2016年，我受邀参加了一个项目，该项目为我的家乡的科学博物馆创建了一个功能强大的特斯拉线圈。 拒绝就是背叛他们的理想以及他们崇拜科学实验的孩子。 在削减的范围内，不仅要描述最终设备的设计，而且要介绍一下男性对科学的热爱，爱好者以及社会项目的诞生和实施方式。
背景知识
这是一个关于人的故事。 那些不喜欢有关人的故事的人可以放心地跳过此部分。
首先，介绍一下您自己。 我叫Artyom。 现在，我在一家私人公司担任设计师，但我是一名经过培训的物理学家，向孩子教授物理的方法是我的业余爱好。 关于这个主题，我已经发表了有关Geektimes的文章（
一和
二 ）。 四年前，我完全沉迷于科学，在我的祖国大学的物理教学方法实验室工作，为整个地区的教师进行了继续教育课程，共同主持了面向5岁以下儿童的青年物理学家小组，还担任过物理学老师，并开发了作者的论文。网站。
从那时起，第一次在乌克兰举行了科学野餐。 当大学，实验室，研究中心走到广场上，上面有物理展览，液氮，骨骼和人体模型，显微镜，望远镜，稀有昆虫和蝙蝠，这是一次普及科学的绝佳活动。 通常，每个人都会公开自己的工作以及其他人会感兴趣的事情。 当然，实验室，学校和我所工作的圈子都积极参加了科学野餐。
在那里我遇到了野餐的组织者之一-谢尔盖（Sergei）。 这个人梦想着为我们的城市建立一个科学博物馆，并说服我，如果您不放弃并保持活跃，那么一切都会奏效。
事情发生了，科学野餐取得了巨大的成功，在如此积极的结果的基础上，大学决定为谢尔盖的团队开绿灯，并慷慨地为博物馆分配了一些令人印象深刻的区域。
那可能是最浪漫的时刻。 在几乎没有资金的情况下，试图在一两个月内用毁坏的建筑物建造一个科学博物馆似乎是疯狂的。 但是谢尔盖并没有因此而灰心，他像陨石一样奔波，在地板上打了个洞，在没有用织物修补的情况下挂了墙，为以后的展品做了隔板和支撑。 谢尔盖表现出了惊人的决心和意志，以及出色的组织能力。 与许多其他实验室一样，我们的实验室通过演示设备和预算思想帮助了该项目，但展示得令人着迷。
博物馆安全开放，我和妻子和孩子们一起离开了黑山。 我在那里还组织了一个关于天文学和物理学的圈子，但是设计部门已经成为工作的主要场所。
去年我回到了乌克兰。 谢尔盖给我参观了这座翻新过的博物馆。 两年来，该博物馆进行了维修，多次扩大了展览的基础，并且在被占领的区域内有了显着的增长。 找到一个工作正常的演示设备–“光学平台”真是令人难以置信，该项目是在项目开始时用他们自己的双手组装的。
谢尔盖谈到了他希望为博物馆购买“特斯拉卷”的愿望，他不仅找到了卖家，而且还同意一家出色的“ X”公司赞助该项目，甚至设法筹集了资金。 但是，就在出售之前，卖方决定将价格提高一倍。 当然，就此完成了沟通。 而谢尔盖则处于令人羡慕的位置。
一段时间后，谢尔盖打电话给我，说他找到了一个已经收集了几个特斯拉小线圈的家伙，并准备尝试组装一个更大的线圈。 但是他需要机械师的帮助。 毫不夸张地说，我被邀请参加该项目，但没有拒绝的权利。
我们与这个“ teslaststroitel”举行了一次会议，顺便说一句，也称为Sergey。 很明显，他是某种怪异的人，对特斯拉的线圈产生了狂热，而修复的想法是一个很大的线圈。 但是，一旦我们开始讨论该项目，就会与所显示的图像不一致（在我看来，这里是“由我”插入的）。 对话者开始一致地阐述设备的设计，没有重复，也没有说多余的东西。 正确使用了所有物理术语，并对物理现象进行了正确的解释。 对所有问题的回答都明确而合乎逻辑。 事实证明，我正在与一所知名技术大学的一名适当的老师交流，他对特斯拉线圈非常感兴趣。
谢尔盖（Sergei）是谨慎行为这种宝贵品质的所有者。 为此，他立即赢得了深深的敬意。 他为工作场所准备了很长时间，并仔细地进行了准备，提前拿起了一个工具，并安排了自己，他总是，绝对总是，一丝不苟地进行所有联系。 如果急于建立不良连接，那么Sergey将保持沉默，然后静静地拿起并修复。 这样的谨慎似乎过分，但实际上它节省了大量时间。 确实，在整个工作期间，我们从未遇到错误组装的错误。 为了避免让Sergeyev感到困惑，以下我们将其称为Sergey A.和第一个-SergeyV。
什么是特斯拉线圈？
我请Sergey A.（线圈的作者）亲自介绍一下线圈。 本节中的整个文本属于他：
在19世纪末和20世纪初，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）使用不带铁磁芯的高压高频谐振变压器（空气变压器）进行了实验。 这种类型的变压器随后被称为特斯拉变压器或特斯拉线圈。
