Способы передачи электрической энергии на большие расстояния

Содержание

Что это такое?

Катушка представляет собой трансформатор. Назначение устройства — увеличение параметров тока до огромных высот (до миллионов вольт). Основная цель: максимально увеличить частоту переменного тока. В идеале такая же обратная катушка должна быть размещена в точке приема энергии, которая будет резонировать с устройством, что позволит передавать энергию на расстояние.

Давайте подробно рассмотрим, как работает катушка Тесла. Для начала качаемся — не сразу понятно, что качается в катушке. Постоянный ток, который Эдисон использовал в своих изобретениях, дорог в производстве. Эта энергия имеет ярко выраженный вектор движения. Переменный ток постоянно меняет параметры электричества: напряжение и ток. Это называется колебаниями электрического тока.

интересно, что основные законы колебания электрического тока и механического маятника совпадают. Примечательно, что существует также резонансный эффект для электричества. Когда частоты двух электрических полей совпадают, амплитуда колебаний увеличивается. По задумке Теслы, после того, как катушки резонируют, в приемнике должен появиться электрический ток.

На самом деле приемник так и не был изобретен. Катушка Тес используется в качестве ориентира, на ней вы можете увидеть поток: другими словами, электрическую дугу, текущий разряд, искусственную молнию и изучить беспроводную передачу электричества.

Передача и распределение электроэнергии

За процесс передачи и распределения электрической энергии отвечают несколько основных типов систем, работающих в связке, которые образуют электроэнергетическую сеть:

подстанция;
распределительное устройство;
ЛЭП или линии электропередачи.

Электроэнергетическая сеть — это комплекс электрических установок, предназначенных для передачи и распределения полученной энергии. Она состоит и токопровода, распределителя, кабельных и воздушных ЛЭП, действующих в определенной локации.

Подстанция служит для трансформации и распределения электрической энергии. Она состоит из трансформаторов (либо иных преобразователей энергии) и оборудования для распределения, мощного аккумулятора, других дополнительных устройств и сооружений.

Распределительное оборудование представляет собой установку, которая служит для приема и распределения энергии. Она состоит из следующих коммутационных устройств:

Сборные/соединительные шины.
Компрессоры.
Аккумуляторы.
Защитные устройства.
Средства автоматизации.
Измерительные приборы.

ЛЭП или линии электропередач воздушных и кабельных видов напряжения. Они представляют собой электрическую установку, которая служит для транспортировки электроэнергии на дальние расстояния, с одним и тем же напряжением, без дополнительного преобразования.

Для всех видов электроэнергии существуют индивидуальные методы монтажа, подключения, эксплуатации и расчета, в зависимости от признаков и источников энергии.

Основные составные части электрической сети

Электроэнергетической сетью (Рис. 5) называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории.

Рисунок 5 — Электрическая сеть, и электроустановки для передачи и распределения электрической энергии

Все встречающиеся на практике схемы представляют собой сочетания отдельных элементов — фидеров, магистралей и ответвлений.

Электрические сети, в свою очередь, подразделяются на магистральные электрические сети и распределительные электрические сети.

К магистральным сетям относятся все высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), к распределительным – ЛЭП мощностью ниже 110 кВ. Виды электрических сетей представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 — Виды электрических сетей

Сети связаны между собой трансформаторными и распределительными подстанциями. Для обеспечения установленных требований, энергосистемы оборудуют специальными диспетчерскими пунктами, оснащёнными средствами контроля, управления, связи и специальными схемами расположения электростанций, линий передач и понижающих подстанций.

Электрические сети делятся по:

напряжению;
степени подвижности;
назначению;
роду тока и числу проводов;
схеме электрических соединений:

а) разомкнутые (нерезервированные). Схемы разомкнутых сетей представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 — Схемы разомкнутых сетей: а — радиальные (нагрузка только на конце линии); б — магистральные (нагрузка присоединена к линии в разных местах)

б) замкнутые (резервированные) (Рис. 8).

