Трансформатор Теслы

Разряды с провода на терминале

Трансформа́тор Те́сла, также катушка Тесла (англ. Tesla coil) — устройство, изобретённое Николой Тесла и носящее его имя. Является резонансным трансформатором, производящим высокое напряжение высокой частоты. Прибор был запатентован 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».

Суть

Работу резонансного трансформатора можно объяснить на примере обыкновенных качелей. Если их раскачивать в режиме принудительных колебаний, то максимально достигаемая амплитуда будет пропорциональна прилагаемому усилию. Если раскачивать в режиме свободных колебаний, то при тех же усилиях максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с трансформатором Теслы — в роли качелей выступает вторичный колебательный контур, а в роли прилагаемого усилия — генератор. Их согласованность («подталкивание» строго в нужные моменты времени) обеспечивает первичный контур или задающий генератор (в зависимости от устройства).

Описание простейшей конструкции

Схема простейшего трансформатора Тесла

Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек — первичной и вторичной, а также разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора, тороида (используется не всегда) и терминала (на схеме показан как «выход»).

Первичная катушка обычно содержит несколько витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная около 1000 витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от обычных трансформаторов, здесь нет ферромагнитного сердечника. Таким образом взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у трансформаторов с ферромагнитным сердечником. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник.

Разрядник, в простейшем случае обыкновенный газовый, представляет собой два массивных электрода с регулируемым зазором. Электроды должны быть устойчивы к протеканию больших токов через электрическую дугу между ними и иметь хорошее охлаждение.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора главным образом выполняют ёмкость тороида и собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.

Терминал может быть выполнен в виде диска, заточенного штыря или сферы и предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины.

Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов. Для полноценной работы трансформатора эти два колебательных контура должны быть настроены на одну резонансную частоту. Обычно в процессе настройки подстраивают первичный контур под частоту вторичного путём изменения ёмкости конденсатора и числа витков первичной обмотки до получения максимального напряжения на выходе трансформатора.

Функционирование

Трансформатор Тесла рассматриваемой простейшей конструкции, показанной на схеме, работает в импульсном режиме. Первая фаза — это заряд конденсатора до напряжения пробоя разрядника. Вторая фаза — генерация высокочастотных колебаний в первичном контуре. Разрядник включенный параллельно, замыкая источник питания (трансформатор), исключает его из контура, иначе источник питания вносит определенные потери в первичный контур и этим снижает его добротность. На практике это влияние может в разы уменьшить длину разряда, поэтому в грамотно построенной схеме трансформатора Тесла разрядник всегда ставится параллельно источнику питания.

Заряд

Заряд конденсатора производится внешним источником высокого напряжения на базе повышающего низкочастотного трансформатора. Емкость конденсатора выбирается таким образом, чтобы вместе с индуктором она составляла резонансный контур с частотой резонанса, равной высоковольтному контуру. Однако емкость будет отличаться от расчетной, так как часть энергии тратится на «накачку» второго контура. Напряжение заряда ограничено напряжением пробоя разрядника, которое (в случае воздушного разрядника) можно регулировать, изменяя расстояние между электродами или их форму. Обычно напряжение заряда конденсатора лежит в диапазоне 2-20 киловольт. Знак напряжения при заряде конденсатора имеет значение в том смысле, что он не должен сильно «закорачивать» конденсатор, на котором напряжение постоянно меняет знак — Колебательный контур

Генерация

После достижения между электродами разрядника напряжения пробоя, в нём возникает лавинообразный электрический пробой газа. Конденсатор разряжается через разрядник на катушку. После разряда конденсатора, напряжение пробоя разрядника резко уменьшается из-за оставшихся в газе носителей заряда (ионов). Поэтому цепь колебательного контура, состоящего из первичной катушки и конденсатора, остаётся замкнутой через разрядник, и в ней возникают высокочастотные колебания. Колебания постепенно затухают, в основном из-за потерь в разряднике и ухода электромагнитной энергии на вторичную катушку, но продолжаются до тех пор, пока ток создаёт достаточное количество носителей заряда для поддержания напряжения пробоя разрядника существенно меньшего, чем амплитуда напряжения колебаний в LC контуре. Во вторичной цепи возникают резонансные колебания, что приводит к появлению на терминале высокого напряжения.

