Трансформатор Теслы

Трансформатор Теслы

Резонансный генератор, катушка или трансформатор Теслы — гениальное изобретение великого хорватского изобретателя, физика и инженера. В статье будет рассмотрен один из простых вариантов реализации проекта — трансформатор Тесла.
В конструкции не использован МОТ трансформатор (почти во всех схемах трансформатора Теслы, именно МОТ служит источником питания), пришлось также создать отдельную схему преобразователя, но обо всем по порядку.

Основные части:
1) Блок питания
2) Преобразователь напряжения и высоковольтная цепь
3) Катушка

Блок питания

Для питания такой схемы нужен достаточно мощный блок питания. К счастью, уже имелся готовый блок питания на 500 Ватт. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора 14 Вольт, при токе в 20 Ампер. Для запитки устройства не желательно использовать импульсные источники питания.

Диодный выпрямитель использован готовый, хотя можно собрать мост из мощных отечественных диодов серии КД2010, укрепленных на теплоотвод. Для сглаживания помех использован конденсатор на 25 Вольт 2200 микрофарад (этого хватит, поскольку на схеме преобразователя уже есть конденсатор на 4700 микрофарад и дроссель для сглаживания высокочастотных помех). Подойдут похожие трансформаторы от 300 до 600-700 Ватт.

Преобразователь и высоковольтная цепь

Увидев схему преобразователя, многие зададут себе вопрос — зачем умощнять однотактный преобразователь, если можно сделать двухтактный? Вопрос конечно к месту, если бы не одно но! Дело в том, что в интернете нигде ранее не опубликованы варианты умощнения обратноходовых преобразователей, вот и было решено совместить этот вариант и найти устройству практическое применение. В итоге был собран высококачественный преобразователь с мощностью порядка 180-200 ватт и более.
Сердцем преобразователя является генератор импульсов, построенный на ШИМ контролере серииUC3845, ранее уже были предложены версии преобразователей на этой микросхеме (лестница Иакова), но как правило стандартная схема обладала мощностью 80 ватт на пиках, и вот после недолгих экспериментов, был разработан нижеприведенный вариант.

Предварительно сигнал от микросхемы усиливается каскадом на комплементарной паре, которая построена на отечественных транзисторах серии КТ 816/817, это необходимо, поскольку начальный уровень сигнала иногда недостаточен для срабатывания полевых транзисторов. В схеме использовались три полевика серии IRL3705, при таком мощном источнике, на транзисторах рассеивается большая мощность, поэтому их нужно укрепить на теплоотводы и дополнить кулерами от компьютерных блоков питания. Частота работы преобразователя 60 килогерц, его можно изменить играя с емкостью конденсатора 4.7нФ и подбором сопротивления резистора 6.8 кОм на схеме, уменьшая емкость и увеличивая сопротивление резистора, можно увеличить частоту преобразователя, при обратном процессе, частота работы преобразователь уменьшается.

В качестве повышающего трансформатора удобно использовать трансформатор строчной развертки от отечественных телевизоров, для получения максимальной мощности желательно использовать два строчника, высоковольтные обмотки которых, нужно соединить последовательно.

Первичная обмотка мотается на свободной стороне П-образного феррита и содержит 4-5 витков провода 3мм, для удобства намотки можно использовать несколько жил, или же многожильный провод в силиконовой или резиновой изоляции, как в данном случае. Использовать самодельные трансформаторы не желательно, поскольку они редко способны выдержать такую мощность.
Дуга на выходе высоковольтной обмотки трансформатора имеет достаточно большую силу тока, поэтому для его выпрямления использовались 4 диода серии КЦ106.

Предварительно, диоды по 2 штуки соединены параллельно, затем блоки из двух параллельно соединенных диодов соединены последовательным образом.

В накопительной части использован конденсатор на 5 киловольт с емкостью 1 микрофарад, можно использовать также блок конденсаторов, емкость и напряжение не критично и можно отклонится от указанного номинала на 10 — 15%

Искровый разрядник, или просто искровик — предназначен для разряжения емкости конденсатора на первичную обмотку катушки, его можно сделать из двух болтов, или же применить готовых вакуумный разрядник фирмы ЭПОКС с напряжением пробоя 3 – 3.5 кВ на 5 -10 ампер. Самодельный искровик из болтов удобен тем, что зазор, а следовательно и частоту разрядов можно регулировать.

Катушка

Катушка намотана на каркасе от канализационной трубы с диаметром 12 см, высота 50 — 65 см , подойдут также близкие по параметрам пластмассовые трубы. ВАЖНО! Не использовать трубы из металлопластмассы. Первичная обмотка содержит всего 5 витков, провод с диаметром 3-5 мм, был использован одножильный алюминиевый провод в резиновой изоляции. Расстояние между витками 2 см.

