Spiral Spiral Tesla: 14 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:13

Ky është një mësim se si të ndërtoni një spirale Spark Gap Tesla me një fustan kafaz Faraday.

Ky projekt më mori mua dhe ekipit tim (3 studentë) 16 ditë pune, kushton rreth 500 dollarë, do t'ju siguroj që nuk do të funksionojë që herën e parë:), pjesa më e rëndësishme është që ju duhet të kuptoni të gjithë teorinë prapa dhe dini si të silleni me komponentët që zgjidhni.

Në këtë udhëzues, unë do t'ju përcjell të gjithë teorinë prapa, koncepteve, formulave, një ndërtim hap pas hapi për të gjitha pjesët. Nëse doni të ndërtoni mbështjellje më të vogla ose më të mëdha, koncepti dhe formula do të jenë të njëjta.

Kërkesat për këtë projekt:

- Njohuri në: Pajisje elektrike, elektronike, elektromagnetike dhe laboratorike

- Osciloskop

- Transformatori Neon Sign; 220V deri në 9kV

- Kondensatorë të tensionit të lartë

- Kabllo bakri ose tuba bakri

- Druri për të ndërtuar shasinë tuaj

- Tub PVC për spiralen dytësore

- Tub fleksibël metalik për Toroid

- Një ventilator i vogël elektrik 220V për hendekun e shkëndijës

- Letra alumini dhe rrjetë për fustanin e kafazit Faraday

- Tela të izoluar për sekondarin

- Llamba neoni

- Rregullatori i Tensionit nëse nuk keni një 220VAC të qëndrueshëm

- Lidhja me tokën

- Shumë durim

Hapi 1: Hyrje në Spiral Spiral Tesla Spil

Një spirale Tesla është një transformator rezonant që përmban një qark LC parësor dhe sekondar. Të dizajnuara nga shpikësi Nikola Tesla në 1891, të dy qarqet LC janë të lidhura lirshëm së bashku. Fuqia furnizohet në qarkun kryesor përmes një transformatori të rritjes, i cili ngarkon një kondensator. Përfundimisht, tensioni në kondensator do të rritet mjaftueshëm për të shkurtuar një hendek shkëndijë. Kondensatori do të shkarkohet përmes hendekut të shkëndijës dhe në spiralen primare. Energjia do të lëkundet përpara dhe prapa midis kondensatorit parësor dhe induktorit të spirales primare në frekuenca të larta (zakonisht 50 kHz- 2 MHz). Spiralja parësore lidhet me një induktor në qarkun sekondar, të quajtur spirale sekondare. Bashkangjitur në krye të spirales dytësore është një ngarkesë e lartë që siguron kapacitet për qarkun LC dytësor. Ndërsa qarku primar luhatet, fuqia nxitet në spiralen dytësore ku tensioni shumëfishohet shumë herë. Një fushë e tensionit të lartë, e rrymës së ulët zhvillohet rreth ngarkesës së lartë dhe harqeve të shkarkimit të rrufesë në një shfaqje të ëmbël të mrekullisë. Qarqet primare dhe sekondare LC duhet të luhaten në të njëjtën frekuencë për të arritur transferimin maksimal të fuqisë. Qarqet në spirale zakonisht "akordohen" në të njëjtën frekuencë duke rregulluar induktancën e spirales primare. Spiralet Tesla mund të prodhojnë tensione dalëse nga 50 kilovolt në disa milion volt për mbështjellje të mëdha.

Hapi 2: Teoria

Ky seksion do të mbulojë teorinë e plotë të funksionimit të një spiraleje konvencionale Tesla. Ne do të konsiderojmë se qarqet parësore dhe dytësore janë qarqe RLC me rezistencë të ulët, e cila përputhet me realitetin.

Për arsyet e lartpërmendura, rezistenca e brendshme e përbërësit nuk përfaqësohet. Ne gjithashtu do të zëvendësojmë transformatorin e kufizuar nga rryma. Kjo nuk ka ndikim në lidhje me teorinë e pastër.