Рисунок 8 — Схемы замкнутых сетей: а — сеть с двухсторонним питанием; б — кольцевая сеть; в — двойная магистральная линия; г сложнозамкнутая сеть (для питания ответственных потребителей по двум и более направлениям)

Магистральные схемы электроснабжения применяются в следующих случаях:

а) когда нагрузка имеет сосредоточенный характер, но отдельные узлы ее оказываются расположенными в одном и том же направлении по отношению к подстанции и на сравнительно незначительных расстояниях друг от друга, причем абсолютные величины нагрузок отдельных узлов недостаточны для рационального применения радиальной схемы;
б) когда нагрузка имеет распределенный характер с той или иной степенью равномерности.

По конструкции: электропроводки (силовые и осветительные), токопроводы — для передачи электроэнергии в больших количествах на небольшие расстояния, воздушные линии — для передачи электроэнергии на большие расстояния, кабельные линии — для передачи электроэнергии на далекие расстояния в случаях, когда сооружение ВЛ невозможно.

Наибольшее распространение для местных распределительных сетей получили радиальные, магистральные, смешанные (радиальномагистральные) и петлевые схемы.

При радиальной схеме электроснабжения каждая линия является как бы лучом, соединяющим узел сети (подстанцию, распределительный пункт) с единственным потребителем.

При магистральной схеме электроснабжения одна линия — магистраль — обслуживает, как указано, несколько распределительных пунктов или приемников, присоединенных к ней в различных ее точках.

Смешанные схемы распределительных местных сетей применяются при различном расположении потребителей относительно ЦП и сочетаются принципы построения как радиальной, так и магистральных схем.

К электрическим сетям предъявляются следующие требования: надежность, живучесть и экономичность.

Надежность — основное техническое требование, под которым понимается свойство сети выполнять свое назначение в пределах заданного времени и условий работы, обеспечивая электроприемники электроэнергией в необходимом количестве и надлежащего качества.

Живучесть электрической сети — это свойство выполнять свое назначение в условиях разрушающих воздействий в том числе и в боевой обстановке при воздействиях средств поражения противника.

Экономичность — это минимум затрат на сооружение и эксплуатацию сети при условии выполнения требований надежности и живучести.

Как правильно выбрать

Технические приспособления, защищающие бытовые приборы, представлены на рынке достаточно широко. Найти подходящий сетевой фильтр для своей отечественной или импортной стиральной машины можно не только у официального поставщика «родных» запчастей, но и в любом магазине с соответствующим ассортиментом.

Выключаете из розетки стиралку?

О-да!Нет

Обязательно обратите внимание на показатели:

Неисправный внутренний фильтр помех можно временно заменить внешним, подключаемым к сети через розетку.

Несомненно, сетевой фильтр радиопомех необходим каждой стиральной машине

Важность защиты техники от скачков в электросети нельзя недооценивать. Современные устройства, сглаживающие помехи, защитят всю систему бытовых приборов

Схемы передачи

На первый взгляд полная схема передачи электроэнергии от вращающейся турбины до розетки квартиры может показаться сложной и запутанной, но если посмотреть на схему, то все становится на свои места.

Структурная схема электроснабжения

Стоит обратить внимание, что если в городе нет промышленных предприятий, то подстанции для промышленного объекта и всей представленной для нее ветви в реальности не будет. Все остальные объекты электрической инфраструктуры будут присутствовать до изобретения беспроводной передачи. На приведенной выше схеме можно заметить магистральные кабельные линии

Они могут быть двух типов — одиночные и с двухсторонним питанием. Двухсторонние сегодня более распространены, так как одиночные менее надежны, плюс на них тяжело отыскать место повреждения. Таким образом, конечный пользователь всегда снабжен электричеством, и поломки на магистралях ему незаметны

На приведенной выше схеме можно заметить магистральные кабельные линии. Они могут быть двух типов — одиночные и с двухсторонним питанием. Двухсторонние сегодня более распространены, так как одиночные менее надежны, плюс на них тяжело отыскать место повреждения. Таким образом, конечный пользователь всегда снабжен электричеством, и поломки на магистралях ему незаметны.