Вторичная обмотка содержит 700-900 витков провода 0.5-0.7 мм. Вторичная обмотка мотается аккуратно, виток к витку, при ручной намотке процесс отнимает 5 часов, поэтому удобно использовать намоточный станок (хотя в моем случае катушка моталась вручную). При передышке, нужно приклеить последний виток к каркасу.

Возможности

Катушка Теслы — это демонстрационный генератор высокочастотных токов высокого напряжения. Устройство может быть использовано для беспроводной передачи электрического тока, на большие расстояния. В дальнейшем устройство будет переделано, в частности будет перемотан, точнее изменен первичный контур, если есть возможность желательно использовать медную трубу, таким образом мощность катушки резко возрастет.

Опыты с катушкой теслы

С готовой катушкой можно провести ряд интересных опытов, конечно при этом нужно соблюдать все правила безопасности.

Опыт 1. Нужен медный провод с диаметром 0.2 – 0.8 мм, который нужно намотать на каркас от широкого прозрачного скотча, или же на литровую банку. Контур содержит 15-20 витков, после чего каркас вынимаем, а витки контура закрепляем друг к другу при помощи ниток или скотча. Затем берите обычный светодиод (желательно белый или синий) и выводы светодиода припаяйте к контуру. Включите трансформатор. Контур со светодиодом отдалите от включенного трансформатора на пару метров. Можно наблюдать за свечением светодиода, без какой-либо проводной связи с источником питания. Это основной опыт, который демонстрирует возможности трансформатора Теслы.

Опыт 2. Свечение ламп дневного света на расстоянии. Это один из наиболее распространенных опытов с катушкой Теслы. Все виды подобных ламп, светятся на небольшом расстоянии от включенного трансформатора.

Правила безопасности

Трансформатор Теслы — высоковольтный генератор, нужно помнить, что на выходе устройства и в высоковольтной цепи образуется смертельно опасное напряжение (особенно на высоковольтном конденсаторе). При ведении монтажных работ, нужно заранее убедится, что контурный конденсатор полностью разряжен, использовать толстые резиновые перчатки, и не приближаться к включенному устройству. Все опыты делать вдали от цифровых устройств, высоковольтные разряды могут повредить электронику! Запомните это не качер! Играть с дугой строго запрещено! Особо опасна высоковольтная часть и высоковольтная обмотка преобразователя.

Резонансный генератор тесла

• О музее
  • Главное о музее
  • Официальные документы
  • История музея
  • Структура
  • Почетные гости
  • СМИ о музее
  • Музей без барьеров
  • Мониторинг качества услуг
  • Национальный проект «Культура»
  • Профилактика терроризма
  • Год памяти и славы
  • Год Евгения Родыгина в Свердловской области
• Новости
  • Новости
  • Блог
• Афиша
• Наши музеи
• Музей – школе
  • Дошкольникам
  • Младшим классам
  • Средним классам
  • Старшим классам
  • Педагогам
  • Архив
• Наука
  • Конференции
  • Семинары
  • Научно-методический совет
  • Медаль имени Н. К. Чупина
  • Публикации
• Коллекции
  • Коллекции музея
  • Проект «Плакат Победы»
  • Фотопроект «Манси. ХХ век»
• Передвижные выставки
• Медиа
  • Видеотека
  • Виртуальная экскурсия «Дом Ипатьева»
  • Виртуальный тур по МВЦ «Дом Поклевских-Козелл»
  • Виртуальный тур по Сысертскому краеведческому музею
• Контакты
  • Контакты
  • Отзывы
  • Часто задаваемые вопросы
  • Обратная связь
  • Электронная приемная
  • Противодействие коррупции
• Образовательная деятельность
• Музей на YouTube

Генератор высокого напряжения – резонансный трансформатор (или, попросту, катушка) Теслы – один из самых эффектных экспонатов Музея радио им. А.С. Попова! На экскурсиях он всегда искрится и издает характерный электрический треск. Прибор производит высокое напряжение высокой частоты (150 кГц) за счет использования резонансных стоячих электромагнитных волн в катушках.

Устройство, которое изобрел сербский ученый Никола Тесла, теперь носит его имя. Тесла запатентовал резонансный трансформатор 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала». Любопытно, что прибор оставил заметный след в культуре: кино, музыке и компьютерных играх. Кроме того, его применяют для создания спецэффектов в различных шоу. Например, в 2011 году в Москве состоялись сразу два громких шоу с использованием трансформатора Теслы, в том числе презентация автомобиля Ferrari FF.

