Трансформатор Николы Тесла: история создания, основные составляющие, принцип действия и схема

Трансформатор Тесла: гениальное детище учёного

ХХ век, электротехника развивается огромными темпами, учёные разрабатывают всё новые и новые изобретения, которые внедряются как в промышленность, так и в быт. Никола Тесла — один из выдающихся ученых того времени. Этот человек опередил свою эпоху на столетие, а его открытиями до сих пор пользуются передовые компании всего мира. Некоторые из его изобретений начали вводиться в общее пользование только в начале XXI века.

• Экскурс в историю
• Компоненты трансформатора Тесла
• Принцип действия
• Мифы об изобретателе

Экскурс в историю

Изобретение трансформатора в 1896 году принадлежит именно тому самому Николе Тесла. Основная активность изобретателя пришлась на конец IX — начало XX века. Приоритетными направлениями, которыми он занимался, были физика и инженерия. Он опережал своё время на столетия, даже современные учёные поражаются тем высотам, которых смог достичь изобретатель. Тесла мог превратить ночь над Нью-Йорком в день, у людей от этого вставали волосы дыбом, а из-под лошадиных подков вылетали метровые искры.

Путь, который он выбрал для себя, был полон трудностей, связанных в основном с постоянным​ поиском инвесторов. Те, в свою очередь, не желали вкладывать в его «сумасшедшие» идеи деньги. Немногие, решившиеся на финансирование его изобретений, в итоге либо пытались присвоить себе право собственности на его изобретения, либо прекращали финансирование. Влиятельным промышленникам того времени, таким как Рокфеллер, не было на руку, чтобы электричество стало бесплатным.

Одним из последних проектов, который проводил Тесла, было строительство огромной башни «Уорденклифф». В основу этой работы легла ранее изобретённая им катушка. Основным назначением этого объекта была передача электричества через океан — на другой континент такой же башне. При этом обе башни должны были работать в одинаковом резонансе. Но этот эксперимент был обречён на крах. Финансирование проекта прекратилось и Тесла снова ударился в поиски денег для построения своих детищ.

Ученый умер в 1943 году на 87-м году жизни при загадочных обстоятельствах в одном из номеров Нью-йоркского отеля. В последний год жизни он сильно болел и практически не выходил из отеля.

Компоненты трансформатора Тесла

Основными компонентами являются первичная и вторичная обмотка, защитное кольцо и тороид. Тороид, находящийся в конструкции, может выполнять несколько функций:

1. Уменьшает резонансную частоту.
2. Накапливает энергию до получения её стримером. При этом учитывается размер тороида — чем он больше, тем больше в нём копится энергии. Для получения большей выгоды в тороиде используется прерыватель.
3. В этом приборе образуется электростатическое поле, которое отталкивается стримером. Заменить в этой функции тороид может вторичная обмотка.
4. В роли основной детали трансформатора Тесла выступает вторичная обмотка. Защитное кольцо используется в защитных целях, чтобы не повредить электрические приборы. Изготавливается эта деталь из медного провода в форме специального кольца. Но также неотъемлемой частью защиты является заземление. Чтобы первичная обмотка могла обеспечивать надёжную передачу тока, её сопротивление не должно быть большим, а точка подключения должна иметь подвижный принцип. В этом случае становится возможным изменение резонансной частоты.

Принцип действия

Катушка Тесла представляет собой трансформатор, способный вырабатывать энергию высокой амплитуды и мощности. Прибор приводится в действие двумя катушками с первичной обмоткой и вторичной. К первичной обмотке подсоединяется переменное напряжение, образующее магнитное поле, которое будет передавать энергию на вторичную обмотку. На вторичной образуется колебательный контур, накапливающий энергию определённое время.

При помощи вторичного колебательного контура раскачивается амплитуда колебаний, которая в своём максимальном значении становится равной прилагаемому усилию. При свободном раскачивании максимальное значение амплитуды возрастает при тех же усилиях, что приводит к её многократному увеличению. На выходе получается напряжение, превосходящее в сотни раз входящую энергию. Таков основной принцип работы трансформатора Тесла. Схема выглядит следующим образом:

Мифы об изобретателе

Основным эффектом, производимым катушкой Тесла, является передача электричества на расстояние. На этой основе было поставлено множество экспериментов как самим учёным при жизни, так и многими компаниями и учёными после его смерти.

Но есть несколько случаев и необъяснимых фактов в мировой науке, которые косвенно ведут к Тесле, например:

1. Филадельфийский эксперимент, произошедший почти через 10 месяцев после смерти учёного, в котором просматриваются следы опытов Теслы.
2. Электромобиль, который Тесла якобы продемонстрировал публике в 1931 году. Какие-либо свидетельства отсутствуют.
3. Лучевое оружие. С 1958 по 1982 года одно из американских агентств уже предпринимало ряд попыток создать оружие, но вынуждено было закрыт проект в связи с рядом неудач со значительным превышением бюджета.
4. Тунгусский метеорит. 30 июня 1908 года Никола Тесла проводил эксперимент по передаче энергии по воздуху, в этот же день наблюдался Тунгусский феномен.