Схема двухсторонней магистрали

Электричество получают, используя возобновляемые и невозобновляемые источники энергии для вращения турбины. Турбина приводит в действие ротор генератора, который и генерирует электричество. Для передачи тока трансформатор увеличивает его напряжение, а перед тем, как пустить его на городскую сеть, напряжение понижают обратно. Таким образом уменьшаются потери и затраты на строительство сетей. После этого электричество подается на городскую подстанцию, которая запитывает районные подстанции, а уже от них прокладываются разветвленные линии конечным потребителям.

https://youtube.com/watch?v=Hrw1FlC4awA

Солнечные панели

Сейчас все большую популярность завоевывают солнечные источники электроэнергии. Суть такого источника проста – имеются полупроводниковые фотоэлементы, в которых при попадании на них солнечных лучей генерируется электрический заряд.

Количество вырабатываемой энергии напрямую зависит от площади фотоэлементов, поэтому они собираются в панели.

Панель площадью в 1 м. кв. способна выдать 100 Ватт мощности с напряжением 20-25 В.

Чтобы полностью обеспечить дом электричеством площадь панелей должна быть значительной.

Из положительных качеств такого источника электроэнергии является его долговечность, полная экологичность, бесшумность.

Панели требуют минимум обслуживания, а электроэнергия, выработанная ими, является полностью бесплатной и доступной.

Но есть и недостатки. Для обеспечения электроэнергии в необходимом количестве, площадь панелей может достигать значительных размеров, которые еще нужно и правильно расположить.

Энергия эта непостоянна. В солнечные дни панели будут работать с максимальным выходом, но бывают же и пасмурные дни. Поэтому общее количество выработанной электрической энергии зависит от того, сколько солнечных дней в году в регионе, где располагается дом.

Еще один недостаток, причем весомый – это стоимость панелей. Цена за каждый Ватт выработанной энергии составляет сейчас примерно 1,5 $, то есть только за панели, вырабатывающие 1 кВт электроэнергии, придется выложить 1,5 тыс. долларов. А еще потребуется покупать и остальное оборудование, необходимое для работы системы.

Истоки и примеры беспроводных систем

Эта концепция, на самом деле, не является новой. Вся эта идея была разработана Николасом Тесла в 1893 году. Когда он разработал систему освещающих вакуумных ламп с использованием техники беспроводной передачи. Невозможно себе представить, чтобы мир существовал без различных источников зарядки, которые выражены в материальном виде. Чтобы стали возможными мобильные телефоны, домашние роботы, MP3-плееры, компьютер, ноутбуки и другие транспортируемые гаджеты, которые заряжались бы самостоятельно, без каких-либо дополнительных подключений, освобождая пользователей от постоянных проводов. Некоторые из этих устройств могут даже не требовать большого количества элементов. История беспроводной передачи энергии достаточно насыщена, причем, в основном, благодаря разработкам Тесла, Вольта и др. Но, сегодня это остается лишь данными в физической науке.

Основной принцип заключается в преобразовании питания переменного тока в постоянное напряжение с помощью выпрямителей и фильтров. А затем – в возращение в исходное значение на высокой частоте с использованием инверторов. Эта низковольтная с высшими колебаниями мощность переменного тока затем переходит от первичного трансформатора к вторичному. Преобразуется в постоянное напряжение с использованием выпрямителя, фильтра и регулятора. Сигнал переменного тока становится прямым благодаря звуку тока. А также использованию секции выпрямителя моста. Полученный сигнал постоянного тока проходит через обмотку обратной связи, которая действует как схема генератора. При этом заставляет транзистор его проводить в первичный преобразователь в направлении слева направо. Когда ток проходит через обмотку обратной связи, соответствующий ток протекает к первичной части трансформатора в направлении справа налево.

Таким образом работает ультразвуковой способ передачи энергии. Сигнал формируется через первичный преобразователь для обоих полупериодов оповещения переменного тока. Частота звука зависит от количественных показателей колебаний цепей генератора. Этот сигнал переменного тока появляется на вторичной обмотке трансформатора. А когда он подключен к первичному преобразователю другого объекта, напряжение переменного тока составляет 25 кГц. Появляется показание через него в понижающем трансформаторе.