Vini re se disa pjesë të qarkut sekondar janë tërhequr në vija me pika. Kjo ndodh sepse ato nuk janë drejtpërdrejt të dukshme në aparat. Lidhur me kondensatorin sekondar, ne do të shohim që kapaciteti i tij shpërndahet në të vërtetë, ngarkesa e lartë është vetëm "një pllakë" e këtij kondensatori. Lidhur me hendekun sekondar të shkëndijës, ai tregohet në skemë si një mënyrë për të përfaqësuar se ku do të zhvillohen harqet.

Ky hap i parë i ciklit është ngarkimi i kondensatorit kryesor nga gjeneratori. Supozojmë se frekuenca e tij është 50 Hz. Për shkak se gjeneratori (NST) është i kufizuar nga rryma, kapaciteti i kondensatorit duhet të zgjidhet me kujdes, kështu që do të ngarkohet plotësisht në saktësisht 1/100 sekonda. Në të vërtetë, tensioni i gjeneratorit ndryshon dy herë në një periudhë, dhe në ciklin tjetër, ai do të rimbushë kondensatorin me polaritet të kundërt, i cili nuk ndryshon absolutisht asgjë në funksionimin e spirales Tesla.

Kur kondensatori është plotësisht i ngarkuar, hendeku i shkëndijës ndizet dhe prandaj mbyll qarkun parësor. Duke ditur intensitetin e fushës elektrike të prishjes së ajrit, gjerësia e hendekut të shkëndijës duhet të vendoset në mënyrë që të ndizet saktësisht kur voltazhi në kondensator arrin vlerën e tij kulmore. Roli i gjeneratorit përfundon këtu.

Tani kemi një kondensator të ngarkuar plotësisht në një qark LC. Rryma dhe voltazhi kështu do të luhaten në frekuencën rezonante të qarqeve, siç ishte demonstruar më parë. Kjo frekuencë është shumë e lartë në krahasim me frekuencën e rrjetit, përgjithësisht midis 50 dhe 400 kHz.

Qarqet parësore dhe sekondare janë të lidhura magnetikisht. Lëkundjet që ndodhin në parësore do të nxisin kështu një forcë elektromotore në sekondare. Ndërsa energjia e primarit derdhet në sekondar, amplituda e lëkundjeve në primare gradualisht do të ulet ndërsa ato të sekondarit do të amplifikohen. Ky transferim i energjisë bëhet përmes induksionit magnetik. Konstanta e bashkimit k midis dy qarqeve mbahet me qëllim të ulët, në përgjithësi midis 0.05 dhe 0.2.

Lëkundjet në primare do të veprojnë kështu pak si një gjenerator i tensionit AC i vendosur në seri në qarkun sekondar.

Për të prodhuar tensionin më të madh të daljes, qarqet e akorduara parësore dhe dytësore rregullohen në rezonancë me njëri -tjetrin. Meqenëse qarku sekondar zakonisht nuk është i rregullueshëm, kjo në përgjithësi bëhet nga një trokitje e lehtë e rregullueshme në spiralen primare. Nëse të dy mbështjelljet do të ishin të ndara, frekuencat rezonante të qarqeve parësore dhe dytësore do të përcaktoheshin nga induktiviteti dhe kapaciteti në secilin qark

Hapi 3: Shpërndarja e kapacitetit brenda qarkut sekondar

Kapaciteti sekondar C është me të vërtetë i rëndësishëm për ta bërë spiralen tesla të funksionojë, kapaciteti i spirales dytësore është i nevojshëm për llogaritjet e frekuencës së rezonimit, nëse nuk i merrni parasysh të gjithë parametrat nuk do të shihni një shkëndijë. Ky kapacitet përbëhet nga shumë kontribute dhe është e vështirë të llogaritet, por ne do të shikojmë përbërësit kryesorë të tij.

Ngarkesa e lartë - Tokë.

Pjesa më e lartë e kapacitetit dytësor vjen nga ngarkesa e lartë. Në të vërtetë, ne kemi një kondensator "pllakat" e të cilit janë ngarkesa e lartë dhe toka. Mund të jetë e habitshme që ky është me të vërtetë një kondensator pasi këto pllaka janë të lidhura përmes spirales dytësore. Sidoqoftë, rezistenca e tij është mjaft e lartë, kështu që në fakt ekziston një ndryshim mjaft i mundshëm midis tyre. Ne do ta quajmë Ct këtë kontribut.