Модификации трансформаторов Тесла

Во всех типах трансформаторов Тесла основной элемент трансформатора — первичный и вторичный контуры — остается неизменным. Однако одна из его частей — генератор высокочастотных колебаний может иметь различную конструкцию.

На данный момент существуют:

SGTC (Spark Gap Tesla Coil) — классическая катушка Тесла — генератор колебаний выполнен на искровом промежутке (разряднике).

Для мощных трансформаторов Тесла наряду с обычными разрядниками (статическими) используются более сложные конструкции разрядника.
Например, RSG (от англ. Rotary Spark Gap, можно перевести как роторный/вращающийся искровой промежуток) или статический искровой промежуток с дополнительными дугогасительными устройствами. В этом случае частоту работы промежутка целесообразно выбирать синхронно частоте подзарядки конденсатора и схема в этом случае ближе к картинке, а не тому как она здесь описана. В конструкции роторного искрового промежутка используется двигатель (обычно это электродвигатель), вращающий диск с электродами, которые приближаются (или просто замыкают) к ответным электродам для замыкания первичного контура. Скорость вращения вала и расположение контактов выбираются исходя из необходимой частоты следования пачек колебаний. Различают синхронные и асинхронные роторные искровые промежутки в зависимости от управления двигателем. Также использование вращающегося искрового промежутка сильно снижает вероятность возникновения паразитной дуги между электродами. Иногда обычный статический разрядник заменяют многоступенчатым статическим разрядником. Для охлаждения разрядников их иногда помещают в жидкие или газообразные диэлектрики (например, в масло). Типовой прием для гашения дуги в статическом разряднике — это продувка электродов мощной струей воздуха. Иногда классическую конструкцию дополняют вторым, защитным разрядником. Его задача — защита питающей (низковольтной части) от высоковольтных выбросов.

VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) (рус. ЛКТ) — ламповая катушка Тесла. В ней в качестве генератора ВЧ колебаний используются электронные лампы. Обычно это мощные генераторные лампы, такие как ГУ-81, однако встречаются и маломощные конструкции. Одна из особенностей — отсутствие необходимости в высоком напряжении. Для получения сравнительно небольших разрядов достаточно 300—600 Вольт. Также VTTC практически не издает шума, появляющегося при работе катушки Тесла на искровом промежутке.

SSTC (Solid State Tesla Coil) — генератор выполнен на полупроводниках. Она включает в себя задающий генератор (с регулируемой частотой, формой, длительностью импульсов) и силовые ключи (мощные полевые MOSFET транзисторы). Данный вид катушек Тесла является самым интересным по нескольким причинам: изменяя тип сигнала на ключах, можно кардинально изменять внешний вид разряда. Также ВЧ сигнал генератора можно промодулировать звуковым сигналом, например музыкой — звук будет исходить из самого разряда. Впрочем, аудиомодуляция возможна (с небольшими доработками) и в VTTC. К прочим достоинствам можно отнести низкое питающее напряжение и отсутствие шумного искрового разрядника, как в SGTC.

DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) — за счет двойного резонанса, разряды у такого вида катушек значительно больше чем у обычной SSTC. Для накачки первичного контура используется генератор на полупроводниковых ключах — IGBT или MOSFET транзисторах.

В аббревиатурах названий катушек Тесла, питаемых постоянным током, часто присутствуют буквы DC, например DCSGTC.

В отдельную категорию также относят магниферные катушки Тесла.

Использование трансформатора Тесла

Разряд трансформатора Тесла

Разряд с конца провода

Выходное напряжение трансформатора Тесла может достигать нескольких миллионов вольт. Это напряжение в частоте минимальной электрической прочности воздуха способно создавать внушительные электрические разряды в воздухе, которые могут иметь многометровую длину. Эти явления очаровывают людей по разным причинам, поэтому трансформатор Тесла используется как декоративное изделие.

