Принцип работы катушки Тесла, как работает катушка индуктивности

Никола Тесла великий сербский ученый, среди изобретений которого важнейшим можно считать переменный ток. Именно концепция переменного тока в итоге позволила развить энергетическую отрасль промышленности и электризовать большую часть Земли. Но ученый мечтал совсем не о этом. Одной из основных идей гения была передача энергии на расстояние без проводниковых линий. Катушка Тесла – основа данной концепции. Попробуем в подробностях разобрать что такое катушка Тесла и принцип работы катушки Тесла.

• Что это такое?
• Принцип работы классической катушки Тесла
• Принцип работы транзисторной катушки Тесла
• Историческая загадка катушки
• Противостояние Тесла и Эйнштейна
• Современное использование катушки Тесла

Что это такое?

Катушка представляет собой трансформатор. Целью устройства является повышение параметров тока до огромных высот (вплоть до миллионов вольт).

Основная цель: повысить до максимума частоту переменного тока. В идеале, в точке приема энергии должна находится такая же обратная катушка, которая вступит в резонанс с устройством, что позволит передать энергию на расстояние.

Разберем подробности того, как работает катушка Тесла. Для начала колебания: не сразу ясно, что колеблется в катушке. Постоянный ток, который использовал в своих изобретениях Эдисон дорог в производстве. Такая энергия имеет один, ярко выраженный вектор движения. Переменный ток постоянно меняет параметры электричества: напряжения и силы тока. Это и называется колебаниями электрического тока.

Интересно, что совпадают основные законы колебания электрического тока и механического маятника. В частности, для электричества так же существует эффект резонанса. При совпадении частот двух электрополей амплитуда колебаний становится больше. По задумке Тесло после вступления катушек в резонанс в приемнике должен был появиться электрический ток.

В реальности приемник так и не был изобретен. Катушка Теса используется в качестве пособия, на ней можно увидеть стрим: проще говоря электрическую дугу, проскользнувший разряд, искусственную молнию и для изучения беспроводной передачи электричества.

Принцип работы классической катушки Тесла

Классическое устройство катушки Тесла состоит из следующих элементов:

• Первичная обмотка, которая состоит из большого количества витков, порядка 800-1200 шт, провода малого диаметра.
• Вторичная обмотка. Это провод сравнительно большого диаметра. Катушка включает в себя меньшее количество витков.
• Конденсатор. Это накопитель заряда, который требуется для запуска первичной работы катушки.
• Разрядник. Два металлических шарика, которые находятся на небольшом расстоянии друг от друга.
• Сфера для распространения магнитного поля.

Первичная обмотка находится внутри вторичной. Разделителем служит обычная ПВХ труба. Разберем поэтапную работу катушки:

1. При подключении к сети в конденсаторе накапливается заряд.
2. Накопление заряда вызывает рост разности потенциалов между шариками разрядника. В итоге, как только напряжение достигает определенного значения, происходит стрим, то есть появляется электрическая дуга, которая соединяет между собой две части сети. Стрим в конструкции играет роль ключа-соединителя, который открывается при условии подходящих параметров напряжения.
3. Ток начинает течь первичной обмотке, создавая переменное магнитное поля. В свою очередь это переменное магнитное поле создает электричество во вторичной обмотке: явление индукции в действии.
4. В свою очередь ток вторичной обмотки создает магнитное поле, создающее индукционный ток в сфере. Ток в сфере вновь вызывает переменное магнитное поле, которое расходится в пространстве.
5. Если поднести к такой катушке электролампу, то она будет светится без всяческих проводов и источников электроэнергии. Собственно, источником в данном случае служит катушка.

Вот такая схема работы катушки Тесла.

Принцип работы транзисторной катушки Тесла

В транзисторной катушке нет конденсатора и разрядника. Их заменяют два резистора и транзистор. Процесс работы такой катушки выглядит следующим образом:

1. В нулевой момент происходит подключение к источнику. В результате происходит прохождение тока через резисторы.
2. Электрический ток открывает транзистор, попадая на первичную обмотку. В результате первичная обмотка генерирует переменное магнитное поле.
3. Магнитное поле вызывает индукционный ток во вторичной обмотке. Ток из вторичной обмотки движется навстречу току из источника. В итоге сопротивление второго резистора достигает больших высот, что разрывает транзистор.
4. Из-за разрыва связи ток из вторичной обмотки перестает поступать во второй резистор.
5. Цикл повторяется.