Kthesat e spirales dytësore.

Kontributi tjetër i madh vjen nga spiralja dytësore. Shtë bërë nga shumë kthesa ngjitur me tela bakri të emaluar dhe induktiviteti i tij shpërndahet përgjatë gjatësisë së tij. Kjo nënkupton se ka një ndryshim të vogël potencial midis dy kthesave ngjitur. Ne pastaj kemi dy përçues në potencial të ndryshëm, të ndarë nga një dielektrik: një kondensator, me fjalë të tjera. Në fakt, ekziston një kondensator me çdo palë tela, por kapaciteti i tij zvogëlohet me distancën, prandaj kapaciteti vetëm midis dy kthesave ngjitur mund të konsiderohet një përafrim i mirë.

Le ta quajmë Cb kapacitetin total të spirales dytësore.

Në fakt, nuk është e detyrueshme të kesh një ngarkesë të lartë në një spirale Tesla, pasi çdo spirale dytësore do të ketë kapacitetin e vet. Sidoqoftë, ajo ngarkesë e lartë është vendimtare për të pasur shkëndija të bukura.

Do të ketë kapacitet shtesë nga objektet përreth. Ky kondensator formohet nga ngarkesa e lartë në njërën anë dhe objektet përcjellëse (muret, tubacionet hidraulike, mobiljet, etj.) Nga ana tjetër.

Ne do të emërojmë kondensatorin e këtyre faktorëve të jashtëm Ce.

Meqenëse të gjithë këta "kondensatorë" janë paralelisht, kapaciteti i përgjithshëm i qarkut sekondar do të jepet nga:

Cs = Ct + Cb + Ce

Hapi 4: Konceptimi dhe Ndërtimi

Në rastin tonë, ne përdorëm një rregullator automatik të tensionit për të ruajtur hyrjen e tensionit për NST në 220V

Dhe përmban një filtër të ndërtuar në linjë AC (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Në Japoni-Model AVR-2)

Ky instrument mund të gjendet në makinat me rreze X ose të blihet direkt nga tregu.

Transformatori i tensionit të lartë është pjesa më e rëndësishme e spirales aTesla. Simplyshtë thjesht një transformator induksioni. Roli i tij është të ngarkojë kondensatorin kryesor në fillim të çdo cikli. Përveç fuqisë së tij, qëndrueshmëria e tij është shumë e rëndësishme pasi duhet të përballojë kushte të mrekullueshme të funksionimit (ndonjëherë është i nevojshëm një filtër mbrojtës).

Transformatori i shenjave neoni (NST) të cilin ne po e përdorim për spiralen tonë tesla, karakteristikat (vlerat e rms) janë si më poshtë:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Rryma e daljes është, në fakt, 25mA, 30mA është kulmi i cili zbret në 25 mA pas fillimit.

Tani mund të llogarisim fuqinë e tij P = V I, e cila do të jetë e dobishme për të vendosur dimensionet globale të spirales Tesla, si dhe një ide të përafërt të gjatësisë së shkëndijave të saj.

P = 225 W (për 25 mA)

NST Pengesë = NST Vout ∕ NST Iout = 9000/ 0.25 = 360 KΩ

Hapi 5: Qarku Fillor

Kondensatori:

Roli i kondensatorit parësor është të ruajë një sasi të caktuar të ngarkesës për ciklin e ardhshëm, si dhe të formojë një qark LC së bashku me induktorin kryesor.

Kondensatori kryesor është bërë zakonisht nga disa duzina kapakësh të lidhur në një seri / konfigurim paralel të quajtur një Kondensator Multi-Mini (MMC)

Kondensatori primar përdoret me spiralen primare për të krijuar qarkun LC primar. Një kondensator me madhësi rezonante mund të dëmtojë një NST, prandaj një kondensator me madhësi më të madhe se rezonati (LTR) rekomandohet fuqimisht. Një kondensator LTR gjithashtu do të japë fuqinë më të madhe përmes spirales Tesla. Boshllëqet e ndryshme parësore (rrotulluese statike kundrejt sinkronizimit) do të kërkojnë kondensatorë parësorë me madhësi të ndryshme.

