No ensino médio, fomos informados sobre corrente elétrica e ímãs. Dizia-se que um campo elétrico constante gera um campo magnético constante e um campo elétrico alternado cria um campo magnético alternado. Nós assentimos juntos, anotamos em um caderno e fomos para casa, esquecendo o tópico da lição ao longo do caminho. Não sabíamos como são esses campos, como a eletricidade funciona e onde esse conhecimento pode ser aplicado.
Se houvesse um lugar em que esses princípios fossem claramente demonstrados, talvez alguns de nós se lembrassem do que os professores diziam e experimentassem a ciência. Foi assim que pensamos quando começamos a construir uma sala de alta energia.
Cuidado - muitas fotos interessantes sob o corte.
Sobre o LandauCenter
High Energy Room é um projeto educacional para crianças. O lançamos no primeiro centro ucraniano de ciências interativas de toda a universidade - o “LandauCenter” da Universidade Nacional V.N. Karazin Kharkiv.
O LandauCenter está localizado no edifício norte do KNU - um edifício pré-guerra que anteriormente abrigava a Academia de Engenharia de Rádio e Rádio Defesa Militar L. A. Govorov. Em 2004, a academia foi reorganizada e o prédio foi transferido para a Universidade Karazin. Em 2013, no 1º andar da ala direita, várias instalações foram alocadas para a criação do Centro da Universidade de Landau. Mais tarde, após um início de trabalho bem-sucedido em 2014, o centro recebeu várias salas de aula no 2º andar e porões.
O LandauCenter é uma reminiscência de muitos centros científicos europeus: o Copernicus de Varsóvia, o Experimento de Gdansk ou o Tartu AXAA. Tais centros têm objetivos comuns. Um deles é ensinar ciências de maneira lúdica. Por exemplo, no LandauCenter, as crianças tentam levantar um peso de 32 kg no ombro curto e longo da alavanca e entendem: se você aumentar o ombro o suficiente, poderá desenvolver qualquer esforço. Até os antigos egípcios usavam a alavanca de Arquimedes para mover peças de mármore.
Todas as exposições são criadas por funcionários e estudantes universitários com as próprias mãos. Assim, o salão principal no primeiro andar foi preenchido gradualmente; portanto, para o nosso projeto, escolhemos uma das salas gratuitas no segundo.
Sobre a equipe
Dois arquitetos, três construtores, dois consultores de física, dois eletricistas, um coordenador e muitas pessoas que não são indiferentes à ciência trabalharam no projeto.
Os arquitetos fizeram o design e as representações da sala. Os construtores deram vida ao projeto em cerca de seis meses. Os físicos construíram a “Escada de Jacob” e a maior bobina de Tesla na Ucrânia. Os eletricistas ajudaram na fiação e na implementação do sistema de inicialização desses dispositivos. O coordenador fez o trabalho transcorrer sem problemas e sem métodos regulares de valeriana.
Planejamento
Pensávamos que poderíamos usar uma das salas vazias do centro para um projeto interessante que interessaria às crianças com ciência e tecnologia. Mas eles não sabiam o que especificamente poderia ser implementado. Eu queria fazer algo útil, mas ao mesmo tempo espetacular, como a sala Ames ou a sala RGB.
Os cientistas do LandauCenter sempre sonhavam em construir uma grande bobina de Tesla. Eles disseram que têm uma mini bobina e fizeram uma pequena demonstração. Nós realmente gostamos e decidimos implementar essa idéia.
No início de 2016, chegamos ao LandauCenter para inspecionar e medir as instalações novamente.
A sala não era adequada para o nosso projeto: o teto falso de plástico podia pegar fogo facilmente, era muito claro, as paredes tinham que ser colocadas em ordem - remova a camada de revestimento e, possivelmente, faça uma nova.
Para que os visitantes se interessem, você precisa dar a eles a oportunidade de usar os aparelhos - mas para que não haja perigo para a vida e a saúde deles. Consultamos arquitetos e físicos e decidimos dividir a sala em 2 zonas: para visitantes e exposições.