Незадолго до смерти Никола Тесла попал под колеса автомобиля и получил перелом ребер. На фоне осложнений началось воспаление легких, и он слег в постель. Ученый глубоко переживал за судьбу родины, оккупированной в годы II мировой фашистами, и пытался поддерживать тех, кто вел борьбу за ее независимость. Даже будучи глубоко больным, Тесла никого к себе не пускал и находился в своем гостиничном номере один. Так он и умер в одиночестве от сердечной недостаточности в ночь на 8 января 1943 года. Обнаружили тело лишь спустя двое суток после смерти.

Трансформатор Николы Тесла

Тесла-трансформатор представляет собой высоковольтный резонансный прибор, работающий на высокой частоте. Конструкция агрегата относительно простая. Подобные приборы демонстрируют разряды электричества, красиво смотрящиеся в темноте. Трансформаторы типа Тесла испускают настоящие молнии. Поэтому его использование сводится к декоративным функциям. Особенности чудо-прибора интересно узнать каждому.

• 1 История изобретения
• 2 Схема и основные компоненты
• 3 Принцип работы
• 4 Применение

История изобретения

Резонансный трансформатор Тесла появился в результате многолетней работы ученого и экспериментатора Н. Тесла. Он стремился найти способ передавать электричество на большие расстояния без проводов. В 1891 году изобретатель продемонстрировал наглядные эксперименты, проводимые в этом направлении.

Практическое применение его трудов (по мнению самого ученого) заключалось в обеспечении светом любого здания, частного дома и прочих объектов посредством тока высокого напряжения и частоты. Ученый раскрывал особенности получения, применения подобных токов, применения их для электроснабжения.

Постепенно ученый начал задумываться об использовании открытого способа для передачи электричества на большие расстояния. На разработку теории исследователь потратил несколько лет. Ученый проводил множество экспериментов, совершал каждый элемент схемы. Экспериментатор трудился над созданием прерывателей, контроллеров цепей, стойких конденсаторов высокого вольтажа. Замысел исследователь в жизнь так и не воплотил в том масштабе, в каком было изначально задумано.

Однако каждый его патент, статья, лекция были сохранены. Их можно сегодня перечитать, обдумать. Например, патент № 649621 и №787412 представлен в интернете. Документы размещены в открытом доступе для широкой общественности. Видео работы агрегата в действии легко отыскать в сети.

Основной принцип, открытый великим изобретателем, ныне применяется для изготовления люминесцентных осветителей.

Схема и основные компоненты

Чтобы понять, как работает трансформатор Тесла, необходимо рассмотреть его устройство. В схему входит две обмотки – вторичная и первичная. Контуры выполнены из медной проволоки толщиной 0,1-0,2 мм².

К первичной обмотке подводится переменный ток. Это позволяет получить магнитное поле, передающее электричество от первой ко второй катушке. В этот момент вторичная обмотка будет производить контур колебательного типа. Обмотка будет накапливать получаемое электричество. Некоторое время нагрузка будет здесь храниться как определенное напряжение.

Схема резонансного трансформатора Тесла может иметь разное строение катушек. Контуры обладают схожими чертами. Тороидальные разновидности катушек Тесла представлены на фото.

Трансформатор конструкции Николы Тесла содержит в составе тороид. Элемент выполняет три основные функции:

1. Способствует накоплению электричества перед тем, как будет получен стример. Большие габариты позволяют тороиду вместить значительное количество энергии. В устройстве часто применяется прерыватель.
2. Уменьшает резонансную частоту.
3. Образует электростатическое поле, отталкивающее стример. В некоторых типах конструкций эту функцию выполняет вторичная катушка.

Для подобных устройств важно выдерживать правильное соотношение между диаметром и длиной вторичной катушки. Пропорция должна составлять 1:4. Защитное кольцо схемы препятствует выходу электроники из строя. Деталь выглядит как специальное кольцо, изготовленное из меди.

Для правильной работы трансформатора Тесла защитное кольцо должно заземляться. Стримеры замыкают ток, ударяясь в землю. Если контур надежен, молнии ударяют непосредственно в агрегат.

В первичной обмотке определяется небольшое сопротивление. Это обеспечивает на практике надежную передачу электроэнергии. Точка подключения характеризуется высокой подвижностью. Это позволяет менять резонансную частоту. Понимая соотношение представленных элементов, удастся вникнуть в принцип работы трансформатора Тесла.

Принцип работы

Емкостной трансформатор Тесла характеризуется определенным принципом работы. Он заряжает конденсатор при помощи дросселя. Чем меньше уровень индуктивности, тем быстрее будет происходить зарядка. Спустя некоторое время его показатели напряжения значительно увеличиваются. В разряднике появится дуга. Она станет хорошим проводником.