目前，特斯拉的变压器比那些具有一定范围的设备更适合喜欢DIY并希望收藏一些东西的人使用。 通常，在一种简单的设计中，可以组合许多物理现象。 此外，特斯拉线圈不会因放电而感到惊讶。
为什么需要特斯拉线圈？ 首先，出于教育目的。 毕竟，这里涵盖了许多主题：
- 在静电学中-学习理论，熟悉电气组件，阅读电路，学习如何使用万用表和使用电路仿真器，最后了解电感和电容之间的差异；
- 在动力学中-电振动，电压共振，能量转移，电离，等离子体的性质，电磁辐射的性质，电流对有生命的人的影响。
如果您想为设备无线充电，打动随机的陌生人并且喜欢被烧毁的电子产品或臭氧的气味，那么这是收集Tesla桌面线圈的机会，特别是因为它比约会便宜。
“制造特斯拉线圈是每个人至少应该做一次的事情” ©-某人。
第一个谐振变压器是由尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）于1891年制造的，实际上是无线电报。 操作原理很简单：有必要对一个大电容器进行高压充电，然后通过一个电感对其进行放电，该电感的作用是变压器的初级绕组，同时有必要使产生的振荡电路中的能量短路。
由于初级电路中电压的谐振，振荡的幅度将增加，而部分能量将被转移到变压器的次级绕组（其特征在于绕组之间的耦合系数），后者与金属环形线圈一起也形成了一个振荡电路。
此外，可以用类似于摆动秋千的方法来描述该过程：如果在正确的时间推动秋千，它们很快就会开始飞得很高，这就是特斯拉线圈出口处的电压。 当电压变得如此之高，以至于他的空气不再是绝缘体时，所有累积的能量就会形成放电或流光。
多年来，对Tesla变压器的设计进行了更改，由于这些原因，今天有几种设备拓扑具有相似的工作原理，但在组件级别上却有所不同。
SGTC （Spark Gap Tesla Coil）-火花隙上的Tesla变压器。 这是尼古拉·特斯拉本人使用的经典表演。 作为键元件，使用任意形状的两个触点，在它们之间发生放电。 建设性地仅包含6个元素，并且通常是第一次使用。 没错，在低功率版本中，您不必等待漂亮的放电，但请在远处点亮灯泡或欣赏冠状动脉的光芒。
这种拓扑的派生形式是ARSGTC （异步旋转火花隙特斯拉线圈）类型，其中将旋转电动机用作换向键，它闭合触点并迅速断开形成的电弧，从而可以在相对较小的输入功率下获得最大的放电长度。 这种类型是我们要重复的。
VTTC （特斯拉线圈真空管）-无线电管上的特斯拉变压器。 它需要在高阳极电压下工作，因此不建议初学者使用。
SSTC （固态特斯拉线圈）是一种特斯拉变压器，其中半导体组件用作按键。 最常见的用途是MOSFET或IGBT（不要与LGBT混淆）。 由于使用了现代的组件底座，可以通过使用外部信号源（例如音乐）调制雷电频率来轻松控制此类线圈。
DRSSTC （双谐振SSTC）-具有双谐振电路的特斯拉线圈。 拓扑结构比其前身要复杂得多，但这可以通过提高放电长度与次级绕组长度之比来抵消。
QCWDRSSTC （准连续波DRSSTC）是特斯拉线圈的一种变体，具有双谐振电路，但能够产生这种拓扑结构所特有的长直雷击，有时是次级绕组长度的10倍。
而且有特斯拉双极线圈，但在另一时间更多。
如您所见，特斯拉线圈具有任何“味道和颜色”，任何人都可以选择他们想要的东西。 近年来，市场已设法满足火腿和实验人员对特斯拉变压器不断增长的需求，现在，即使在速卖通上，也有套件可用于在家中组装工作设备。
并非作为广告，但值得一提的是一群热心的爱好者，他们于2013年初在Kickstarter上成立了公司（ 已按时提供），并且在成功筹集了必要的款项后，仍继续致力于OneTesla项目。 从本质上来说，它与其他项目的不同之处在于开放的文档和计划，任何人都可以按照说明使用DRSSTC拓扑结构在家里组装音乐卷轴。 在OneTesla网站的指导下，我为自己组装了第一个工作线圈。
最后，我要指出的是，制作特斯拉工作线圈非常简单，但是制作起来并不令人尴尬，它仍然非常昂贵且费时。
我们选择了“旧学校”
对于数字爱好者-Sergey A对我们的展览的简要技术说明。
要操作特斯拉线圈，您需要高压电源，并且为了节省缠绕自己的变压器的时间，决定使用现成的变压器。 因此，电源电路中包含4个与中点串联的微波炉变压器，将220伏主电源转换为8600伏。
为了确保其冷却并避免匝间故障，所有4个变压器均浸入合成机油中。