Это напряжение переменного тока выравнивается с помощью мостового выпрямителя. И затем фильтруется и регулируется, чтобы получить выход 5 В для управления светодиодом. Выходное напряжение 12 В от конденсатора используется для питания двигателя вентилятора постоянного тока для его работы. Итак, с точки зрения физики, передача электроэнергии – достаточно развитая область. Однако, как показывает практика, беспроводные системы не до конца развиты и усовершенствованы.

Преимущества беспроводной передачи

В чем заключаются преимущества? Плюсы:

сокращаются расходы, связанные с поддержанием прямых соединителей (например, в традиционном промышленном скользком кольце);
большее удобство для зарядки обычных электронных устройств;
безопасная передача в приложения, которые должны оставаться герметически закрытыми;
электроника может быть полностью скрыта, что снижает риск коррозии из-за таких элементов как кислород и вода;
надежная и последовательная подача питания на вращающееся, высокомобильное промышленное оборудование;
обеспечивает надежную передачу мощности в критически важные системы во влажной, грязной и движущейся среде.

Независимо от приложения, ликвидация физического соединения обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с традиционными разъемами питания кабеля.

Смотреть галерею

Потери электроэнергии

Причины потерь при передаче электрической энергии на расстояние кроются в строении вещества. Электрический ток – это направленное движение по проводнику свободных носителей зарядов. В случае с ЛЭП и кабелями их роль играют электроны. Эти частицы, проходя по сечению провода, неизбежно сталкиваются с окружающими их атомами меди или алюминия и сообщают им часть своей кинетической энергии. Микрочастицы металла за счёт этого удара становятся подвижнее, что и воспринимается органами чувств человека как повышение температуры.

Количество теплоты Q, выделенной в проводнике за время t и потерянной впустую, вычисляется по закону Джоуля – Ленца. Оно пропорционально квадрату протекающего в проводе тока I и его сопротивлению R

Q = I2Rt.

Дополнительная информация. Потери электричества имеются и в трансформаторе. К самым большим из них относятся затраты энергии на создание вихревых токов в сердечнике и нагрев обмоток.

Сущностные особенности работы устройства

Мощность катушки Тесла заключается в процессе, называемом электромагнитной индукцией. То есть, изменяющееся поле создает потенциал. Он заставляет протекать ток. Когда электричество течет через катушку провода, он генерирует магнитное поле, которое заполняет область вокруг обмотки определенным образом. В отличие от некоторых других экспериментов с высоким напряжением, катушка Тесла выдержала множество проверок и проб. Процесс был достаточно трудоемким и длительным, но результат был успешным, потому и удачно запатентован ученым. Создать подобную катушку можно при наличии определенных составляющих. Для реализации потребуются следующие материалы:

длина 30 см ПВХ (чем больше, тем лучше);
медная эмалированная проволока (вторичный провод);
березовая доска для основания;
2222A транзистор;
подсоединение (первичный) провод;
резистор 22 кОм;
переключатели и соединительные провода;
аккумулятор 9 вольт.

История

Первые генераторы строили рядом с потребителями энергии. Они были маломощными и предназначались только для электроснабжения отдельного здания или городского квартала. Но затем пришли к выводу, что гораздо выгоднее возводить крупные станции в районах концентрации ресурсов. Это мощные ГЭС – на реках, крупные ТЭС – рядом с угольными бассейнами. Для этого нужна передача электроэнергии на расстояние.

Начальные попытки построить передающие линии столкнулись с тем, что при соединении генератора с приемниками электроэнергии длинным кабелем мощность к концу передающей линии сильно снижалась из-за огромных потерь на нагрев. Необходимо было использовать кабели с большей площадью сечения, что делало их значительно более дорогими, или повышать напряжение, чтобы уменьшить силу тока.

После опытов с передачей постоянного и однофазного переменного тока с помощью линий повышенного напряжения потери оставались слишком высокими – на уровне 75%. И только когда Доливо-Добровольский разработал систему трехфазного тока, был сделан прорыв в передаче электроэнергии: добились снижения потерь до 20%.