Емкостным аппаратам требуется обеспечивать заряд аккумулятора от аккумулятора высокого напряжения. Обычные батарейки для этого не подходят. Питание первичной цепи выполняется различными способами. Это может быть статический искровой промежуток с подключением к высоковольтному прибору от микроволнового нагревателя. Также для этих целей применяются схемы из транзисторов на программируемых контроллерах.

Работающий аппарат при сочетании катушки и конденсатора характеризуется хорошим контуром. За счет образовавшейся нагрузки возникают колебания. В этот момент в конденсаторе и катушке произойдет энергообмен. Ее первая часть исчезнет в виде тепловых лучей. Вторая часть электричества проявится в разряднике. Индуктивность будет способствовать образованию еще одного контура. Частота всех компонентов должна быть одинаковой.

Первый контур передает свою нагрузку. Амплитуда колебаний будет равняться нулю. Обменом энергии этот процесс не заканчивается. После исчезновения дуги остаточная энергия может быть заперта. Весь процесс может повторяться. При сильной связи скорость обмена энергией будет высокой.

Некоторые поклонники творческих идей великого изобретателя утверждают, что КПД емкостного трансформатора Тесла составляет более 100%. Однако это не так. Коэффициент полезного действия, которым характеризуется данное устройство, подчиняется законам сохранения энергии. Поэтому такое утверждение не имеет под собой никаких оснований.

Применение

Помимо декоративного применения представленного устройства существует и практическая польза от его эксплуатации. Коронный разряд заряжает воздух озоном. Это освежает атмосферу в помещении. При этом не стоит допускать длительное воздействие прибора. Большое содержание озона приводит к плохому самочувствию.

Также применение представленного устройства позволяет реанимировать работу вышедшей из строя люминесцентной лампы. Если приблизить прибор к осветительному прибору, последний снова будет функционировать. Однако не стоит подносить близко к излучателю мобильные устройства. Это может вывести гаджет из строя.

Это уникальное, до конца не изведанное изобретение. Его применение должно выполняться с осторожностью. Простота конструкции позволяет собрать прибор самостоятельно.

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.

Катушка Тесла. Устройство и виды. Работа и применение

Одним из знаменитых изобретений Николы Тесла была катушка Тесла. Это изобретение представляет собой резонансный трансформатор, который образует высокочастотное повышенное напряжение. В 1896 году на изобретение выдан патент, который имел название аппарата для образования электрического тока высокого потенциала и частоты.

Разновидности

Со времен Николы Тесла появилось много различных видов трансформаторов Тесла. Рассмотрим распространенные основные виды таких трансформаторов, как катушка Тесла.

SGTC – катушка, работающая на искровом разряде, имеет классическое устройство, используемое самим Теслой. В этой конструкции элементом коммутации является разрядник. У маломощных устройств разрядник выполнен в виде двух отрезков толстого проводника, находящихся на определенном расстоянии. В устройствах большей мощности используются вращающиеся разрядники сложной конструкции с применением электродвигателей. Такие трансформаторы производят при необходимости получения стримера большой длины, без каких-либо эффектов.

VTTC – катушка на основе электронной лампы, которая является коммутирующим элементом. Подобные трансформаторы способны функционировать в постоянном режиме и выдавать разряды большой толщины. Такой тип питания обычно применяют для создания катушек высокой частоты. Они создают эффект стримера в виде факела.

SSTC – катушка, в конструкции которой в качестве ключа используется полупроводниковый элемент в виде мощного транзистора. Такой вид трансформаторов также способен функционировать в постоянном режиме. Внешняя форма стримеров от такого устройства бывает самой различной. Управление с полупроводниковым ключом более простое, существуют такие катушки Тесла, которые умеют играть музыку.

DRSSTC – трансформатор, имеющий два контура резонанса. Роль ключей играют также полупроводниковые компоненты. Это наиболее сложный в настройке и управлении трансформатор, однако, он используется для создания впечатляющих эффектов. При этом большой резонанс получается в первом контуре. Во втором контуре образуется наиболее яркие толстые и длинные стримеры в виде молний.

Устройство и работа

Элементарный трансформатор Тесла включает в себя две катушки, тороид, конденсатор, разрядник, защитное кольцо и заземление.

Тороид выполняет несколько функций:

• Снижение частоты резонанса, особенно для вида катушки Тесла с полупроводниковыми ключами.Полупроводниковые элементы плохо функционируют на повышенных частотах.
• Накапливание энергии перед возникновением электрической дуги. Чем больше размер тороида, тем больше энергии накоплено. В момент пробоя воздуха тороид выдает эту накопленную энергию в электрическую дугу, при этом увеличивая ее.
• Образование электростатического поля, отталкивающего дугу от вторичной обмотки. Часть этой функции исполняет вторичная обмотка. Однако тороид помогает ей в этом. Поэтому электрическая дуга не бьет во вторичную обмотку по кратчайшему пути.

Обычно наружный диаметр тороида в два раза больше диаметра вторичной обмотки. Тороиды производят из алюминиевой гофры и других материалов.