Резонансный трансформатор изготовил и подарил музею в 2007 году В.В. Кузьмин.

C 27 Ноября
по 3 Декабря 2017

Адрес, контакты

Cвердловский областной краеведческий музей © 1870-2020

• О музее
  • Главное о музее
  • Официальные документы
  • История музея
  • Структура
  • Почетные гости
  • СМИ о музее
  • Музей без барьеров
  • Мониторинг качества услуг
  • Национальный проект «Культура»
  • Профилактика терроризма
  • Год памяти и славы
  • Год Евгения Родыгина в Свердловской области
• Новости
  • Новости
  • Блог
• Афиша
• Наши музеи
• Музей – школе
  • Дошкольникам
  • Младшим классам
  • Средним классам
  • Старшим классам
  • Педагогам
  • Архив
• Наука
  • Конференции
  • Семинары
  • Научно-методический совет
  • Медаль имени Н. К. Чупина
  • Публикации
• Коллекции
  • Коллекции музея
  • Проект «Плакат Победы»
  • Фотопроект «Манси. ХХ век»
• Передвижные выставки
• Медиа
  • Видеотека
  • Виртуальная экскурсия «Дом Ипатьева»
  • Виртуальный тур по МВЦ «Дом Поклевских-Козелл»
  • Виртуальный тур по Сысертскому краеведческому музею
• Контакты
  • Контакты
  • Отзывы
  • Часто задаваемые вопросы
  • Обратная связь
  • Электронная приемная
  • Противодействие коррупции
• Образовательная деятельность
• Музей на YouTube

Свердловский областной краеведческий музей имени О. Е. Клера
Екатеринбург, ул. Малышева, 46
+7 (343) 376-47-19
uole.museum@mail.ru
Facebook: https://www.facebook.com/groups/uolemuseum/
ВКонтакте: https://vk.com/uolemuseum

Сайт использует файлы cookie. Они позволяют узнавать вас и получать информацию о вашем пользовательском опыте (сведения о местоположении; тип и версия ОС; тип и версия браузера; тип устройства и разрешение его экрана; источник, откуда пришел на сайт пользователь; с какого сайта или по какой рекламе; язык ОС и браузера; какие страницы открывает и на какие кнопки нажимает пользователь; ip-адрес). Это необходимо, чтобы анализировать и улучшать работу сайта. Когда вы посещаете страницы сайта, мы обрабатываем ваши данные. Если согласны, продолжайте пользоваться сайтом. Если нет – покиньте сайт

Небольшая катушка Тесла своими руками

Введение

В 1997 году я заинтересовался катушкой Тесла и решил построить свою. К сожалению, я потерял интерес к ней, прежде чем я смог её запустить. Через несколько лет я нашел свою старую катушку, немного пересчитал её и продолжил строительство. И снова я забросил ее. В 2007 году друг показал мне свою катушку, напомнив мне о моих незавершенных проектах. Я опять нашел свою старую катушку, пересчитал все и в этот раз завершил проект.

Катушка Тесла — это резонансный трансформатор. В основном это LC схемы, настроенные на одну резонансную частоту.

Высоковольтный трансформатор используется для зарядки конденсатора.

Как только конденсатор достигает достаточного уровня заряда, он разряжается на разрядник и там проскакивает искра. Происходит короткое замыкание первичной обмотки трансформатора и в ней начинаются колебания.

Поскольку ёмкость конденсатора фиксирована, схема настраивается путем изменения сопротивления первичной обмотки, изменяя точку подключения к ней. При правильной настройке, очень высокое напряжение будет в верхней части вторичной обмотки, что приведет к впечатляющим разрядам в воздухе. В отличие от традиционных трансформаторов, соотношение витков между первичной и вторичной обмотками практически не влияет на напряжение.

Этапы строительства

Спроектировать и построить катушку Тесла довольно легко. Для новичка это кажется сложной задачей (мне это тоже казалось сложным), но можно получить рабочую катушку, следуя инструкциям в этой статье и проделав небольшие расчеты. Конечно, если вы хотите очень мощную катушку, нет никакого способа кроме изучения теории и проведения множества расчетов.