Трансформатор использовался Теслой для генерации и распространения электрических колебаний, направленных на управление устройствами на расстоянии без проводов (радиоуправление), беспроводной передачи данных (радио) и беспроводной передачи энергии. В начале XX века трансформатор Тесла также нашёл популярное использование в медицине. Пациентов обрабатывали слабыми высокочастотными токами, которые протекая по тонкому слою поверхности кожи не причиняли вреда внутренним органам (см.: скин-эффект, Дарсонвализация), оказывая при этом «тонизирующее» и «оздоравливающее» влияние.

Неверно считать, что трансформатор Тесла не имеет широкого практического применения. Он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах. Тем не менее, основное его применение в наши дни — познавательно-эстетическое. В основном это связано со значительными трудностями при необходимости управляемого отбора высоковольтной мощности или тем более передача её на расстояние от трансформатора, так как при этом устройство неизбежно выходит из резонанса, а также значительно снижается добротность вторичного контура.

Эффекты, наблюдаемые при работе трансформатора Тесла

Во время работы катушка Тесла создаёт красивые эффекты, связанные с образованием различных видов газовых разрядов. Многие люди собирают трансформаторы Тесла ради того, чтобы посмотреть на эти впечатляющие, красивые явления. В целом катушка Тесла производит 4 вида разрядов:

1. Стримеры (от англ. Streamer) — тускло светящиеся тонкие разветвлённые каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщеплённые от них свободные электроны. Протекает от терминала (или от наиболее острых, искривлённых ВВ-частей) катушки прямо в воздух, не уходя в землю, так как заряд равномерно стекает с поверхности разряда через воздух в землю. Стример — это, по сути дела, видимая ионизация воздуха (свечение ионов), создаваемая ВВ-полем трансформатора.
2. Спарк (от англ. Spark) — это искровой разряд. Идёт с терминала (или с наиболее острых, искривлённых ВВ частей) непосредственно в землю или в заземлённый предмет. Представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвлённых полосок — искровых каналов. Также имеет место особый вид искрового разряда — скользящий искровой разряд.
3. Коронный разряд — свечение ионов воздуха в электрическом поле высокого напряжения. Создаёт красивое голубоватое свечение вокруг ВВ-частей конструкции с сильной кривизной поверхности.
4. Дуговой разряд — образуется во многих случаях. Например, при достаточной мощности трансформатора, если к его терминалу близко поднести заземлённый предмет, между ним и терминалом может загореться дуга (иногда нужно непосредственно прикоснуться предметом к терминалу и потом растянуть дугу, отводя предмет на большее расстояние). Особенно это свойственно ламповым катушкам Тесла. Если катушка недостаточно мощна и надёжна, то спровоцированный дуговой разряд может повредить её компоненты.

Часто можно наблюдать (особенно вблизи мощных катушек), как разряды идут не только от самой катушки (её терминала и т. д.), но и в её сторону от заземлённых предметов. Также на таких предметах может возникать и коронный разряд. Редко можно наблюдать также тлеющий разряд. Интересно заметить, что некоторые ионные химические вещества, нанесённые на разрядный терминал, способны менять цвет разряда. Например, ионы натрия меняют обычный окрас спарка на оранжевый, а бора — на зелёный.

Работа резонансного трансформатора сопровождается характерным электрическим треском. Появление этого явления связано с превращением стримеров в искровые каналы (см. статью искровой разряд), который сопровождается резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющейся в них. Каждый канал быстро расширяется, в нём скачкообразно повышается давление, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры.

Влияние на организм человека

Как и любой источник высокого напряжения, трансформатор Тесла смертельно опасен.

Однако существует и другое мнение, касающееся некоторых видов трансформаторов Тесла. Так как высокочастотное высокое напряжение имеет скин-эффект, а сила тока чрезвычайно мала и ток значительно отстает по фазе от напряжения, то несмотря на потенциал в миллионы вольт разряд в тело человека не может вызвать остановку сердца или другие серьёзные повреждения организма, не совместимые с жизнью.