Вот простой и понятный принцип работы катушки Тесла.

Историческая загадка катушки

Если рассматривать катушку Тесло с исторической точки зрения, становится не ясно, почему ученый не развил идею до конца. Ведь это готовый способ передачи энергии на расстоянии без проводов, что существенно уменьшает потери на монтаж сетей, расходники, столбы и изоляцию.

При этом можно было бы забыть о перерывах с электроснабжением, энергию легко и просто получилось бы доставить в любую точку планеты. Как показывает историческая реальность, ученого интересовало совсем другое применение собственного изобретения. Ученый пытался доказать существование эфира, некой субстанции, которая пронизывает все мироздание.

Согласно теории Тесло эта среда упруга, что делает возможным распространение электромагнитных волн. Одной из утопичных идей ученого была выработка энергии из эфира напрямую. Тесла предлагал установить две катушки на полюсах, что в теории должно было создать огромное магнитное поле по всей Земле.

Так электричество могло бы попасть в любую точку планеты. Катушку ученый придумать успел, а вот создавать приемники для них не стал, занимаясь разработкой получения энергии из эфира.

Противостояние Тесла и Эйнштейна

Долгое время теория эфира имела превалирующее значение в физике. Однако ни разу ни один ученый не смог придумать математическую модель, описывающую поведение этой среды. Тесло умер слишком рано и не успел доказать или опровергнуть свою теорию, задумка с индукционной катушкой так же не была доведена до конца.

После на научном горизонте зажегся огонь другого гения. Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию за изучение преломления световых лучей, а не за теорию относительности. Но именно вторая отлично описывала все, уже имеющиеся теории. Математическая модель, предложенная гением объясняла сам принцип распространения электромагнитных волн, тогда как философские рассуждения об эфире не имели широкого научного подтверждения.

Так идея гения физики канула в небытие, а принцип работы индуктивной катушки до сих пор не изучен до конца.

Современное использование катушки Тесла

Наиболее широкое распространение получила демонстрационная версия, которая позволяет увидеть электрическую дугу красивого фиолетового цвета и зажечь лампу без проводов. Однако принцип катушки Тесла все же иногда используется:

• В системах зажигания двигателя внутреннего сгорания. Там используется тот же принцип трансформации энергии в электрическую дугу. Вот только зажигание работает на низких частотах, тогда как катушка Тесло на высоких.
• Для обнаружения пробоин в вакуумных системах.
• Для подачи энергии в люминесцентные и неоновые лампы. Хотя последнее чаще используется как трюк.

Как видно, изобретение до сих пор не разработано до конца. Патент все еще дожидается инвестора. Но вполне вероятно, что инвестора не будет никогда.

 

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 7 чел.
Средний рейтинг: 3.6 из 5.

X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся Старт в науке

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кунин Н.С. 1

---

1ГБОУ СОШ №291 Красносельского района города Санкт-Петербурга

Мирошникова Н.В. 1

---

1ГБОУ СОШ №291 Красносельского района города Санкт-Петербурга

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ.

Никола Тесла — гениальный физик, инженер, изобретатель в области электротехники и радиотехники, родился 10 июля 1856 года в селе Смиляны, Австрийской империи (ныне территория Хорватии).

Давным-давно в 1893 году на Всемирной выставке в Чикаго, гениальный сербский изобретатель Никола Тесла продемонстрировал передачу электрической энергии без проводов, зажигая ряд лампочек в процессе называемым электродинамическая индукция*. Он верил и мечтал, чтобы когда-нибудь такая технология поможет передавать электрическую энергию на большие расстояния по атмосфере, обеспечивая страны и города достаточным количеством энергии для комфортного проживания. Никола Тесла — гениальный физик, инженер, изобретатель в области электротехники и радиотехники, родился 10 июля 1856 года в селе Смиляны, Австрийской империи (ныне территория Хорватии). Умер 7 января 1943, в Нью-Йорке, США.Тесла вырос в Австро-Венгрии, а в зрелые годы в основном работал во Франции и США.