Вот основные шаги, с которых следует начать:

1. Выбор источника питания. Трансформаторы которые используются в неоновых вывесках, вероятно, лучше всего подойдут для начинающих, так как они относительно дешевые. Я рекомендую трансформаторы с выходным напряжением не меньше чем 4кВ.
2. Изготовление разрядника. Это могут быть просто два винта, вкрученных в паре миллиметров друг от друга, но я рекомендую приложить немного больше усилий. Качество разрядника сильно влияет на производительность катушки.
3. Расчет ёмкости конденсатора. Используя формулу ниже, рассчитайте резонансную емкость для трансформатора. Значение конденсатора должно быть примерно в 1,5 раза больше этого значения. Вероятно, лучшим и наиболее эффективным решение будет сборка конденсаторов. Если вы не хотите тратить деньги, можете попробовать изготовить конденсатор сами, но он может не работать, а его емкость трудно определить.
4. Изготовление вторичной обмотки. Используйте 900-1000 витков эмалированной медной проволоки 0,3-0,6мм. Высота катушки обычно равна 5 её диаметрам. Водосточная труба из ПВХ, возможно, не самый лучший, но доступный материал для катушки. Полый металлический шар прицеплен к верхней части вторичной обмотки, а её нижняя часть заземлена. Для этого желательно использовать отдельное заземление, т.к. при использовании общедомового заземления есть шанс испортить другие электроприборы.
5. Изготовление первичной обмотки. Первичная обмотка может быть сделана из толстого кабеля, или ещё лучше из медной трубки. Чем толще трубка, тем меньше резистивных потерь. 6 миллиметровой трубы вполне достаточно для большинства катушек. Помните, что толстые трубы намного сложнее сгибать и медь трескается при многочисленных перегибах. В зависимости от размера вторичной обмотки, от 5 до 15 витков с шагом от 3 до 5 мм должно хватить.
6. Соедините все компоненты, настройте катушку, и все готово!

Перед тем как начать делать катушку Тесла настоятельно рекомендуется ознакомиться с правилами ТБ и работы с высокими напряжениями!

Также обратите внимание, что не были упомянуты схемы защиты трансформатора. Они не были использованы, и пока проблем нет. Ключевое слово здесь — пока.

Детали

Катушка делалась в основном из тех деталей, которые были в наличии.
Это были:
4кВ 35mA трансформатор от неоновой вывески.
0.3мм медная проволока.
0.33μF 275V конденсаторы.
Пришлось докупить 75мм водосточную трубу ПВХ и 5 метров 6мм медной трубки.

Вторичная обмотка

Вторичная обмотка сверху и снизу покрыта пластиковой изоляцией, для предотвращения пробоя

Вторичная обмотка была первым изготовленным компонентом. Я намотал около 900 витков провода вокруг сливной трубы высотой около 37см. Длина использованного провода была примерно 209 метров.

Индуктивности и емкости вторичной обмотки и металлической сферы (либо тороида) можно рассчитать по формулам которые можно найти на других сайтах. Имея эти данные можно рассчитать резонансную частоту вторичной обмотки:
L = [(2πf) 2 C] -1

При использовании сферы диаметром 14см, резонансная частота катушки равна примерно 452 кГц.

Металлическая сфера или тороид

Первой попыткой было изготовление металлической сферы путем обвертывания пластикового шара фольгой. Я не смог разгладить фольгу на шаре достаточно хорошо, и решил изготовит тороид. Я сделал небольшой тороид, обмотав алюминиевой лентой гофрированную трубу, свернутую в круг. Я не смог получить очень гладкий тороид, но он работает лучше, чем сфера из-за своей формы и за счет большего размера. Для поддержки тороида под него был подложен фанерный диск.

Первичная обмотка

Первичная обмотка состоит из медных трубок диаметром 6 мм, намотанных по спирали вокруг вторичной. Внутренний диаметр обмотки 17см, внешний 29см. Первичная обмотка содержит 6 витков с расстоянием 3 мм между ними. Из-за большого расстояния между первичной и вторичной обмоткой, они могут быть слабо связаны между собой.
Первичная обмотка вместе с конденсатором является LC генератором. Необходимая индуктивность может быть рассчитана по следующей формуле:
L = [(2πf) 2 C] -1
С — емкость конденсаторов, F-резонансная частота вторичной обмотки.

Но эта формула и калькуляторы основанные на ней дают лишь приблизительное значение. Правильный размер катушки должен быть подобран экспериментально, поэтому лучше сделать её слишком большой, чем слишком маленькой. Моя катушка состоит из 6 витков и подключена на 4 витке.

Конденсаторы

Сборка из 24 конденсаторов с гасящим резистором 10МОм на каждом

Так как у меня было большое количество мелких конденсаторов, я решил собрать их в один большой. Значение конденсаторов может быть рассчитано по следующей формуле:
C = I ⁄ (2πfU)

Значение конденсатора для моего трансформатора 27.8 нФ. Фактическое значение должно быть немного больше или меньше этого, так как быстрый рост напряжения в связи с резонансом может привести к поломке трансформатора и / или конденсаторов. Небольшую защиту от этого обеспечивают гасящие резисторы.