В противоположность этому другие высоковольтные генераторы, например преобразователь для люстры Чижевского, высоковольтный умножитель телевизора и иные бытовые высоковольтные генераторы постоянного тока, имеющие несравненно меньшее выходное напряжение — порядка 25 кВ — являются смертельно опасными. Всё это потому, что электричество в трансформаторе Тесла и в бытовых преобразователях разное по своей сути и природе. Высокие напряжения в бытовых преобразователях совпадают по фазе с токовой составляющей, а в трансформаторе Тесла токовая составляющая отстает по фазе от составляющей напряжения. Несколько другая картина со статическим электричеством, которое может очень чувствительно ударить током при разряде (при прикосновении к металлу). Объясняется эта разница тем, что в статическом электричестве токовая составляющая ближе к составляющей напряжения, чем в трансформаторе Тесла, поэтому при статическом разряде чувствуется «сила» разряда.

Трансформатор Тесла в культуре

В фильмах

В фильме Джима Джармуша «Кофе и сигареты» один из эпизодов строится на демонстрации трансформатора Тесла. По сюжету, Джек Уайт, гитарист и вокалист группы «The White Stripes» рассказывает Мег Уайт, барабанщице группы о том, что земля является проводником акустического резонанса (теория электромагнитного резонанса — идея, которая занимала ум Тесла многие годы), а затем «Джек демонстрирует Мэг машину Тесла».

В фильме «Престиж» Кристофера Нолана, для победы одного иллюзиониста над другим в мастерстве «телепортации», Роберт Энджер (Хью Джекман), обращается к Николе Тесла за помощью. Никола же в свою очередь сделал ему машину, с трансформатором Тесла, у которой оказалась одна недоработка — она не телепортировала, а клонировала. Телепортация же была побочным эффектом.

В фильме «Ученик чародея» в одном из эпизодов демонстрируется музыкальное свойство катушек. Этот эффект достигается уменьшением и увеличением частоты.

В японском фильме «Легенда о маске» также присутствует Транформатор Тесла.

В фильме Три икса (xXx) в цитадели преступной организации, ночном клубе используют огромные трансформаторы Тесла, дающие внушительные разряды по всёму помещению, с декоративной целью.

В телесериале «Склад 13» главные герои используют трансформатор в виде оружия.

В фильме «Звуки шума» один из барабанщиков пробует играть на только что сделанной барабанной установке которая выдает электрические дуги в такт ударам по ней.

В фильме «Metallica: Сквозь невозможное» при исполнении песни «Ride the Lightning (песня)» были использованы Трансформаторы Тесла для подачи разряда к подвешенному над сценой креслу, модель которого изображена на обложке альбома «Ride the Lightning».

В компьютерных играх

В игре kingdom rush можно проапгрейдить обычную пушку до трансформатора Теслы.

В серии игр Command & Conquer: Red Alert советская сторона может строить оборонительное сооружение в виде башни со спиралевидным проводом (катушка Теслы), которая поражает противника мощными электрическими разрядами. Ещё в игре присутствуют танки (танк Теслы) и пехотинцы (солдат Теслы), использующие эту технологию.

Также в игре Tremulous люди (Humans) могут строить трансформаторы Тесла для защиты своих баз.

В играх серии Wolfenstein есть оружие, именуемое «Орудие Тесла», поражающее противника электрическим разрядом на большом расстоянии.

В игре Tomb Raider: Legend на одном из уровней есть статичные «установки Тесла» их можно использовать для притягивания и поднятия тяжелых объектов (почти также, как в «Half-Life 2»). А также с помощью одной из них можно умертвить огромного монстра-босса.

В модификации Half-Life 2 Dystopia также существует оружие «Tesla Gun», способное создавать разряды и в режиме альтернативной стрельбы — шаровые молнии. Состоит из цевья и металлического шара вместо дула, внешне похожего на сферическую астролябию.

