Weird Science

Transformator Tesli

Ostrze­że­nie: Budowę opi­sy­wa­nego urządze­nie odra­dzam oso­bom, które nie mają doświad­cze­nia w kon­struk­cji urządzeń elek­tro­nicz­nych pra­cu­jących przy wyso­kim napięciu. Pra­wi­dłowo zbu­do­wany półp­rze­wod­ni­kowy trans­for­ma­tor Tesli nie przed­sta­wia szcze­gól­nego nie­bez­pie­czeńs­twa przy pracy z nim. Trzeba jed­nak pamiętać, że tem­pe­ra­tura łuku elek­trycz­nego jest bar­dzo wysoka i może spo­wo­do­wać opa­rze­nia. Jakie­kol­wiek błędy przy kon­struk­cji mogą jed­nak spo­wo­do­wać pora­że­nie prądem elek­trycz­nym (np. błędy przy pod­łącze­niu zasi­la­cza) lub opa­rze­nie ter­miczne (nad­mierne nagrza­nie się ele­men­tów i/lub radia­tora). Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Co to jest?

Mówiąc krótko: trans­for­ma­tor Tesli to typ trans­for­ma­tora powietrz­nego wytwa­rza­jącego wyso­kie napięcie rzędu milio­nów wol­tów. Należy zazna­czyć, że zarówno uzwo­je­nie pier­wotne, jak i wtórne są dostro­jone do rezo­nansu, dzięki czemu uzy­skuje się bar­dzo wysoką spraw­ność prze­ka­zy­wa­nia ener­gii między uzwo­je­niami. Trans­for­ma­tor ten pozwala w rela­tyw­nie bez­piecz­nych warun­kach zazna­jo­mić się z pro­ble­ma­tyką pracy ze źródłami wyso­kiego napięcia. Umożl­i­wia między innymi dopro­wa­dze­nie do joni­za­cji i emi­sji świa­tła przez roz­rze­dzony gaz:

Ilustracja

Twórcą tego gene­ra­tora wyso­kiego napięcia jest Nikola Tesla (na poniższym zdjęciu).

Ilustracja

źródło: http://upload.wiki­me­dia.org/wiki­pe­dia/com­mons/7/79/Tesla_circa_1890.jpeg, dostęp: 23.01.2015

Był on inży­nie­rem i wyna­lazcą pocho­dzącym z Ser­bii. Należy do niego ponad 112 paten­tów, w więk­szo­ści różn­ych urządzeń elek­trycz­nych. Naj­bar­dziej znane z nich to sil­nik elek­tryczny, prąd­nica prądu prze­mien­nego, auto­trans­for­ma­tor, dynamo rowe­rowe, radio, elek­trow­nia wodna, bate­ria sło­neczna, tur­bina tale­rzowa, świe­tlówka i trans­for­ma­tor Tesli (rezo­nan­sowa cewka wyso­ko­na­pięciowa).

Serb­ski uczony był także twórcą pierw­szych urządzeń zdal­nie ste­ro­wa­nych drogą radiową. Począt­kowo za twórcę radia uwa­żano Mar­co­niego, jed­nak w 1943 roku Sąd Naj­wyższy Sta­nów Zjed­no­czo­nych przy­znał prawa paten­towe Nikoli Tesli. Smut­nym fak­tem jest, że roz­prawa roz­strzy­gnęła się już po śmierci wyna­lazcy, przez co do dziś pow­szech­nie za twórcę radia uznaje się Mar­co­niego, mimo iż przy­znał się on do oszu­stwa pole­ga­jącego na wyko­rzy­sta­niu wcze­śniej­szych prac Tesli w zbu­do­wa­niu radia, za co Mar­coni otrzy­mał nie­słusz­nie nagrodę Nobla w dzie­dzi­nie fizyki w roku 1909.