Моя сборка конденсаторов состоит из трех сборок с 24 конденсаторами в каждой. Напряжение в каждой сборке 6600 В, общая ёмкость всех сборок 41.3нФ.

Каждый конденсатор имеет свой 10 МОм гасящий резистор. Это важно, так как отдельные конденсаторы могут сохранять заряд в течение очень долгого времени после того, как питание было отключено. Как видно из рисунка ниже, номинальное напряжение конденсатора является слишком низким, даже для 4 кВ трансформатора. Чтобы хорошо и безопасно работать оно должно быть по крайней мере, 8 или 12 кВ.

Разрядник

Мой разрядник это просто два винта с металлическим шариком в середине.
Расстояние регулируется таким образом, что разрядник будет искрить только тогда, когда он является единственным подключенным к трансформатору. Увеличение расстояния между ними теоретически может увеличить длину искры, но есть риск разрушения трансформатора. Для большей катушки необходимо строить разрядник с воздушным охлаждением.

Характеристики

Колебательный контур
Трансформатор NST 4кВ 35мА
Конденсатор 3 × 24 275VAC 0.33μF
Разрядник: два шурупа и металлический шар

Первичная обмотка
Внутренний диаметр 17см
Диаметр трубки обмотки 6 мм
Расстояние между витками 3 мм
Длина трубки первичной обмотки 5м
Витки 6

Вторичная обмотка
Диаметр 7,5 см
Высота 37 см
Проволока 0.3мм
Длина провода около 209m
Витки: около 900

о нас

MotionLamps.ru — интернет-магазин лава ламп, плазмаболов, плазменных дисков и декоративных светильников.

Дорогие покупатели, мы рады приветствовать Вас в нашем интернет-магазине. Мы делаем всё, чтобы он был удобен для Вас и Вы остались довольны покупками, сделанными у нас. В нашем магазине представлен широкий ассортимент необычных декоративных светильников для интерьера, таких как: лава-лампы различных форм, размеров, и цветов, тесла-болы, плазменные диски, ночники, а также светодинамические установки др.

В нашем интернет-магазине Вы найдете подробнейшее описание того или иного товара, подкрепленное детальными изображениями с разных ракурсов, а также, если необходимо, специально снятыми видео, передающими полную информацию устройства и работы того или иного товара.

Вы можете купить лава-лампы, плазмаболы, светодиодные свечи, или же любой другой понравившийся Вам светильник. Так же в нашем магазине есть возможность приобретения лава-ламп и плазменных шаров оптом.

Воздействие на человека

В отличие от низкочастотного тока, высоко частотный не проникает вглубь тканей человека, стекая по поверхности тела. ВЧ ток исключает электротравму.

УВЧ аппарат

Используется в медицине для лечения:

• ультра частотная терапия, аппараты УВЧ;
• диатермия, прогревание ВЧ токами;
• индуктотермия, лечение высокочастотным магнитным полем;
• оздоровление органов с помощью микроволнового аппарата;
• дарсонваль, воздействие на части тела высоковольтными разрядами.

В повседневной жизни пользуются микроволновой печью с СВЧ излучением.

Дарсонваль

Н. Теслу по праву считают гением своего времени. Существуют мнение, что его теория эфира, гениальные разработки блокировались. Тесла мечтал обеспечить человечество бесплатной энергией, создать антигравитационный двигатель, путём преобразования энергии эфира. Бестопливный генератор, резонансный трансформатор Н. Тесла собирают своими руками даже школьники. А это значит, что кто-то продолжит его дело.

Исследование однопроводной передачи электрической энергии

Введение

Более ста лет назад Никола Тесла опубликовал результаты своих опытов по резонансному методу передачи электрической энергии [1,2]. В начале двадцатого века не было современных электронных компонентов, а трехфазные сети, работающие с частотой 50-60 Гц, успешно справлялись с задачами по передаче энергии в диапазоне мощности от сотен ватт до тысяч мегаватт и на расстояние до 1000 километров. Технологические потери на активных и реактивных сопротивлениях, коммуникационных и преобразующих устройствах при таком способе передачи электрической энергии составляют более 20%.