作为工作电容，使用了9个串联电容器（MMC）的5个分支的电池，即45个容量为0.1μF，电压为2 kV的电容器给出了55 nF的容量和18 kV的电压。 并使用口径为8 AWG的换向线，即直径为6.35 mm的铜管作为6½匝的初级绕组。 在直径为10 cm的通风管上，使用1000匝横截面为0.5 mm的铜线形成次级线圈，绕组长度为56 cm，环形线圈由直径为11 cm的铝制通风管制成。
计算出的一次电路的谐振频率为220 kHz，然后使用脉冲发生器和频率计确认。 根据计算和测量，次级电路的谐振频率约为250 kHz，但由于放电本身的电容，在流光出现的那一刻，振荡频率降低，并且初级和次级电路之间发生谐振，这导致雷电长度增加。
现在，关于机械部件
现有预算不允许太多漫游。 铣削和车削操作的数量必须最小化。 所有不负责任的零件均由我们亲自制作。
破裂盘由8毫米厚的PCB制成。 磁盘上有6个触点，用于闭合避雷器。 磁盘位于功率为0.37 kW的两极异步电动机的轴上。 发动机转速为2800 rpm。 假设在一转中发生了6个故障，那么我们每秒可得到280个故障。
在Internet上，您可以找到这些将火花隙放在角磨机轴上的疯子的工作：
这种解决方案的简单性给人留下了深刻的印象，但与安全措施等概念完全不兼容。 磨床没有通过手柄周围的夹子牢固地固定在底座上。 磁盘上的电极过热，因为它们的时间和冷却面积较小。 磁盘以4000-6000 rpm的频率旋转！ 这种脆弱的平衡很容易打破，然后热电极，如弹片，将在任意方向上飞散。 请仅将角磨机用于其预定用途！
初级线圈由直径为1/4英寸的铜管制成螺旋形，氟利昂通常在空调单元之间的这些管之间循环。 线圈的几何形状非常重要，电感取决于它，因此，振荡电路的频率也取决于它。 为了确保形式严格符合设计，开发了四个支撑件的简单紧固方式。 支撑件由PVC板通过CNC铣削制成。
好展览-安全展览
当然，特斯拉线圈是一种危险的设备，更确切地说甚至是致命的。 请按照重要性顺序考虑所有因素。
- 如果您认为应该害怕四面八方飞来飞去的闪电，那么您知道，这些只是花朵。 真正的危险是初级绕组，例如不起眼的线圈，其电压为8600 V，并准备以数百毫安的力共享电流。 不经意间抚摸她-通往天堂的正确方法。 闪电也可能对人类造成重大伤害，但是他们的危险已经降低了一个数量级。
- 还值得一提的是，在此过程中，特斯拉线圈会产生强大的电磁场。 该场能够在几米远的距离处点燃放电灯，并且在十米以上的半径内可以使对干扰敏感的电器失效。 因此，即使距离很远，该设备也对起搏器的人构成了真正的威胁。
- 此外，在工作过程中还会释放出大量臭氧。维基百科说，臭氧是一种剧毒气体，具有氧化性，会导致过早死亡。 好消息是臭氧可以有效杀死霉菌和细菌。
- 不要忘记闪电不仅会发出可见光，还会发出紫外线，这对眼睛并不是特别有用。
- 还必须考虑到安装会产生噪声（在3米的距离处大约100 dB）。 噪音会引起不适，也可能会使孩子感到恐惧。
— . .
- — , ().
- , . , , , , . . , 40 .
- . . , , .
- 10 . , , , .
- , (-10 ) . , .
, . - :
“ , , , , , , , , ”.
UMBRELLA INC.
. , . , , . “ ” . “Y”. , , , . .
工作完成后，电子工程师面带微笑，递给我装有木板的盒子。代替公司徽标，我们找到了一个小小的题词“ UMBRELLA”。该公司拒绝公共关系，而电子工程师则拒绝我们的感激。启动和调试
. . . , . . , , . , . , .
, . . . .
, . 150 2. , . , . .
***
, , , . , , , - .
, , , , , …
...什么也没发生。没事故障排除时，我们发现其中一个相的电压为60 V而不是220 V！幸运的是，我们可以进入所有三个阶段，并且能够快速重新连接。对于我们来说，这个问题很快得到解决，但是在科学博物馆所在的大楼中，三分之一的设备都无法使用一周以上。. , , , , . , , . , . , . , . , , . . . . .
, , . , .
. , . , . .
, . , . . . , , . . . , . , . .
4 , . : « », « », « », “ ” . . , , , , , .
: , , , . - : 4 , , «» , , . , . , .
UPD1
.
frost273 — .