Cres = Kapaciteti Rezonant Primar (uF) = 1 ∕ (2 * π * Rezistenca NST * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = Kapaciteti statik më i madh se rezonancë (LTR) (uF) = Kapaciteti rezonant primar × 1.6

= 14.147nF

(kjo mund të ndryshojë paksa nga një përafrim me një tjetër, koeficienti i rekomanduar 1.6-1.8)

Ne përdorëm një kondensator 2000V 100nF, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 Kondensatorë. Pra, për saktësisht 9 kapele kemi Ceq = 0.0111uF = kapacitet MMC.

Mendoni për lidhjen e rezistencës me fuqi të lartë, 10MOh paralelisht me secilin kondensator për siguri.

Induktiviteti:

Roli i induktorit primar është të krijojë një fushë magnetike që do të injektohet në qarkun sekondar, si dhe formimin e një qarku LC me kondensatorin parësor. Ky komponent duhet të jetë në gjendje të transportojë rrymë të rëndë pa humbje të tepërta.

Gjeometri të ndryshme janë të mundshme për spiralen primare. Në rastin tonë, ne do të përshtatim spiralen e sheshtë të arkimuar si një spirale primare. Kjo gjeometri natyrisht çon në një bashkim më të dobët dhe zvogëlon rrezikun e harkimit në primar: prandaj preferohet në spirale të fuqishme. Sidoqoftë, është mjaft e zakonshme në mbështjelljet me fuqi më të ulët për lehtësinë e ndërtimit. Rritja e bashkimit është e mundur duke ulur spiralen sekondare në parësore.

Le të jetë W gjerësia e spirales e dhënë nga W = Rmax - Rmin dhe R rrezja e saj mesatare, dmth R = (Rmax + Rmin)/2, të dyja të shprehura në centimetra. Nëse spiralja ka kthesa N, një formulë empirike që jep induktancën e saj L në mikrohenri është:

Lflat = (0.374 (NR)^2)/(8R+11W).

Për formën e helikës Nëse e quajmë R rrezen e spirales, H lartësinë e saj (të dy në centimetra) dhe N numrin e saj të kthesave, një formulë empirike që jep induktancën e saj L në mikrohenri është: Lehike = (0.374 (NR)^2) /(9R+10H).

Këto janë shumë formula që mund të përdorni dhe kontrolloni, ato do të japin rezultate të afërta, mënyra më e saktë është përdorimi i oshiloskopit dhe matja e përgjigjes së frekuencës, por formulat janë gjithashtu të nevojshme për ndërtimin e spirales. Ju gjithashtu mund të përdorni softuer simulimi si JavaTC.

Formula 2 për formë të sheshtë: L = [0.25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

ku N: numri i kthesave, W: diametri i telit në inç, S: ndarja e telit në inç, D1: diametri i brendshëm në inç

Të dhënat hyrëse të spirales sime Tesla:

Rrezja e brendshme: 4.5 inç, 11.2 kthesa, 0.25 inç distancë, diametri i telit = 6 mm, rrezja e jashtme = 7.898 inç.

L duke përdorur Formulën 2 = 0.03098mH, nga JavaTC = 0.03089mH

Prandaj, frekuenca parësore: f1 = 271.6 KHz (L = 0.03089 mH, C = 0.0111MFD)

Përvoja laboratorike (akordimi i frekuencës parësore)

dhe kemi marrë rezonancë në 269-271KHz, të cilat verifikojnë llogaritjen, shih Figurat.

Hapi 6: Spark Gap

Funksioni i hendekut të shkëndijës është të mbyllë qarkun LC primar kur kondensatori është i ngarkuar mjaftueshëm, duke lejuar kështu lëkundje të lira brenda qarkut. Ky është një komponent i rëndësisë kryesore në një spirale Tesla sepse frekuenca e mbylljes/hapjes së tij do të ketë një ndikim të konsiderueshëm në prodhimin përfundimtar.