Первым на территории СНГ однопроводную систему передачи электрической энергии внедрил «Газпром» (Россия) и спонсировал изготовление соответствующей установки мощностью 20 кВт[3]. Вдоль газопроводов технологически прокладывают линии электропередачи для катодной защиты, питания насосов для перекачивания и для других эксплуатационных служб. Стандартные линии стоят дорого, содержат провода из цветных металлов. При однопроводной передаче энергии стало возможным протянуть стальной провод, а на некоторых участках газопровода даже осуществить передачу энергию по самой трубе. Такая система имеет в сотни раз лучшие электрические параметры (КПД более 90%), чем традиционные двух-трех проводные.

Постановка задачи

Основной задачей данной работы является анализ электрических, геометрических, частотных характеристик резонансных трансформаторов и основных закономерностей построения на их основе резонансных силовых сетей электроснабжения.

Результаты работы.

На базе кафедры электромеханики Днепродзержинского государственного технического университета в лабораторных условия была исследована однопроводная резонансная система передачи электрической энергии мощностью до 100 Вт.

В качестве передающего и принимающего трансформаторов в системе резонансной передачи электрической энергии использовались трансформаторы Тесла, изготовленные на пластиковых каркасах с параметрами, указанными в таблице 1.

Таблица 1 Конструктивные параметры экспериментальных трансформаторов

После проведенных теоретических и экспериментальных исследований получена эквивалентная схема резонансного трансформатора, показанная на рис.1. Для неё характерны следующие параметры: емкость и индуктивность первичной обмотки (C₁,L₁); емкость и индуктивность вторичной обмотки (C₂,L₂); активные сопротивления первичной и вторичной обмоток (R₁, R₂ – на рисунке не показаны); взаимная индуктивность между обмотками (М_св); взаимная емкость (С_св). Последний параметр, как правило, не учитывается в методиках расчета низкочастотных и импульсных трансформаторов, но необходим при расчете резонансного трансформатора, так как учитывает характер резонансных явлений между первичной и вторичной обмотками.

Рисунок 1 — Эквивалентная схема трансформатора Тесла

Для первичного контура после определения L₁, C₁, M_св, C_св [4,5] получены значения резонансных частот и соответствующие относительные показатели вклада в суммарный сигнал по отношению к гармонике с максимальной амплитудой (табл. 2):

(1)

Аналогичные вычисления проведены для вторичной обмотки трансформатора (табл. 3).

Рисунок 2 – Структурная схема трансформатора Тесла

Резонансный трансформатор Тесла можно представить в виде структурной схемы, приведенной на рис.2.Здесь передаточные функции W_i(p) представляют собой колебательные звенья с резонансной частотой, рассчитанной по формуле Томсона для возможных комбинаций C_i и L_i первичной и вторичной обмоток (номера передаточных функций соответствуют номерам резонансных частот, указанных в табл.2 и табл.3 в скобках).

Таблица 2 — Резонансные частоты в первичной обмотке

Таблица 3 — Резонансные частоты во вторичной обмотке

Ток освобождённый

Люди стремятся к полной независимости от проводов — это один из главных технологических трендов современности. Сначала провода «отпали» у домашних телефонов, и, вздохнув с облегчением, мы перешли на радиотрубки; потом от этих пут освободились компьютерные клавиатура и мышка. Не так давно инженеры создали устройства, способные заряжать наши гаджеты по воздуху; однако эффективны они пока только на коротких дистанциях. В начале этого года команда учёных из Санкт-Петербурга (университет ИТМО) опубликовала статью в журнале Applied Physics Letters, где представила свою версию системы беспроводной передачи электричества. Эта разработка интересна тем, что может отправлять ток дальше, чем все остальные устройства.

У кого дальше?

В 2007 году в журнале Science был описан удивительный эксперимент, который провела группа физиков-исследователей из Массачусетского технологического института (МТИ) под руководством профессора Марина Солячича. Учёные расположили в 2,5 м друг от друга две катушки медного провода. Они были настроены на одинаковую резонансную частоту, то есть обладали одинаковой периодичностью внутренних колебаний.

Первая катушка получала энергию от источника с переменным электрическим током и сама становилась источником магнитного поля, которое пронизывало вторую катушку и создавало в ней ток. А он, в свою очередь, заставлял гореть 60-ваттную лампочку, установленную на второй катушке.
После этой публикации в средствах массовой информации вовсю заговорили о таком чуде науки и техники, как

беспроводная передача электричества,

однако преодолеть расстояние в 2,5 м по воздуху ток смог только в лабораторных условиях при помощи металлических катушек внушительного размера.
Когда же учёные из МТИ попытались миниатюризировать эту технологию, дальность передачи электричества составила всего 10 см. В 2015 году физики из питерского Университета ИТМО повторили эксперимент — с некоторыми модификациями — и в результате увеличили расстояние передачи тока по воздуху в три раза.
Учёные постоянно совершенствуют технологию и прогнозируют, что скоро создадут компактное зарядное устройство, действующее в пределах нескольких метров.