Decidimos que a área de visitantes acomodaria 25 pessoas. Por segurança, dividimos as zonas com uma gaiola de Faraday. Vamos posicioná-lo para que ele caia em um campo elétrico externo emitido por dispositivos.
Uma célula de Faraday funciona assim: elétrons livres se movem ao redor dela e se concentram de uma certa maneira. Devido a isso, os lados opostos da célula recebem cargas diferentes, o que cria um novo campo direcionado oposto ao externo. Como resultado, a carga é compensada e está ausente dentro da célula - ou seja, a célula absorve completamente as ondas eletromagnéticas da bobina.
Além da gaiola, isolamos a segunda zona dos visitantes com vidro, sobre o qual falaremos mais adiante. Ele terá uma bobina de Tesla, a escada de Jacob, várias lâmpadas fluorescentes e um grande ventilador.
Agora tínhamos as plantas e começamos a construção.
Decidimos deixar a palavra. Eles queriam que a sala se parecesse com um público universitário e entregasse o projeto no prazo. Eles removeram a camada superior de madeira juntamente com o verniz antigo e cobriram com um novo.
As descargas elétricas são melhor visualizadas no escuro. Decidimos repelir o gesso em tijolo e depois pintar as paredes e o teto de preto.
Aqui está o que parecia na renderização:
Felizmente, as paredes estavam em boas condições.
Testando tinta preta. Parece bom:
O que aconteceu no final:
Trabalho
Enquanto os construtores desmontaram a última massa, os físicos do LandauCenter montaram a bobina de Tesla e a escada de Jacob.
Nikola Tesla patenteou a bobina em 1891. Desde então, seu design não mudou muito. Você pode criar uma versão simples do transformador a partir deste vídeo:
Físicos de Landau discutem sobre o circuito primário da bobina:
Agora vamos ver como o
transformador Tesla funciona:
Existe uma fonte de tensão - 220 volts. A corrente é fornecida através de uma lâmpada incandescente de 200 watts, que serve como um resistor limitador de corrente. Se não houvesse luz, quando a bobina de Tesla fosse ligada, os disjuntores seriam nocauteados.
A corrente vai para 4 transformadores. Eles estão localizados em um recipiente de plástico e preenchidos com óleo de motor sintético. O óleo é dielétrico e protege contra falhas elétricas, além de esfriar os transformadores durante a operação.
Na saída dos transformadores, temos 8.400 volts. A corrente fecha através do espaço de ar entre os dois contatos que giram no motor.
Quando o motor está funcionando, os contatos se fecham e um circuito oscilante é formado. O enrolamento primário tem uma indutância, e os capacitores nos quais a energia é acumulada têm uma capacitância.
Depois disso, uma corrente com frequência acima de 200 kilohertz começa a ressoar no circuito primário e parte da energia é absorvida pelo enrolamento secundário.
Como resultado, obtemos a maior bobina da Ucrânia e quase meio milhão de volts. Para uma altura de bobina de 80 centímetros, um resultado decente. Mas causar qualquer meteorito de Tunguska, isso, é claro, não é suficiente.
"Escadaria de Jacob" é de 2 eletrodos de cobre, cada um com 2 metros de comprimento. A corrente de alta tensão também flui através deles - cerca de 18.000 volts. Entre os eletrodos, há uma quebra de ar e um arco elétrico que sobe.
Um arco elétrico no ar se transforma em plasma, cuja temperatura é de 5000 º. O ar quente é mais leve que o frio; portanto, devido à convecção, ele se eleva, arrastando um arco junto com ele. Quando o arco atinge o maior espaço entre os eletrodos, ele quebra. No mesmo momento, uma nova descarga de arco é iniciada na parte inferior dos eletrodos e o processo se repete.
Na foto “Jacob's Ladder” à direita:
É chamada de "Escada de Jacó" por causa das fileiras que se assemelham a degraus. Esta é uma referência à história bíblica do patriarca Jacó, que em um sonho viu uma escada que levava ao céu.