Një hendek ideal i shkëndijës duhet të ndizet pikërisht kur voltazhi në kondensator është maksimal dhe rihapet pikërisht kur bie në zero. Por kjo natyrisht nuk është kështu në një hendek të vërtetë shkëndijë, ndonjëherë nuk ndizet kur duhet ose vazhdon të ndizet kur tensioni tashmë është zvogëluar;

Për projektin tonë, ne përdorëm një hendek statik të shkëndijës me dy elektroda sferike (të ndërtuara duke përdorur dy doreza sirtari) të cilat i projektuam me dorë. Dhe mund të rregullohet me dorë edhe duke rrotulluar kokat sferike.

Hapi 7: Qarku Sekondar

Spirale:

Funksioni i spirales dytësore është të sjellë një komponent induktiv në qarkun LC sekondar dhe të mbledhë energjinë e spirales primare. Ky induktor është një solenoid me ajër, në përgjithësi ka midis 800 dhe 1500 kthesa ngjitur ngushtë ngjitur. Për të llogaritur numrin e kthesave që janë plagosur, kjo formulë e shpejtë do të shmangë një punë të caktuar të ashpër:

Matësi i telave 24 = 0.05 cm, diametri PVC 4 inç, numri i kthesave = 1100 kunja, lartësia e nevojshme = 1100 x 0.05 = 55 cm = 21.6535 inç. => L = 20.853 mH

ku H është lartësia e spirales dhe d diametri i telit të përdorur. Një parametër tjetër i rëndësishëm është gjatësia l që na nevojitet për të bërë të gjithë spiralen.

L = µ*N^2*A/H. Ku μ përfaqëson përshkueshmërinë magnetike të mediumit (≈ 1.257 · 10−6 N/A^2 për ajrin), N numrin e kthesave të solenoidit, H lartësinë e tij të përgjithshme dhe A zonën e një kthesë.

Ngarkesa kryesore:

Ngarkesa e lartë vepron si "pllaka" e sipërme e kondensatorit e formuar nga ngarkesa e lartë dhe toka. Shton kapacitet në qarkun LC dytësor dhe ofron një sipërfaqe nga e cila mund të formohen harqe. Actuallyshtë e mundur, në fakt, të drejtohet një spirale Tesla pa një ngarkesë të lartë, por performancat për sa i përket gjatësisë së harkut janë shpesh të dobëta, pasi shumica e energjisë shpërndahet midis kthesave të spirales dytësore në vend që të ushqejë shkëndijat.

Kapaciteti Toroid 1 = ((1+ (0.2781 - Diametri i unazës ∕ (Diametri i përgjithshëm))) × 2.8 × sqrt ((pi × (Diametri i përgjithshëm Di Diametri i unazës)) ∕ 4)

Kapaciteti Toroid 2 = (1.28 - Diametri i Unazës am Diametri i Përgjithshëm) × sqrt (2 × pi am Diametri i Unazës × (Diametri i Përgjithshëm - Diametri i Unazës))

Kapaciteti Toroid 3 = 4.43927641749 ((0.5 × (Diametri i Unazës × (Diametri i Përgjithshëm - Diametri i Unazës))) ^0.5)

Kapaciteti mesatar Toroid = (Kapaciteti Toroid 1 + Kapaciteti Toroid 2 + Kapaciteti Toroid 3) ∕ 3

Pra, për toroidin tonë: diametri i brendshëm 4”, diametri i jashtëm = 13”, distanca nga fundi i mbështjelljes sekondare = 5cm.

C = 13.046 pf

Kapaciteti dytësor i spirales:

Kapaciteti sekondar (pf) = (0.29 ight Lartësia e mbështjelljes së telave sekondare + (0.41 × (Diametri i formës dytësore ∕ 2)) + (1.94 × sqrt (((Diametri i Formës Sekondare ∕ 2) 3) ight Lartësia Dredha -dredha e Telave Sekondare))

Csec = 8.2787 pF;

Alsoshtë gjithashtu interesante të dini kapacitetin (parazitar) të spirales. Këtu edhe formula është e ndërlikuar në rastin e përgjithshëm. Ne do të përdorim vlerën e dhënë nga JAVATC ("Kapaciteti efektiv i shuntit" pa ngarkesë të lartë):

Cres = 6.8 pF

Prandaj, për qarkun sekondar:

Ctot = 8.27+13.046 = 21.316pF

Lsec = 20.853mH

Rezultatet e eksperimenteve laboratorike:

Shikoni fotot e mësipërme për procedurën e testimit dhe rezultateve të testimit.

