-заземления (RF grounding) нижнего конца, вблизи которого располагается первичная обмотка:

Отсутствие заземления в классической катушке Тесла приведет к пробою между первичной и вторичной обмотками!

Биполярная катушка Тесла (Bipolar Tesla Coil) является полуволновой вариацией обычной катушки Тесла с горизонтальным расположением вторичной обмотки и расположенными на концах катушки разрядными электродами, а первичная - располагается в середине (ноль напряжения).
Я реализовал искровую катушку Тесла в биполярном варианте, который не требует наличия заземления и позволяет создавать сильные электрические поля (можно присоединить пластины к разрядным электродам):

Биполярный вариант катушки Тесла распространен намного меньше, чем классический:
запрос в Google "tesla coil" - 2 640 000 результатов
запрос в Google "bipolar tesla coil" - 42 000 результатов
(на 13.11.2015)

Основными элементами искровой катушки Тесла являются:
- источник высокого постоянного напряжения, состоящий из генератора импульсного высокого напряжения (1) и высоковольтного выпрямителя (2);
- искровой разрядник (spark gap, SG) (3), сделан из двух винтов M4; настроен на пробой при напряжении около 4 кВ
(меняя длину разрядного промежутка, можно изменять напряжение конденсатора, при котором происходит разряд)
- высоковольтный конденсатор (tank capacitor) (4); резонансная емкость при приведенных ниже параметрах обмоток составляет около 10 - 30 нФ;
- первичная обмотка катушки (5) - 6 витков медного провода диаметром 0,7 мм на каркасе из ПЭТ-бутылки диаметром 7 см, длина намотки 2 см; индуктивность 3,37 мкГн;
- вторичная обмотка катушки (6) - длина намотки 26 см на пластиковой канализационной трубе диаметром 5 см медным проводом диаметром 0,15 мм; индуктивность 26 мГн; емкость 4 пФ;
- разрядные электроды из толстого медного провода (7);
- разрядный промежуток (8)
Высоковольтный импульсный генератор описан здесь.
Схема установки:

Возможны два варианта взаимного расположения разрядного промежутка, конденсатора и первичной обмотки трансформатора Тесла:

Вариант а - конденсатор C включается последовательно с первичной обмоткой трансформатора Тесла T, а искровой разрядник - параллельно источнику высокого напряжения

Вариант б - искровой разрядник включается последовательно с первичной обмоткой трансформатора Тесла T, а конденсатор C - параллельно источнику высокого напряжения

Я использовал вариант а, обеспечивающий защиту высоковольтного источника.

Как работает катушка Тесла
При подключении установки к высоковольтному источнику постоянного напряжения начинается заряд конденсатора C через первичную обмотку трансформатора T:

При достижении напряжением на конденсаторе значения, при котором происходит пробой воздушного промежутка, в искровом разряднике происходит пробой (проскакивает искра). Возникший плазменный канал замыкает контур "конденсатор C - первичная обмотка" и начинается разряд конденсатора на первичную обмотку. При разряде ток в первичной обмотке представляет собой затухающие синусоидальные колебания:

Этот переменный ток наводит напряжение во вторичной обмотке трансформатора, индуктивно связанной с первичной.
Индуктивность вторичной обмотки L2 вместе с ее собственной емкостью Cs2 и емкостью разрядного промежутка Cd представляет колебательный контур, настроенный в резонанс с контуром первичной обмотки из индуктивности L1, собственной емкости обмотки Cs1, конденсатора C:

Из-за этого колебания напряжения во вторичной обмотке резко усиливаются, что приводит к возникновению высокой напряженности электрического поля между разрядными электродами, вызывающей пробой (разряд):

Разряды катушки Тесла
одноэлектродные разряды (one-electrode discharges):
коронный разряд (corona discharge) - возникает в резко неоднородных полях с большой напряженностью возле остриев и тонких проводов (радиус кривизны меньше 1 мм), причем свечение имеет вид короны (эффективная энергия 0,1 мДж)
кистевой разряд (brush discharge) - от острия расходится пучок искр (кисть), не достигающий второго электрода (эффективная энергия 10-20 мДж)
стримерный (нитевидный или шнуровой) разряд (streamer discharge) - возникает из-за лавинной ионизации воздуха сильным электрическим полем (для воздуха при атмосферном давлении > 30 кВ/см), наблюдается вблизи электродов, между которыми действует большая разность потенциалов

двухэлектродные разряды (two-electrode discharges):
искровой разряд (spark discharge) - одиночный разряд между двумя разноименно заряженными проводниками в виде светящейся нити (полный пробой искрового промежутка)