Вторичная обмотка трансформатора Тесла является основным элементом конструкции. Обычно длина обмотки относится к ее диаметру 5 : 1. Диаметр проводника для катушки выбирают из расчета, чтобы разместилось около 1000 витков, которые должны располагаться плотно между собой. Витки обмотки покрывают несколькими слоями лака или эпоксидной смолы. В качестве каркаса выбирают ПВХ-трубы, которые можно купить в строительном магазине.

Защитное кольцо служит для предохранения от выхода из строя электронных элементов в случае попадания электрической дуги в первичную обмотку. Защитное кольцо устанавливается, если размер стримера (электрической дуги) больше длины вторичной катушки. Это кольцо выполнено в виде медного незамкнутого проводника, заземленного отдельным проводом на общее заземление.

Первичная обмотка чаще всего выполняется из медной трубки, применяемой в кондиционерах. Сопротивление первичной обмотки должно быть небольшим, так как по ней будет проходить большая сила тока. Трубку чаще всего выбирают толщиной 6 мм. Также можно использовать для намотки проводники большого сечения. Первичная обмотка является своеобразным элементом подстройки в таких катушках Тесла, в которых первый контур резонансный. Поэтому место подключения питания выполняют с учетом его перемещения, с помощью которого меняют частоту резонанса первого контура.

Форма первичной обмотки может быть различной: конической, плоской или цилиндрической.

Катушка Тесла должна иметь заземление . Если его не будет, то стримеры будут бить в саму катушку, для замыкания тока.

Колебательный контур образован конденсатором совместно с первичной обмоткой. В этот контур также подключен разрядник, который является нелинейным элементом. Во вторичной обмотке также образован контур колебаний, в котором конденсатором выступает емкость тороида и межвитковая емкость катушки. Чаще всего для предохранения от электрического пробоя вторичную обмотку покрывают лаком или эпоксидной смолой.

В результате катушка Тесла, или другими словами трансформатор, состоит из двух контуров колебаний, связанных между собой. Это и придает трансформатору Тесла необычные свойства, и является основным отличительным качеством от обычных трансформаторов.

При достижении напряжения пробоя между электродами разрядника, образуется электрический лавинообразный пробой газа. При этом происходит разряд конденсатора на катушку через разрядник. Вследствие этого цепь контура колебаний, который состоит из конденсатора и первичной обмотки, остается замкнутой на разрядник. В этой цепи возникают колебания высокой частоты. Во вторичной цепи образуются резонансные колебания, в результате чего возникает высокое напряжение.

Во всех видах катушки Тесла главным элементом являются контуры: первичный и вторичный. Однако генератор колебаний высокой частоты может отличаться по конструкции.

Катушка Тесла по сути дела состоит из двух катушек, не имеющих металлического сердечника. Коэффициент трансформации катушки Тесла в несколько десятков раз выше отношения числа витков обеих обмоток. Поэтому выходное напряжение трансформатора достигает нескольких миллионов вольт, что и обеспечивает мощные электрические разряды длиной в несколько метров. Важным условием является образование контура колебаний первичной обмоткой и конденсатором, вхождение в резонанс этого контура с вторичной обмоткой.

Виды эффектов от катушки Тесла

• Дуговой разряд – возникает во многих случаях. Он характерен ламповым трансформаторам.
• Коронный разряд является свечением воздушных ионов в электрическом поле повышенного напряжения, образует голубоватое красивое свечение вокруг элементов устройства с высоким напряжением, а также имеющим большую кривизну поверхности.
• Спарк по-другому называют искровым разрядом. Он протекает от терминала на землю, либо на заземленный предмет, в виде пучка ярких разветвленных полосок, быстро исчезающих или меняющихся.
• Стримеры – это тонкие слабо светящиеся разветвляющиеся каналы, содержащие ионизированные атомы газа и свободные электроны. Они не уходят в землю, а протекают в воздух. Стримером называют ионизацию воздуха, образуемую полем трансформатора высокого напряжения.

Действие катушки Тесла сопровождается треском электрического тока. Стримеры могут превращаться в искровые каналы. Это сопровождается большим увеличением тока и энергии. Канал стримера быстро расширяется, давление резко повышается, поэтому образуется ударная волна. Совокупность таких волн подобен треску искр.

Малоизвестные эффекты катушки Тесла

Некоторые люди считают трансформатор Тесла каким-то особенным устройством, обладающим исключительными свойствами. Также есть мнение, что такое устройство способно стать генератором энергии и вечным двигателем.

Иногда говорят, что при помощи такого трансформатора можно передавать электрическую энергию на значительные расстояния, не используя провода, а также создать антигравитацию. Такие свойства не подтверждены и не проверены наукой, но Тесла говорил о скорой доступности таких способностей для человека.

В медицине при длительном воздействии токов высокой частоты и напряжения могут образоваться хронические заболевания и другие отрицательные явления. Также нахождение человека в поле высокого напряжения негативно сказывается на его здоровье. Можно отравиться газами, выделяемыми при функционировании трансформатора без вентиляции.