Hapi 8: Akordimi i rezonancës

Vendosja e qarqeve primare dhe sekondare në rezonancë, që ata të ndajnë të njëjtën frekuencë rezonante është e një rëndësie parësore për funksionimin e mirë.

Përgjigja e një qarku RLC është më e forta kur drejtohet në frekuencën e tij tingëlluese. Në një qark të mirë RLC, intensiteti i përgjigjes bie ndjeshëm kur frekuenca e drejtimit largohet nga vlera tingëlluese.

Frekuenca jonë rezonante = 267.47 kHz.

Metodat e akordimit:

Akordimi në përgjithësi bëhet duke rregulluar induktancën parësore, thjesht sepse është komponenti më i lehtë për tu modifikuar. Meqenëse ky induktor ka kthesa të gjera, është e lehtë të modifikosh vetë-induktancën e tij duke trokitur lidhësin përfundimtar në një vend të caktuar në spirale.

Metoda më e thjeshtë për të arritur këtë rregullim është me anë të provës dhe gabimit. Për këtë, dikush fillon të godasë primarin në një pikë gjoja afër atij rezonant, ndez spiralën dhe vlerëson gjatësinë e harkut. Pastaj spiralja goditet një e katërta e kthesës përpara/prapa dhe njëri rivlerëson rezultatin. Pas disa përpjekjeve, mund të vazhdoni me hapa më të vegjël dhe më në fund do të merrni pikën e përgjimit ku gjatësia e harkut është më e larta. Normalisht, kjo përgjim

pika do të caktojë vërtet induktancën parësore siç janë të dy qarqet në rezonancë.

Një metodë më e saktë do të përfshijë një analizë të përgjigjes individuale të të dy qarqeve (në konfigurimin e bashkuar, natyrisht, pra pa i ndarë fizikisht qarqet) me një gjenerator sinjali dhe një oshiloskop.

Vetë harqet mund të prodhojnë një kapacitet shtesë. Prandaj këshillohet që të vendosni frekuencën rezonante parësore pak më të ulët se ajo dytësore, në mënyrë që ta kompensoni këtë. Sidoqoftë, kjo vërehet vetëm me mbështjellje të fuqishme Tesla (të cilat mund të prodhojnë harqe më të gjatë se 1m).

Hapi 9: Tensioni në Shkëndijën Sekondare

Ligji i Paschen është një ekuacion që jep tensionin e prishjes, domethënë tensionin e nevojshëm për të filluar një shkarkim ose hark elektrik, midis dy elektrodave në një gaz në funksion të presionit dhe gjatësisë së hendekut.

Pa hyrë në llogaritjen e detajuar duke përdorur formulën komplekse, për kushte normale kërkon 3.3MV për të jonizuar 1m ajër midis dy elektrodave. Në rastin tonë ne kemi harqe rreth 10-13cm kështu që do të jetë midis 340KV dhe 440KV.

Hapi 10: Fustani i kafazit Faraday

Një kafaz Faraday ose mburoja Faraday është një rrethim i përdorur për të bllokuar fushat elektromagnetike. Një mburojë Faraday mund të formohet nga një mbulesë e vazhdueshme e materialit përcjellës ose në rastin e një kafazi Faraday, nga një rrjetë e materialeve të tilla.

Ne projektuam katër shtresa, kafaz të veshur me faraday të veshur siç tregohet në figurë (materialet e përdorura: Alumini, pambuku, lëkura). Mund ta provoni edhe duke futur celularin tuaj brenda, ai do të humbasë sinjalin, ose duke e vendosur para spirales tuaj tesla dhe vendosni disa llamba neoni brenda kafazit, ato nuk do të ndriçojnë, atëherë mund ta vendosni dhe ta provoni.

Hapi 11: Shtojcat dhe Referencat

Hapi 12: Ndërtimi i spirales primare

Hapi 13: Testimi i NST

Hapi 14: Ndërtimi i spirales primare