Искровой разрядник

Обмотки трансформатора Тесла
Первичная и вторичная катушки в моей установке однослойные цилиндрические (helical coil).
Индуктивность такой катушки в микрогенри определяется формулой (Harold A. Wheeler, "Simple Inductance Formulas for Radio Coils," Proceedings of the I.R.E., October 1928, pp. 1398-1400):
$ L = {{{(N R)}^2}\over {9 R + 10 H}} $, где $N$ - количество витков, $R$ - радиус катушки в дюймах, $H$ - высота катушки в дюймах:

Собственная емкость вторичной катушки в пикофарадах определяется формулой (Medhurst):
$ C = {0,29 L + 0,41 R + 1,94 {\sqrt {{R^3}\over L}}}$ , где $L$ - длина катушки в дюймах, $R$ - радиус катушки в дюймах.

Трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура.

Мои эксперименты с биполярной катушкой Тесла
Для увеличения напряжения между электродами и соответственно длины разряда необходимо подобрать емкость конденсатора в резонанс.
Для этого можно применить конденсаторы К78-2 (импортный аналог CBB81) емкостью единицы-десятки нФ на напряжение 1 или 2 кВ и собрать из них батарею (MMC - Multi Micro Capacitor):

Емкость конденсатора, нФ	Длина разряда, см	Фотография (щелкните мышкой по рисунку для просмотра в увеличенном виде)
250	4	Видео эксперимента на YouTube - http://youtu.be/P2zY5VyaT6E
1000 конденсатор КБГ-П*	3,5
1,65 конденсаторы КСО-13**	1,5
MMC 4,4 (4 параллельных ветви из 3 конденсаторов по 3,3 нФ)	3,5	-
MMC 22 (2 параллельных ветви из 2 конденсаторов по 22 нФ)	6,2 !!!

* Конденсатор Бумажный Герметизированный

** Конденсатор Слюдяной Опрессованный 13-го типа

Видео работы моей биполярной катушки Тесла:
https://youtu.be/FSOuu3Cgkfs

Наибольшая длина разряда (6,2 см) получена при общей емкости батареи MMC в 22 нФ:

При поднесении цоколя лампы накаливания к разряду катушки Тесла возникает разряд внутри лампы между ее нитью и стеклянным корпусом лампы, за который держит лампу экспериментатор:

Фиолетовый цвет разряда определяется наличием в колбе лампы инертного газа - аргона Ar.

Увеличение выходного напряжения высоковольтного источника приводит к увеличению частоты разрядов - конденсаторы быстрее заряжаются до напряжения пробоя разрядника.

Раздвигание электродов разрядника повышает выходное напряжение и снижает частоту разрядов.

Раздвигание электродов вторичной обмотки на расстояние, превышающее некоторую критическую величину приводит к превращению разряда в кистевой.

А вот как появляется пробой между витками вторичной катушки:

Опасность катушки Тесла

При соприкосновении с элементами первичной и вторичной цепей трансформатора Тесла экспериментатор может попасть под опасное действие электрического тока.
Распостраненным заблужденим является представление о том, что разряды от такой катушки не вызывают электрошока из-за проявления поверхностного эффекта. При этом не учитывается то обстоятельство, что удельное сопротивление тканей человека вовсе не равно удельному сопротивлению хорошего проводника, например, меди. Из-за этого глубина проникновения высокочастотных токов в организм составляет несколько десятков (!) сантиметров. Но болевого ощущения не возникает из-за того, что электрические токи высокой частоты вызывают не электрошок, а нагрев. Этот эффект, открытый дАрсонвалем, широко использовался в физиотерапии.

Разряды катушки Тесла являются источником сильного электромагнитного излучения.
При проведении моих опытов наблюдались нарушения Wi-Fi-коммуникаций, а также нарушение функционирования USB-колонок.
Также электромагнитное излучение вблизи катушки представляет опасность и для экспериментатора. При этом наиболее опасным является возможное воздействие на головной мозг - вихревые токи, наводимые переменным электромагнитным полем, могут вызвать опасные для мозговой деятельности температурные изменения в мозге. Вредные последствия могут возникать даже при незначительных изменениях температуры - например, на один-два градуса.

Также электрические разряды приводят к образованию вредных газов:

озон - вырабатывается при искровых, коронных и кистевых электрических разрядах

оксиды азота - вырабатываются при искровых разрядах, особенно сильно - в искровом разряднике.
Оксид и диоксид азота находятся при этом в подвижном равновесии:
2NO + O₂ → 2NO₂
Также при взаимодействии диоксида азота с озоном образуется пентоксид (пятиокись) азота N₂O₅ :
2NO₂ + O₃ → N₂O₅ + O₂

Продолжение следует