Применение

• Величина напряжения на выходе катушки Тесла иногда достигает миллионов вольт, что формирует значительные воздушные электрические разряды длиной в несколько метров. Поэтому такие эффекты применяют в качестве создания показательных шоу.
• Катушка Тесла нашла применение в медицине в начале прошлого века. Больных обрабатывали маломощными токами высокой частоты. Такие токи протекают по поверхности кожи, оказывают оздоравливающее и тонизирующее влияние, не причиняя при этом никакого вреда организму человека. Однако мощные токи высокой частоты оказывают негативное влияние.
• Катушка Тесла применяется в военной технике для оперативного уничтожения электронной техники в здании, на корабле, танке. При этом на короткий промежуток времени создается мощный импульс электромагнитных волн. В результате в радиусе нескольких десятков метров сгорают транзисторы, микросхемы и другие электронные компоненты. Это устройство действует абсолютно бесшумно. Существуют такие данные, что частота тока при функционировании такого устройства может достигать 1 ТГц.
• Иногда такой трансформатор применяется для розжига газоразрядных ламп, а также поиска течи в вакууме.

Эффекты катушки Тесла иногда используют в съемках фильмов, компьютерных играх. В настоящее время катушка Тесла не нашла широкого применения на практике в быту.

Катушка Тесла на будущее

В настоящее время остаются актуальными вопросы, которыми занимался ученый Тесла. Рассмотрение этих проблемных вопросов дает возможность студентам и инженерам институтов взглянуть на проблемы науки более широко, структурировать и обобщать материал, отказаться от шаблонных мыслей.

Взгляды Тесла актуальны сегодня не только в технике и науке, но и для работ в новых изобретениях, применения новых технологий на производстве. Наше будущее даст объяснение явлениям и эффектам, открытым Теслой. Он заложил для третьего тысячелетия основы новейшей цивилизации.

Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

• импульсные трансформаторы;
• силовые трансформаторы;
• трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд – ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

Что такое трансформатор напряжения и как он работает?

Для передачи электроэнергии на большие расстояния напряжения электрического тока с помощью силовых трансформаторов повышают до сотен тысяч вольт. Поскольку высокие напряжения очень опасны, то для работы электроприборов используют ток после силового понижающего трансформатора. Однако на всей протяженности ЛЭП установлено множество защитных устройств. Для отделения напряжений цепей этих приборов от потенциалов линий электропередач применяют трансформатор напряжения (ТН).

Приборы этого типа часто используются для безопасного способа подключения измерительных приборов. Задача ТН состоит в преобразовании высоковольтных токов линий (свыше 6 кВ) до безопасного уровня. Применение таких трансформаторов удешевляет эксплуатацию энергосистем за счет снижения затрат на изоляцию оборудования, работающего в низковольтных сетях.

Устройство и принцип действия

Конструктивно ТН особо не отличается от других типов преобразующих устройств. Его устройство:

• магнитный сердечник, шихтованный из пластин электротехнической стали;
• первичная катушка;
• одна или две вторичные обмотки;
• защитный кожух (для конструкций уличного типа).

Внешний вид и схематическое изображение изделия смотрите на рис.1. На картинке изображено устройство с одной (основной) вторичной обмоткой. На некоторых моделях есть дополнительная вторичная обмотка, которая может использоваться, например, для подключения приборов измерения.

Рис. 1. Трансформатор напряжения. Строение

Обратите внимание на то, что между выводами первичных обмоток и вторичными катушками отсутствует гальваническая связь. Это главное отличие измерительных трансформаторов от конструкции обычного понижающего трансформатора.

Защитные кожухи изготовляются из разных материалов. В моделях, используемых для обслуживания высоковольтных ЛЭП, применяют диэлектрики, изготовленные из фарфора (рис. 2),

Для охлаждения обмоток таких высоковольтных агрегатов применяют специальные трансформаторные масла.

В сетях средней мощности применяют модели с корпусами на основе эпоксидных смол (рис. 3).

Рис. 3. ТН наружного типа

Трехфазные ТН с нулевыми выводами выполняются на магнитопроводе с пятью стержнями. Такая конструкция защищает обмотки от перегрева, так как при однофазных замыканиях в цепях высоковольтных проводов цепь линий суммарного магнитного потока в самом трансформаторе замыкается по стали сердечника.

Принцип действия также мало отличается от работы силового понижающего трансформатора. Магнитный поток, возникающий в первичной катушке, распространяется по магнитопроводу, вызывая напряжение ЭДС во вторичной обмотке. Величина напряжения зависит от соотношения числа витков в катушках. Поскольку вторичные обмотки состоят из малого количества витков, то и выходное напряжение небольшое (обычно оно не превышает 100 В).

Принцип работы ТН объясняет схема на рисунке 4.