Tesla po począt­ko­wej współp­racy uwi­kłał się w spór z Edi­so­nem. Powo­dem było oszu­stwo związane z kra­dzieżą wyna­lazku doko­naną przez Edi­sona na mło­dym wówczas serb­skim wyna­lazcy. Edi­son był zwo­len­ni­kiem pro­duk­cji prądu sta­łego, lecz Tesla jako pierw­szy spo­strzegł poten­cjał tkwiący w prądzie zmien­nym i możl­i­wo­ści jego trans­for­ma­cji na inne poziomy napięć i prądów (czego nie da się wyko­nać sto­su­jąc jedy­nie prąd stały). Edi­son począt­kowo roz­po­czął nagonkę medialną, mającą ośmie­szyć swo­jego nie­daw­nego współp­ra­cow­nika, a także prze­ko­nać spo­łe­czeńs­two o wyi­ma­gi­no­wa­nym nie­bez­pie­czeńs­twie związa­nym z prądem zmien­nym. Twórca żarówki oka­zał się jed­nak hipo­krytą, ponie­waż po pew­nym cza­sie sam wdro­żył sys­tem Tesli oszu­ku­jąc go i nie wypła­ca­jąc mu jego należn­o­ści.

Wyna­lazca wiele eks­pe­ry­men­to­wał z prądem zmien­nym i zja­wi­skiem jego trans­for­ma­cji. Dla­tego jed­nym z jego osiągnięć były różne typy trans­for­ma­to­rów z trans­for­ma­to­rem rezo­nan­so­wym na czele (nazwa­nym późn­iej jego nazwi­skiem). Zacho­wały się foto­gra­fie przed­sta­wia­jące jego pra­cow­nię:

Ilustracja

źródło: http://upload.wiki­me­dia.org/wiki­pe­dia/com­mons/e/e5/Tesla_colo­rado_adju­sted.jpg, dostęp: 23.01.2015

Jak to zbu­do­wać?

Ist­nieje wiele typów trans­for­ma­tora Tesli. Tutaj przed­sta­wię budowę chyba naj­prost­szego i naj­bez­piecz­niej­szego z nich: uprosz­czo­nej jak to tylko możl­iwe SSTC czyli połp­rze­wod­ni­ko­wej cewki Tesli.

Pro­po­no­wane urządze­nie ma nie­wielką spraw­ność i należy je trak­to­wać jako nau­kową zabawkę, posia­da­jącą mimo wszystko walor edu­ka­cyjny. Ist­nieje oczy­wi­ście możl­i­wość budowy bar­dziej zaa­wan­so­wa­nych i spraw­niej­szych kon­struk­cji, ale wymaga to dużo więk­szej wie­dzy i umie­jęt­no­ści. Uwa­żam, że opi­sana kon­struk­cja może być bar­dzo przy­datna w dydak­tyce fizyki i elek­tro­niki.

Prze­gląda­jąc kie­dyś zagra­niczne strony inter­ne­towe o tema­tyce związa­nej z wyso­kim napięciem tra­fi­łem na taki oto sche­mat:

Ilustracja

Jak widzisz, sche­mat jest zadzi­wia­jąco pro­sty i jego wyko­na­nie nie powinno nastręczać trud­no­ści. W lewym gór­nym rogu widzimy spo­sób pod­łącze­nia cewek i ich para­me­try: moja cewka wtórna ma około 1000 zwo­jów drutu w ema­lii o śred­nicy 0,3mm na rurze z PCV, pozo­stałe dwa uzwo­je­nia są nawi­nięte dowol­nymi prze­wo­dami na innej, nieco szer­szej rurze z tego samego mate­riału. Wszyst­kie uzwo­je­nia muszą być nawi­nięte w tym samym kie­runku. Cewka wtórna powinna mie­ścić się wew­nątrz kor­pusu cewek pier­wot­nych.

Teraz kwe­stia ele­mentu klu­czo­wego czyli tran­zy­stora. Na sche­ma­cie jest to SU169, ale z jego zdo­by­ciem mogą być pro­blemy. Nie zała­muj się jed­nak! Zamiast niego można zasto­so­wać BU208, który można wyszar­pać z więk­szo­ści sta­rych kra­jo­wych i rosyj­skich tele­wi­zo­rów czarno-bia­łych. Wygląda on tak:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Jeśli wydaje Ci się, że BU208 jest toporny to muszę przy­znać Ci rację. Rosyj­skim wyro­bom z tam­tych lat można zarzu­cić brak wyra­fi­no­wa­nia, ale jed­no­cze­śnie trzeba przy­znać, że naprawdę pro­du­ko­wano je z myślą by pra­co­wały przez lata, często w ciężk­ich warun­kach. Ten tran­zy­stor jest naprawdę potężny i nie bun­tuje się prze­ciwko potrak­to­wa­niu go jako ele­mentu napędza­jącego naszą cewkę Tesli.