Важно! Сейчас подавляющее большинство линий электропередачи использует трехфазный переменный ток, хотя идет развитие и ЛЭП на постоянном токе

Реальные проекты в наши дни

За все последние годы, согласно вышеприведенным технологиям, ученые пытались и пытаются реализовать всего два проекта.

Первый из них начинался очень обнадеживающе. В 2000-х годах на о.Реюньон, возникла потребность в постоянной передаче 10кВт мощности на расстояние в 1 км.

Горный рельеф и местная растительность, не позволяли проложить там ни воздушные линии электропередач, ни кабельные.

Все перемещения на острове в эту точку осуществлялось исключительно на вертолетах.

Для решения проблемы в одну команду были собраны лучшие умы из разных стран. В том числе и ранее упоминавшиеся в статье, наши ученые из МГУ В.Ванке и В.Савин.

Однако в момент, когда должны были приступать к практической реализации и строительству передатчиков и приемников энергии, проект заморозили и остановили. А с началом кризиса в 2008 году и вовсе забросили.

На самом деле это очень обидно, так как теоретическая работа там была проделана колоссальная и достойная реализации.

Второй проект, выглядит более безумным чем первый. Однако на него выделяются реальные средства. Сама идея была высказана еще в 1968г физиком из США П.Глэйзером.

Он предложил на тот момент не совсем нормальную идею – вывести на геостационарную орбиту в 36000 км над землей огромный спутник. На нем расположить солнечные панели, которые будут собирать бесплатную энергию солнца.

Затем все это должно преобразовываться в пучок СВЧ волн и передаваться на землю.

Этакая “звезда смерти” в наших земных реалиях.

На земле пучок нужно поймать гигантскими антеннами и преобразовать в электричество.

Насколько огромны должны быть эти антенны? Представьте, что если спутник будет в диаметре 1км, то на земле приемник должен быть в 5 раз больше – 5км (размер Садового кольца).

Но размеры это всего лишь малая часть проблем. После всех расчетов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы электричество мощностью в 5ГВт. При достижении земли оставалось бы всего 2ГВт. К примеру Красноярская ГЭС дает 6ГВт.

Поэтому его идею рассмотрели, посчитали и отложили в сторонку, так как все изначально упиралось в цену. Стоимость космического проекта в те времена вылезла за 1трлн.$.

Но наука к счастью не стоит на месте. Технологии совершенствуются и дешевеют. Сейчас разработку такой солнечной космической станции уже ведут несколько стран. Хотя в начале двадцатого века для беспроводной передачи электроэнергии хватало всего одного гениального человека.

Общая цена проекта упала от изначальной до 25млрд.$. Остается вопрос – увидим ли мы в ближайшее время его реализацию?

К сожалению никто вам четкого ответа не даст. Ставки делают только на вторую половину нынешнего столетия. Поэтому пока давайте довольствоваться беспроводными зарядками для смартфонов и надеяться что ученым удастся повысить их КПД. Ну или в конце концов на Земле родится второй Никола Тесла.

https://youtube.com/watch?v=aC0mpUZz_RI

https://ectrl.ru/osveshchenie/peredacha-elektroenergii.html
https://amperof.ru/teoriya/besprovodnaya-peredacha-elektroenergii.html
https://samelectrik.ru/kak-proisxodit-peredacha-i-raspredelenie-elektroenergii.html
https://amperof.ru/elektroenergia/peredacha-elektroenergii-na-rasstoyanie.html
https://oxotnadzor.ru/kak-osushchestvlyayetsya-peredacha-elektroenergii-postoyannym-tokom/
https://domikelectrica.ru/3-sposoba-peredachi-energii-bez-provodov/

Энергия ветра

Ветровая электроэнергетика в промышленных масштабах возникла относительно недавно и пополнила перечень нетрадиционных способов получения электроэнергии. И это очень перспективная технология. С большой долей вероятности можно утверждать, что в отдаленном будущем ветряки будут вырабатывать столько электроэнергии, сколько необходимо человечеству. И это не пустые слова, ведь по самым скромным оценкам ученых, суммарная сила ветра на поверхности земного шара минимум в сто раз превышает мощность всех водных ресурсов.