Рис. 4. Принцип работы трансформатора напряжения

Важной задачей при изготовлении трансформаторов данного типа является выполнение требований по достижению необходимых амплитудных и угловых параметров синусоиды, определяющих соответствующий класс точности: 0,5; 1; 3. В эталонных образцах применяется класс точности 0,2. Для измерительных приборов важно чтобы класс точности был максимально высоким. Чем он выше, тем меньшая погрешность измерения прибора.

Точность параметров преобразованных переменных токов зависит от нагрузки. Чем выше нагрузка вторичной цепи, тем больше погрешность трансформатора напряжения (снижается класс точности). Оптимальные параметры напряжения на выходе трансформатора достигаются при номинальных нагрузках. В этом режиме эффективность преобразования тока возрастает по мере приближения к номинальному коэффициенту трансформации.

Работа ТН эффективна при малых номинальных мощностях во вторичных цепях. Для этих устройств длительное состояние в режиме холостого хода является нормой. Поэтому они эффективно используются в системах защиты линий, которые большую часть времени находятся в режиме ожидания и потребляют мало тока.

Разновидности

По конструкции и способам подключения трансформаторы напряжения классифицируются следующим образом:

• двухобмоточный ТН (состоит из первичной катушки и основной вторичной обмотки);
• трехобмоточный (имеет две вторичные обмотки. Одна из них является основной, а другая – дополнительной);
• заземляемый (конструкция однофазных ТН у которых один вывод первичной обмотки уходит на землю.В моделях трехфазных ТН наглухо заземлены все нейтрали);
• незаземляемый;
• тип каскадных трансформаторов (первичную обмотку образуют каскады из секций);
• семейство емкостных трансформаторов, конструкция которых содержит элементы емкостных делителей;
• модели антирезонансных трансформаторов (см. рис. 5).

Рис. 5. Модель антирезонансного ТН

Можно отдельно выделить низковольтные конструкции, которые используются в некоторых электронных устройствах. Данный класс электронных трансформаторов применяют в тех случаях, когда в электронных схемах необходима развязка, отделяющая цепи высоких напряжений от низких.

Расшифровка маркировки

Для различения разновидностей моделей к ним применяют буквенную маркировку:

• Н – трансформатор напряжения;
• Т – трехфазная модель;
• О – однофазный ТН;
• С – сухой (воздушное охлаждение);
• М – масляный;
• А – антирезонансные модели;
• К – каскадные устройства;
• Ф – фарфоровый тип корпуса;
• И – пятистержневой трансформатор, содержащий обмотку для контроля изоляции;
• Л – конструкции в литом корпусе;
• ДЕ – емкостные;
• З – заземляемые (первичную катушку необходимо заземлять).

Технические параметры

Основные сведения указываются на шильдике трансформатора напряжения.

Технические параметры трансформаторов:

• величина напряжения на первичном фазном входе;
• напряжение на выводах вторичных фазных обмоток;
• коэффициенты мощности;
• максимальные напряжения короткого замыкания.

К важным сведениям относится параметры номинальной частоты и класс точности для номинального коэффициента трансформации. На некоторых моделях изготовители указывают угловые погрешности и допустимые погрешности напряжений.

Схемы подключения

Простейшая схема подключения применяется в пунктах обслуживания линий под напряжением 6 – 10 кВ. Подключенные по такой схеме трансформаторы используются для включения вольтметра и подачи напряжений на реле устройства АВР. Пример такой схемы показан на рис. 7.

Рис. 7. Простая схема подключения трансформатора напряжения

На рисунке 8 приведена схема, применяемая для включения однофазных трансформаторов с целью подачи безопасного напряжения на нагрузки, запитанные от вторичных обмоток. В данной схеме использовано группу однофазных трансформаторов, катушки которых соединены по принципу звезды. Обратите внимание, что первичные обмотки соединены с глухозаземленной нейтралью.

Рис. 8. Еще пример схемы подключения

Данная схема применяется в сетях 0,5 – 10 кВ для подключения измерительных приборов, счетчиков. По аналогичной схеме подключаются вольтметры, используемые для контроля изоляции.

Схема эффективна для приема сигналов, свидетельствующих об однофазных замыканиях на землю. Существуют и другие схемы подключений, в частности по типу соединения открытого треугольника. Особенность таких схем в том, что мощность группы из двух ТН меньше мощности трех устройств соединенных по схеме полного треугольника не в 1,5 раза, а в √3 раз.

В некоторых схемах применяется комбинированное соединение обмоток. Для этого подходит соединение «треугольник – звезда». В работе таких схем номинальное напряжение составляет 173 В. Указанный способ подключения применяется в системах регулирования возбуждения обмоток генераторов и компенсаторов.

Применение

Основное применение первичных преобразователей напряжений – подача питания на обмотки измерительных приборов и подключение реле защиты в сетях 380 В и выше. Трансформаторы позволяют расширить диапазоны измерений и изоляцию реле от высоких межфазных потенциалов. Включение выводов первичных обмоток между фазой и землей дает возможность градуировать шкалы приборов с учетом коэффициента трансформации, что позволяет контролировать первичные параметры линий ЛЭП.