Na tym ele­men­cie w cza­sie pracy może się wydzie­lać duża ilość cie­pła, dla­tego naj­le­piej zasto­so­wać alu­mi­niowy radia­tor o odpo­wied­nich wymia­rach. Ja zasto­so­wa­łem alu­mi­niową ksz­tałtkę oraz dodat­kowy radia­tor z wen­ty­la­tor­kiem.

Układ można zbu­do­wać na płytce dru­ko­wa­nej, ale ja uzna­łem, że przy takiej małej licz­bie ele­men­tów wystar­czy odpo­wied­nio nawier­cona płytka z presz­panu. Połącze­nia między ele­men­tami zostały wyko­nane pod spo­dem płytki:

Ilustracja: widok z przodu

widok z przodu

Po pra­wej widać frag­ment radia­tora z wen­ty­la­to­rem, na ściance z alu­mi­nium widać elek­trody tran­zy­stora, przy­kręco­nego do niej z dru­giej strony:

Ilustracja: teraz z tyłu

teraz z tyłu

Całość została przy­kręcona do nie­wiel­kiej deseczki. Umie­ści­łem na niej także zasi­lacz impul­sowy pocho­dzący ze sta­rego ska­nera. Dostar­cza on napięcia 30V/1,5A do zasi­la­nia trans­for­ma­tora. Dodat­kowo pod­łączy­łem sta­bi­li­za­tor napięcia mający dostar­czyć napięcie zasi­la­nia do wen­ty­la­tora chło­dzącego radia­tor.

Ilustracja: rzut oka na całość

rzut oka na całość

Następ­nie nalezy pod­łączyć cewkę nawie­niętą według poda­nych poprzed­nio zasad. Moja wygląda mniej więcej tak:

Ilustracja: cewka

cewka

Jeśli zbu­do­wa­li­śmy już całość to możemy włączyć zasi­la­nie. Dzia­ła­nie możemy spraw­dzić zbli­ża­jąc do cewki świe­tlówkę: powinna świe­cić jasno już w pew­nej odle­gło­ści. Na gór­nym, wol­nym zaci­sku cewki pojawi się fio­le­towe iskrze­nie, zbli­ża­jąc do niego meta­lowy przed­miot trzy­many w dłoni zau­wa­żymy fio­le­towe wyła­do­wa­nia (bez­pieczne). Zbli­ża­jąc do cewki zwy­kłe żarówki różn­ych typów możemy zaob­ser­wo­wać piękne wyła­do­wa­nia spo­wo­do­wane joni­za­cją gazu pod wpły­wem sil­nego pola elek­tro­ma­gne­tycz­nego. Kolor świe­ce­nia zależy od gazu wypełn­ia­jącego żarówkę. Poni­żej przed­sta­wiam kilka zdjęć zacho­dzących wyła­do­wań (w różn­ych typach żarówek prócz ostat­niego, w tym wypadku jest to lampa neo­nowa) jakie udało mi się otrzy­mać:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Żarówka ener­go­osz­czędna trzy­mana w dłoni świeci się w przy­padku mojej cewki już w odle­gło­ści ponad 0,5m od niej. Poni­żej przed­sta­wiam fil­mik uka­zu­jący zabawę z tym nie­co­dzien­nym urządze­niem. Jakość obrazu jest nie­stety dosyć słaba ponie­waż zdjęcia musiały być pro­wa­dzone w ciem­no­ści, tak aby było dobrze widać poświatę gazu w żarów­kach (apa­rat nie­stety nie oddaje dobrze barwy poświaty, w rze­czy­wi­sto­ści była ona taka jak na zdjęciach pow­żej). Czer­wony kolor pocho­dzi od lampy ciem­nio­wej, którą włączy­łem by cokol­wiek widzieć.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa

Marek Ples

Aa