Основной проблемой является непостоянство потоков воздуха, что влечет за собой сложности в прогнозировании выработки энергии. На огромной по площади территории России постоянно дуют ветры. И если научиться эффективно и результативно пользоваться этим неисчерпаемым ресурсом, то можно с лихвой удовлетворить все потребности тяжелой промышленности и населения страны.

Несмотря на очевидные плюсы от использования энергии ветра, объем выработки электричества ветровыми электростанциями не превышает и одного процента в общем объеме. Оборудование для этих целей стоит очень дорого, кроме того, такие объекты будут эффективны далеко не в каждом районе, а транспортировка электроэнергии на значительные расстояния сопряжена с большими потерями.

Беспроводные способы передачи электроэнергии

Мощность может распространяться по рассматриваемой сети почти по всем неметаллическим материалам, включая, но не ограничиваясь ими. Это такие твердые вещества, как древесина, пластмасса, текстиль, стекло и кирпич, а также газы и жидкости. Когда металлический или электропроводящий материал (то есть, углеродное волокно) помещается в непосредственной близости от электромагнитного поля, объект поглощает мощность из него и в результате нагревается. Это, в свою очередь, влияет на эффективность системы. Вот как работают индукционные приготовления, к примеру, неэффективная передача мощности из варочной панели создает тепло для приготовления пищи.

Чтобы создать систему беспроводной передачи электроэнергии, необходимо вернуться к истокам рассматриваемой темы. А ,точнее, к успешному ученому и изобретателю Никола Тесла, который создал и запатентовал генератор, способный брать питание без различных материалистических проводников. Итак, для реализации беспроводной системы необходимо собрать все важные элементы и части, в результате будет реализована небольшая катушка Тесла. Это устройство, которое создает электрическое поле высокого напряжения в воздухе, вокруг него. При этом имеется небольшая входная мощность, она обеспечивает беспроводную передачу энергии на расстоянии.

Одним из наиболее важных способов передачи энергии является индуктивная связь. Он в основном используется для ближнего поля. Охарактеризован на том факте, что при прохождении тока по одному проводу на концах другого индуцируется напряжение. Передача мощности осуществляется путем взаимности между двумя материалами. Общий пример – это трансформатор. Микроволновая передача энергии, как идея, была разработана Уильямом Брауном. Вся концепция включает в себя преобразование питания переменного тока в радиочастотное и передачу его в пространстве и повторное в переменную мощность на приемнике. В этой системе напряжение генерируется с использованием микроволновых источников энергии. Таких как клистрон. И эта мощность передается передающей антенне через волновод, который защищает от отраженной мощности. А также тюнер, который соответствует импедансу микроволнового источника с другими элементами. Приемная секция состоит из антенны. Она принимает мощность микроволн и схему согласования импеданса и фильтра. Эта приемная антенна вместе с выпрямляющим устройством может быть диполем. Соответствует выходному сигналу с подобным звуковым оповещением выпрямительного блока. Блок приемника также состоит из подобной секции, состоящей из диодов, которые используются для преобразования сигнала в оповещение постоянного тока. Эта система передачи использует частоты в диапазоне от 2 ГГц до 6 ГГц.

Беспроводная передача электроэнергии с помощью качера Бровина, который реализовал генератор с применением подобных магнитных колебаний. Суть заключается в том, что это устройство работало благодаря трем транзисторам.

Использование пучка лазера для передачи мощности в виде световой энергии, которая преобразуется в электрическую на приемном конце. Непосредственно сам материал получает питание с использованием источников, таких как Солнце или любой генератор электроэнергии. И, соответственно, реализует фокусированный свет высокой интенсивности. Размер и форма пучка определяются набором оптики. И этот передаваемый лазерный свет принимается фотогальваническими ячейками, которые преобразуют его в электрические сигналы. Он обычно использует оптоволоконные кабели для передачи. Как и в базовой солнечной энергетической системе, приемник, используемый в распространении на основе лазера, представляет собой массив фотоэлектрических элементов или солнечной панели. Они, в свою очередь, могут преобразовывать бессвязный монохроматический свет в электричество.

Как проверить

Производители предусмотрели функцию автоматического отключения стиралки при выходе из строя фильтра помех. Устройство не возобновит работу, пока деталь не будет заменена исправной.