Изменение параметров напряжений в первичных цепях влияет на поведение переменных магнитных потоков. Эти возмущения фиксируются вторичными обмотками, которые реагируют изменением амплитуды тока и частоты колебаний. Сигналы поступают на различные защитные устройства, которые автоматически отключают участки линий с КЗ и с другими критичными отклонениями.

Принцип работы, устройство и виды трансформаторов

Человеку, мало знакомому с электрикой сложно представить себе, что такое трансформатор, где он задействован, назначение элементов его конструкции.

• 1 Общая информация об устройстве
• 2 Конструкция
• 3 Принцип работы
• 4 Классификация по видам
  • 4.1 Силовые
  • 4.2 Автотрансформаторы
  • 4.3 Трансформаторы тока
  • 4.4 Трансформаторы напряжения
  • 4.5 Импульсные
  • 4.6 Разделительные
  • 4.7 Согласующие
  • 4.8 Пик-трансформаторы
  • 4.9 Сдвоенный дроссель
• 5 Режимы работы
  • 5.1 Холостой ход (ХХ)
  • 5.2 Режим нагрузки
  • 5.3 Короткое замыкание (КЗ)

Общая информация об устройстве

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования тока переменной частоты с одним напряжением в переменный ток с иным напряжением, но с прежней частотой, основанный на явлении электромагнитной индукции.

Применяются приборы во всех сферах деятельности человека: электроэнергетике, радиотехнической, радиоэлектронной промышленности, бытовой сфере.

Конструкция

Устройство трансформатора предполагает наличие одной либо большего числа отдельных катушек (ленточных или проволочных), находящихся под единым магнитным потоком, накрученных на сердечник, изготовленный из ферромагнетика.

Важнейшие конструктивные части следующие:

• обмотка;
• каркас;
• магнитопровод (сердечник);
• охлаждающая система;
• изоляционная система;
• дополнительные части, необходимые в защитных целях, для установки, обеспечения подхода к выводящим частям.

В приборах чаще всего можно увидеть обмотку двух типов: первичную, получающую электроток от стороннего питающего источника, и вторичную, с которой напряжение снимается.

Сердечник обеспечивает улучшенный обратный контакт обмоток, обладает пониженным сопротивлением магнитному потоку.

Некоторые виды приборов, работающие на сверхвысокой и высокой частоте, производятся без сердечника.

Производство приборов налажено в трех базовых концепциях обмоток:

• броневой;
• тороидальной;
• стержневой.

Устройство трансформаторов стержневых подразумевает накручивание обмотки на сердечник строго горизонтальное. В приборах броневого типа она заключена в магнитопроводе, размещается горизонтально либо вертикально.

Надежность, эксплуатационные особенности, устройство и принцип действия трансформатора принимаются без какого-либо влияния принципа его изготовления.

Принцип работы

Принцип работы трансформатора базируется на эффекте взаимоиндукции. Поступление тока переменной частоты от стороннего поставщика электроэнергии на вводы первичной обмотки формирует в сердечнике магнитное поле с переменным потоком, проходящего через вторичную обмотку и индуцирующее образование электродвижущей силы в ней. Закорачивание на приемнике электроэнергии вторичной обмотки обуславливает прохождение сквозь приемник электротока из-за влияния электродвижущей силы, вместе с тем в первичной обмотке образуется ток нагрузки.

Назначение трансформатора — перемещение преобразованной электрической энергии (без перемены ее частоты) к вторичной обмотке из первичной с подходящим для функционирования потребителей напряжением.

Классификация по видам

Силовые

Силовой трансформатор переменного электротока — это прибор, использующийся в целях трансформирования электроэнергии в подводящих сетях и электроустановках значительной мощности.

Необходимость в силовых установках объясняется серьезным различием рабочих напряжений магистральных линий электропередач и городских сетей, приходящих к конечным потребителям, требующимся для функционирования работающих от электроэнергии машин и механизмов.

Автотрансформаторы

Устройство и принцип работы трансформатора в таком исполнении подразумевает прямое сопряжение первичной и вторичной обмоток, благодаря этому одновременно обеспечивается их электромагнитный и электрический контакт. Обмотки устройств имеют не менее трех выводов, отличающихся своим напряжением.

Основным достоинством этих приборов следует назвать хороший КПД, потому как преобразуется далеко не вся мощность — это значимо для малых расхождениях напряжений ввода и вывода. Минус — неизолированность цепей трансформатора (отсутсвтие разделения) между собой.

Трансформаторы тока

Данным термином принято обозначать прибор, запитанный непосредственно от поставщика электроэнергии, применяющийся в целях понижения первичного электротока до подходящих значений для использующихся в измеряющих и защитных цепях, сигнализации, связи.

Первичная обмотка трансформаторов электротока, устройство которых предусматривает отсутствие гальванических связей, подключается к цепи с подлежащим определению переменным электротоком, а электроизмерительные средства подсоединяются к вторичной обмотке. Текущий по ней электроток примерно соответствует току первичной обмотки, поделенному на коэффициент трансформирования.