Чувственное поле

Безусловно, Солячич не первооткрыватель в этом деле. Его опыты в некотором роде повторение эксперимента известного физика Николы Тесла, который ещё в 1894 году смог зажечь фосфорную лампу накаливания посредством беспроводной резонансной взаимоиндукции.

— Тесла первым предложил идею, на которой основаны нынешние все трансформаторы: энергию можно передавать не дальним, а ближним полем — тем, что находится в небольшом радиусе от источника, — говорит Иван Иорш, кандидат физико-математических наук, доцент лаборатории метаматериалов Университета ИТМО, участник группы по созданию системы беспроводной передачи электричества. — Ближнее электромагнитное поле устроено так, что не покидает область вокруг объекта и может хранить в нём много запасённой энергии. К сожалению, электрическое поле быстро ослабевает с увеличением расстояния. Но Солячич как раз показал, что, если мы установим два маятника, способных запасать много энергии, поле может усилиться, потому что будет «чувствовать», что где-то там его ждёт второй резонатор.

— Если уже в XIX веке люди знали о возможности беспроводной передачи электроэнергии, то почему не разрабатывали соответствующие технологии? — робко интересуюсь я.

— Никола Тесла создавал инновации, к которым общество было не готово.

Многие его идеи получили развитие только сейчас и воспринимаются как новые, в том числе это относится к беспроводной передачи электроэнергии. Если бы общество сразу приняло его разработки, вы бы к нам не на транспорте добирались, а просто телепортировались, — шутит Иван.

— Нам понравилась идея учёных из МИТ, и мы стали думать, как усовершенствовать эту технологию с помощью наших метаматериалов — улучшить способ передачи, — вступает в разговор Полина Капитанова, кандидат технических наук, руководитель проекта. — Но работу с метаматериалами мы оставили напоследок, а вначале решили заменить медные катушки на диэлектрические резонаторы.

Ставка на керамику

Металлические катушки не очень эффективны: при приложении к ним электрического поля они сильно греются и отдают в пространство много тепла, а значит, попросту теряют электроэнергию, тогда как её нужно передавать… по воздуху. В поисках материала, который мог бы заменить в эксперименте медь, учёным помогли работы немецкого физика Густава Ми, ставившего опыты с диэлектриками — веществами, плохо проводящими электрический ток (их часто называют изоляторами). Описывая их свойства, Ми отметил, что в диэлектрических частицах могут возникать резонансы, способные запасать много энергии, а в диэлектрической частице сферической формы таких резонансов может быть бесконечное множество.

— Мы тут же стали перебирать диэлектрики, которые нас окружают: дерево, стекло… — рассказывает Полина. — Ещё стоит учитывать, что в наши задачи входило создание миниатюрных резонаторов. Ведь чтобы технология стала применимой в быту и востребованной, её нужно внедрять в мобильные устройства.

— И на чём же вы остановились?

— Прочитав статью Елизаветы Ненашевой, сотрудника НИИ «Гириконд», о керамических элементах для микроволновой техники, мы решили сделать ставку на керамику: резонаторы из этого материала почти не теряют электроэнергию, не боятся сильного нагрева и обладают большой ёмкостью.

— И правда, поэтому их используют в микрофонах, радиолокаторах, микроволновках…

— А также в космических кораблях и высокомощной военной электронике, — добавляет Иван. — Если понадобится бомбануть Тесла-пушкой, в ней должны быть мощные компоненты, иначе они не выдержат нагрузку и расплавятся.

Вдохновлённые метаматериалом

Без разделения труда эффективной работы не получится — физики из ИТМО помнят об этом правиле. Иван Иорш отвечает за теоретическую часть исследования, Полина Капитанова — за проведение эксперимента, а инженер Минчжао Сун, приехавший из Китая на стажировку, — за электродинамическое моделирование.
Я в лаборатории метаматериалов, наблюдаю за работой учёных.

Минчжао кладёт на стол два одинаковых серых керамических шарика по два сантиметра в диаметре

Каждый из них, словно чупа-чупс, закреплён на держателе и подсоединён проводами к своему аппарату. На моих глазах происходит чудо: подаётся напряжение, и светодиодная лампочка на втором держателе начинает светиться. Второй шарик с лампочкой получает энергию от первого без каких-либо проводов на расстоянии 10 см. Но чем больше физик отдаляет шарики друг от друга, тем тусклее светит лампочка. Минчжао достаёт кусок пенопласта и кладёт на него шарики. Сверху к пенопласту прилажено множество отрезков тонкой проволоки — все они одинаковой длины и закреплены параллельно друг другу на равном расстоянии. Инженер начинает двигать по пенопласту шарик с лампочкой, удаляя его от первого на 15 см, затем на 20, 25, 30… На 30 см лампочка продолжает гореть так же ярко, как и прежде.