В игре Fallout присутствует броня Тесла, также она есть и в игре Arcanum, также в загружаемом дополнении «Broken Steel» для игры «Fallout 3» присутствует пушка Тесла и сама катушка Тесла. В игре Fallout New Vegas это оружие можно приобрести в некоторых магазинах, например у Ван Граффов или у оружейников.

В игре Arcanum (жанр RPG) существуют соответствующие запчасти (Tesla coil и т. п.) и виды вооружения (Tesla rod, Tesla gun и т. п.), различные электрические щиты и т. п. Они имеют свойство наносить особый тип повреждений — electric damage.

В первой редакции игры Blood также присутствовало оружие под названием Tesla, поражавшее противника либо молниевидным разрядом, либо неким подобием шаровой молнии.

В игре Вивисектор присутствует оружие, называемое «Тесла», бьющее электрическим разрядом по противнику.

В игре Xenus: Точка кипения при прохождении последних заданий, в одной из комнат стоит огромная катушка Тесла.

В игре Minecraft с дополнением (модом) IndustrialCraft можно скрафтить катушку Теслы, которая вызывает смерть всем существам, находящимся в радиусе 4 блоков от катушки, а с дополнением (модом) GregTech можно скрафтить посох теслы, который сжигает заряд брони другого игрока.

В игре Dishonored есть ТТ на различных уровнях, также есть миссия связанная с этим трансформатором

В игре Загадочный дом есть катушка Теслы. Предмет, помогающий избавиться от феномена "Блуждающий огонёк".

В игре Нэнси Дрю: Смертельное оружие сюжет завязывается вокруг Траснформатора Теслы, от которого погибает учёный.

В музыкальном искусстве

Российская группа Tesla Music Band записала первый в мире музыкальный альбом с оригинальным звучанием музыкального трансформатора Тесла. Также группа Tesla Music Band использует музыкальные трансформаторы Тесла в создании шоу.

Американская группа ARC ATTACK использует трансформаторы Тесла в качестве источника звуков. То есть разряд, создаваемый трансформатором, может звучать, «петь».

Российская команда Tesla-FX утверждает, что впервые сыграла гимн России на созданном ими музыкальном трансформаторе Тесла.

(еще гимн России на трансформаторе Тесла: https://www.youtube.com/watch?v=QFFgeQ3ptLQ)

Для записи песни «Thunderbolt» с альбома Biophilia певица Бьорк также использовала катушку Теслы для создания звуков, имитирующих разряды молний.

В репертуаре тульской группы With No Human Exist имеется песня «Tesla».

Русская группа Tesla Boy, исполняющая электропоп, сейчас набирает большую популярность, в том числе на западе.

В шоу-бизнесе

Трансформатор Тесла может применяться для создания спецэффектов в различных шоу. Шоу Full-Moon-Party с использованием двух трансформаторов Тесла прошло в ночь с 13 на 14 августа 2011 года в Москве в клубе Arena-Moscow,. Первое в России шоу с трансформаторами Тесла состоялось 21 мая 2011 г. на презентации нового Феррари FF в подмосковной Барвихе.

См. также

• Резонанс
• Закон Пашена
• Плазменная лампа
• Ионофон

Ссылки

• Музыкальные теслы в России
• Трансформаторы Теслы ВНИЦ ВЭИ в Истринском районе Подмосковья
• Видеоролики экспериментов и фокусов с трансформатором Тесла
• Как сделать трансформатор Тесла (на русском языке)
• Крупнейший Российский форум по катушкам Тесла и другим высоковольтным устройствам (рус.)
• Сайт Терри Блэйка, американского тесластроителя
• Симфония катушки Тесла
• Простая реализация трансформатора Теслы
• Катушка Тесла в Волгограде
• Огромная катушка Тесла в Оклахоме
• Сайт о применении трансформатора Тесла в сфере науки, искусства и шоу бизнеса (рус.)
• Electrum Project — самый большой трансформатор Тесла в мире (видео)
• Electrum Project — самый большой трансформатор Тесла в мире (видео, full HD)