Трансформаторы напряжения

Назначение этих приборов — снижение напряжения в измеряющих цепях, автоматики и релейной защиты. Такие защитные и электроизмерительные цепи в устройствах различного назначения отделены от цепей высокого напряжения.

Импульсные

Данные виды трансформаторов необходимы для изменения коротких по времени видеоимпульсов, как правило, имеющих повторение в определенном периоде со значительной скважностью, с приведенным к минимуму изменением их формы. Цель использования — перенос ортогонального электроимпульса с наиболее крутым срезом и фронтом, неизменным показателем амплитуды.

Главным требованием, предъявляющимся к приборам данного типа, является отсутствие искажений при переносе формы преобразованных импульсов напряжения. Действие на вход напряжения какой-либо формы обуславливает получение на выходе импульса напряжения идентичной формы, но, вероятно, с другим диапазоном либо измененной полярностью.

Разделительные

Что такое трансформатор разделительный становится понятно исходя из самого определения — это прибор с первичной обмоткой, не связанной электрически (т.е. разделенной) с вторичными.

Существует два типа таких устройств:

• силовые;
• сигнальные.

Силовые применяются с целью улучшения надежности электросетей при непредвиденном синхронном соединении с землей и токоведущими частями, либо элементами нетоковедущими, оказавшимися из-за нарушения изоляции под напряжением.

Сигнальные применяются в целях обеспечения гальванической развязки электроцепей.

Согласующие

Как работает трансформатор данного вида также понятно из его названия. Согласующими называются приборы, применяющиеся с целью согласования между собой сопротивления отдельных элементов электросхем с приведенным к минимуму изменением формы сигнала. Также устройства такого типа используются для исключения гальванических взаимодействий между отдельными частями схем.

Пик-трансформаторы

Принцип действия пик-трансформаторов базируется на преобразование характера напряжения, от входного синусоидального в импульсное. Полярность после перехода изменяется по прошествии половины периода.

Сдвоенный дроссель

Его азначение, устройство и принцип действия, как трансформатора, абсолютно идентичны приборам с парой подобных обмоток, которые, в данном случае, абсолютно одинаковы, намотанны встречно или согласованно.

Также часто можно встретить такое наименование данного устройства, как встречный индуктивный фильтр. Это говорит о сфере применения прибора – входная фильтрация напряжения в блоках питания, звуковой технике, цифровых приборах.

Режимы работы

Холостой ход (ХХ)

Такой порядок работы реализуется от размыкания вторичной сети, после чего в ней прекращается течение электротока. В первичной обмотке течет ток холостого хода, составной его элемент — ток намагничивающий.

Когда вторичный ток равен нулю, электродвижущая сила индукции в первичной обмотке целиком возмещает напряжение питающего источника, а потому при пропаже нагрузочных токов, идущий сквозь первичную обмотку ток по своему значению соответствует току намагничивающему.

Функциональное назначение работы трансформаторов вхолостую — определение их важнейших параметров:

• КПД;
• показателя трансформирования;
• потерь в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Режим характеризуется функционированием устройства при подаче напряжения на вводы первичной цепи и подключении нагрузки во вторичной. Нагружающий ток идет по «вторичке», а в первичной — суммарный ток нагрузки и ток холостой работы. Этот режим функционирования считается для прибора преобладающим.

На вопрос, как работает трансформатор в основном режиме, отвечает основной закон ЭДС индукции. Принцип таков: подача нагрузки к вторичной обмотке вызывает образование во вторичной цепи магнитного потока, образующего в сердечнике нагружающий электроток. Направлен он в сторону, противоположную его течению, создающегося первичной обмоткой. В первичной цепи паритет электродвижущих сил поставщика электроэнергии и индукции не соблюдается, в первичной обмотке осуществляется повышение электротока до того времени, пока магнитный поток не вернется к своему исходному значению.

Короткое замыкание (КЗ)

Переход прибора в этот режим осуществляется при кратковременном замыкании вторичной цепи. Короткое замыкание — особый тип нагрузки, прилагаемая нагрузка — сопротивление вторичной обмотки — единственная.

Принцип работы трансформатора в режиме КЗ таков: к первичной обмотке приходит незначительное переменное напряжение, выводы вторичной соединяются накоротко. Напряжение на входе устанавливается с таким расчетом, чтобы величина замыкающего тока соответствовала величине номинального электротока устройства. Величина напряжения определяет энергопотери, приходящиеся на разогрев обмоток, а также на активное сопротивление.

Такой режим характерен для приборов измерительного типа.

Исходя из многообразия устройств и видов назначения трансформаторов, можно с уверенностью сказать, что на сегодня они — незаменимые, использующиеся практически повсеместно устройства, благодаря которым обеспечивается стабильность и достижение необходимых потребителю значений напряжения, как гражданских сетей, так и сетей предприятий промышленности.