Как это работает? Один аппарат, подсоединённый к керамическому шарику, — это векторный анализатор, который посылает электрический сигнал по проводу на второй аппарат — усилитель мощностью 1 Вт. Тот, соответственно, усиливает сигнал, и дальше ток поступает на держатель второго шарика — диэлектрического резонатора. Он заряжается и по воздуху посылает электричество на первый шарик. А дальше как в опыте американских учёных с катушками. С одной оговоркой: чтобы лампочка горела, на втором держателе установлена схема преобразования переменного тока в постоянный.

— Что это за кусок пенопласта? — спрашиваю я Полину, внимательно изучая конструкцию.

— Это и есть наш метаматериал — метаповерхность. По сути, очень простая вещь — пенопласт с тонкими металлическими проводами, расположенными в нужной геометрии. Эти отрезки проволочек — так называемые антенники. Помните антенны советских телевизоров? Чтобы канал транслировался без помех, нужно было крутить антенну, поднимать, опускать её, пока не поймаешь сигнал. Антеннки в метаматериале тоже нужно сделать заданной длины и расположить особым образом, чтобы точно направить сигнал, передаваемый от одного керамического шарика другому.

— И что, действительно такое простое устройство — кусок пенопласта с проводочками — усиливает эффективность эксперимента?

— В данном случае использование метаповерхности помогло увеличить радиус передачи электроэнергии с 10 см до 30. Причём неважно, сколько лампочек или телефонов вы пожелаете зарядить. Представьте, что этот метаматериал встроен в ваш рабочий стол, — Полина похлопывает по столешнице. — Вы кладёте на него и подзаряжаете разом и свой лэптоп, и планшет, и телефон друга, который зашёл в гости.

— Сложно изготовить такой метаматериал?

— Нет, любой студент-физик сделает его за полчаса. Нужно только нарезать проводки и упорядочить их в диэлектрической матрице.

Подзарядка для сердца

Лабораторная система беспроводной передачи электричества ИТМО пока выглядит весьма громоздко, однако разработчики уверяют, что в скором времени она станет миниатюрной, и дело это несложное.

— Анализатор и усилитель заменим компактной электроникой, чтобы разместить на печатной плате или в корпусе устройства, например мобильного телефона. Это можно сделать хоть сейчас, — поясняет Полина. — В свободной продаже уже есть мизерные генераторы, усилители и выпрямители сигналов. Источник электрического тока будет подключён к розетке, постоянный сигнал переведён в переменный; переменный сигнал усилится и пойдёт на резонатор излучателя, а тот пошлёт его на мобильное или другое устройство, чтобы его подзарядить.

Беспроводные зарядки для телефонов уже есть в некоторых аэропортах и ресторанах.

Правда, такой мобильный должен иметь встроенный зарядный модуль с медной спиральной катушкой или чехол с таким модулем. А сама беспроводная зарядка пока похожа на базу для домашнего радиотелефона, поэтому мобильный туда нужно именно ставить — вертикально, в гнездо, что создаёт некоторые неудобства.

— Керамические резонаторы позволяют обойти это ограничение, а метаматериал увеличивает дистанцию между приёмником и передатчиком. В идеале же беспроводная передача электричества должна уподобиться вай-фаю, — Полина встаёт со стула и достаёт смартфон из кармана джинсов. — Хочется, чтобы ты заходил в комнату и не думал, заряжается телефон или нет, а твёрдо знал, что заряжается.

— Вообще, у нас есть очень хорошая идея по усовершенствованию беспроводной передачи электричества. До завершения экспериментов и публикации результатов я не могу раскрывать подробности, но постараюсь передать суть, — интригует Полина. — Мы ищем материал, который ещё слабее, чем керамика, взаимодействует с электрическим полем. Это позволит спуститься на низкие частоты.
Пока наша система работает на частоте 2,4 ГГц, в то время как рабочая частота мобильных устройств значительно ниже. Зачем это нужно? Во-первых, есть стандартны безопасности. Тело человека при работе с электронными устройствами не должно нагреваться за час больше чем на два градуса, поэтому мы работаем с магнитным полем как менее вредным для организма. Во-вторых, на низких частотах работает вся дешёвая потребительская электроника. И нужно адаптировать под неё свои разработки, ведь мы хотим выйти на массовое производство и принести реальную пользу.