"Escadaria" consiste em:
- Os dois arcos que são montados no topo da gaiola de Faraday através de isoladores.
- Quatro transformadores de néon. Eles não estão em óleo, como na bobina de Tesla, mas são preenchidos com resina epóxi sólida na fábrica.
- Placas de controle de inicialização.
Teste
Os especialistas do LandauCenter concluíram os instrumentos 2 meses antes da abertura. As exposições futuras tiveram que ser cuidadosamente verificadas.
A corrente da bobina tem um efeito de pele - a eletricidade passa sobre a superfície da pele e não prejudica a pessoa de forma alguma. Ainda assim, decidimos colocar uma tela de proteção de vidro em frente à gaiola de Faraday. Um nível extra de proteção não prejudicará: quando os visitantes da sala são crianças, é melhor jogar com segurança.
Os construtores terminaram o acabamento e instalaram a grade. Pensamos no cronograma de trabalho das exposições. Paramos com o fato de que a bobina e a "Escada" funcionarão por cerca de um minuto e depois serão desligadas por quase 5 minutos. Isso ajudará a evitar o desgaste de transformadores e outros componentes. E um funcionário do centro neste momento dirá aos visitantes sobre eletricidade - ou fará uma pausa.
As exposições são ativadas por botões localizados nas proteções próximas à gaiola de Faraday. Em um escudo, há um botão para o carretel, no outro, para a “Escada”. As crianças o tempo todo se esforçam para pressionar os botões, enquanto o funcionário do centro não olha. Mas após o final da sessão de exposições, pressionar o botão não produzirá nada. Quando o aparelho estiver pronto para iniciar novamente, as luzes acima das proteções acendem. Se eles são verdes, você pode ter um show novamente!
Depois de trabalhar as bobinas na sala, é muito fácil respirar, como se tivesse saído após uma tempestade. Isso se deve ao fato de que, após a descarga do raio, muito ozônio é formado. Em grandes quantidades, o ozônio pode causar dores de cabeça; portanto, um extrato trabalha constantemente na sala.
Instalamos a gaiola de Faraday e começamos a instalar um vidro protetor que ajudará a combater a superabundância de ozônio. Na foto é claramente visível.
A operação da bobina e da escada é absolutamente segura. Mas há exceções: quando a bobina está funcionando, pessoas com marca-passos e aparelhos auditivos não devem estar na sala. O campo magnético gerado pela bobina afeta a operação desses dispositivos - eles podem começar a falhar.
O descarregador de bobina de Tesla é muito barulhento. A equipe do centro comprou dezenas de fones de ouvido com isolamento de ruído para que as crianças se sintam confortáveis.
A bobina de Tesla incluída possui um forte campo eletromagnético. A lâmpada fluorescente ao lado começará a brilhar. Consertamos várias dessas lâmpadas na gaiola de Faraday.
Descoberta
No dia 5 de janeiro, a sala se abriu para todos os participantes.
Agora, os funcionários do LandauCenter realizam palestras interativas e explicam claramente como a eletricidade funciona. Por exemplo, eles dizem por que você não pode andar em uma área aberta em uma tempestade. Um forte campo eletromagnético aparece na superfície da terra. A tensão desse campo é muito alta perto de condutores afiados: árvores, torres de televisão, pára-raios, uma pessoa solitária nas estepes. Portanto, um raio pode atingi-los.
Para demonstrar isso, colocamos um cabide na gaiola de Faraday, que se encarrega da bobina.
A Plarium é uma empresa técnica e queremos popularizar a tecnologia de qualquer maneira possível. No ano passado, eles realizaram uma série de eventos para desenvolvedores do uDev, e este ano abriram uma sala de alta energia junto com o LandauCenter. Estamos convencidos de que só é possível interessar às pessoas através de sua própria experiência. Que a ciência e a tecnologia levem a humanidade adiante, mesmo que ela resista fortemente e ainda esteja fabricando chá com as caldeiras da avó.
Experimente e aprenda coisas novas. Afinal, Tesla disse: "A ação até da menor criatura leva a mudanças em todo o universo".