Если при осмотре шнура и вилки повреждений выявлено не было, стоит проверить фильтр помех:
Прозвоните мультиметром попарно все контакты. Сопротивление должно соответствовать показателю в 680 кОм.
Примерно на том же уровне должно находиться входное сопротивление непосредственно на штекере.
Попробуйте проверить конденсаторы, измерив емкость между входами. В норме показатель соответствует 0,47 мкФ.

Если при проверке были обнаружены отклонения от нормы, то сетевой фильтр поврежден и требует замены.

Мультиметр

Принцип работы

Трансформатор Тесла состоит из двух обмоток – первичной (Lp) и вторичной (Ls) (их чаще называют “первичка” и “вторичка”). К первичной обмотке подводится переменное напряжение, и она создает магнитное поле. При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную. В этом трансформатор тесла очень похож на самый обычный “железный” трансформатор.

Вторичная обмотка вместе с собственной паразитной (Cs) емкостью образуют колебательный контур, который накапливает переданную ему энергию. Часть времени вся энергия в колебательном контуре храниться в виде напряжения. Таким образом, чем больше энергии мы вкачаем в контур, тем больше напряжения получим.

Простая схема работы катушки тесла.

Тесла обладает тремя основными характеристиками – резонансной частотой вторичного контура, коэффициентом связи первичной и вторичной обмоток, добротностью вторичного контура.

Что такое резонансная частота колебательного контура, читателю должно быть известно. Я же подробнее остановлюсь на коэффициенте связи и добротности.

Коэффициент связи определяет, насколько быстро энергия из первичной обмотки передается во вторичную, а добротность – насколько долго колебательный контур может сохранять энергию.

Аналогия с качелями

Для того, чтобы лучше понять, как колебательный контур накапливает энергию, и откуда в тесле берется такое большое напряжение, представим качели, которые раскачивает здоровенный мужик. Качели – это колебательный контур, мужик– это первичная обмотка. Скорость качели – это ток во вторичной обмотке, а высота подъема – наше долгожданное напряжение.

Мужик толкает качели, и, таким образом передает в них энергию. И вот, за несколько толчков, качели раскачались и подлетают так высоко, как это только возможно – они накопили много энергии. Тоже самое происходит и с теслой, только когда энергии становится слишком много, происходит пробой воздуха, и мы видим наши красивущий стример.

Естественно, раскачивать качели нужно не абы как, а в точном согласии с их собственными колебаниями. Количество колебаний качелей в секунду называется “резонансная частота”.

Участок траектории полета качели, на протяжении которого мужик их толкает определяет коэффициент связи. Если мужик будет постоянно держать качели своей здоровенной ручищей, то он раскачает их очень быстро, но качели смогут отклониться только на длину руки мужика. В таком случае говорят, что коэффициент связи равен единице. Наши качели с большим коэффициентом связи — это аналог обычного трансформатора.

Будет интересно Как сделать регулятор мощности на симисторе своими руками

Теперь рассмотрим ситуацию, когда мужик только немного подталкивает качели. В этом случае коэффициент связи мал, а качели отклоняются намного дальше – мужик теперь их не держит. Качели придется раскачивать дольше, но с этим справится даже очень хилый мужик, чуть-чуть толкая их каждый период колебаний. Такие качели и есть аналогом трансформатора Тесла. Чем больше коэффициент связи, тем быстрее во вторичный контур накачивается энергия, но при этом выходное напряжение теслы получается меньше.

Теперь рассмотрим добротность. Добротность – это противоположность трению в качелях. Если трение очень большое (низкая добротность), то мужик своими слабенькими толчками не сможет их раскачать. Таким образом, коэффициент связи и добротность контура должны быть согласованны для достижения максимальной высоты качелей (максимальной длинны стримера).

Так-как добротность вторичной обмотки в трансформаторе Тесла – величина не постоянная (она зависит от стримера), то согласовать эти две величины очень не просто, и поэтому просто подбирают опытным путем. Кратко о принципе работы трансформатора можно посмотреть в видеоролике.

Передача электроэнергии на расстояние