Актуальность:

Величина напряжения на выходе катушки Тесла иногда достигает миллионов вольт, что формирует значительные воздушные электрические разряды длиной в несколько метров. Поэтому такие эффекты применяют в качестве создания показательных шоу.

Катушка Тесла нашла применение в медицине в начале прошлого века. Больных обрабатывали маломощными токами высокой частоты. Такие токи протекают по поверхности кожи, оказывают оздоравливающее и тонизирующее влияние, не причиняя при этом никакого вреда организму человека. Однако мощные токи высокой частоты оказывают негативное влияние.

Новизна: новизна моего проекта является субъективной, впервые изучив информацию с страниц научных книг и веб сайтов, самостоятельно сделал катушку Тесла и показал актуальность трудов этого великого ученого на эти дни.

Спустя 126 лет, одна компания под названием Sony хочет применить беспроводную передачу энергии к таким вещам как, повербанки, мобильные телефоны, ноутбуки и т.д.

Цели проекта: создание «мини версии» трансформатора Тесла.

Задачи проекта:

Изучить исторический и научный опыт: Николы Тесла

Разработать план действий по созданию мини -версии

Спроектировать и создать мини версию трансформатор Тесла.

Выбрать инструменты и материалы для изготовления изделия.

Провести опыт и демонстрацию с трансформатором

Практическая значимость проекта: практическая значимость моего проекта заключается в том, что результат моей работы поможет повысить интерес к такому предмету как физика, а также замотивирует кого-то из молодого поколения на путь удивительных открытий и интересных экспериментов!

ГЛАВА1. ТЕОРИТЕЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

1.1 Устройство и принцип работы катушки Тесла:

Принцип работы таков: конденсатор заряжается от высоковольтного источника питания, затем разряжается через искровой промежуток на первичную катушку. Таким образом, на вторичную катушку передается часть энергии, и возникают резонансные колебания, что приводит к возникновению на выходе высокого напряжения. Разряды с триода могут достигать длины в несколько метров, но расстояние пробоя зависит от мощности и напряжения первичного контура. Трансформатор Тесла основан на использовании резонансных стоячих электромагнитных волн в катушках. Его первичная обмотка содержит небольшое число витков и является частью искрового колебательного контура, включающего в себя также конденсатор и искровой промежуток. Вторичной обмоткой служит прямая катушка провода. При совпадении частоты колебаний колебательного контура первичной обмотки с частотой одного из собственных колебаний (стоячих волн) вторичной обмотки вследствие явления резонанса во вторичной обмотке возникнет стоячая электромагнитная волна и между концами катушки появится высокое переменное напряжение.

ГЛАВА 2 : СБОРКА ТРАНФОРМАТОРА ТЕСЛА.

1.2 Варианты корпуса изделия:

Вариант №1 Орк стекло

Плюсы: Не требует больших трудозатрат при обработке, можно купить в любом строительном магазине и не высокая цена.

Минусы: Покупка обойдется дороже, чем дощечка.

Вариант №2 Дощечка

Плюсы: Дешевле чем орк стекло

Минусы: Требует больших трудозатрат и временных затрат.

1.4Ресурсы для реализации проекта:

1) Провод медный обмоточный D0,2 мм 32 метра 48 рубл. (для вторичной катушки)

2) Провод медный обмоточный D1 мм 20 см 30 рубл. (для первичной катушки)

3) Транзистор биполярный NPN 1 штука 10 рубл.

4) Резистор 20-50 кОм 1 штука 12 рубл.

5) Шприц 20 мл 1 штука 20 рубл.

6) Пластмассовая коробочка

7) Колодка для батарейки кроны 11 рубл.

8) Батарейка крона 38 рубл.

Итого: 170 рубл.

Дополнительно:

1) Скотч

2) Нож

3) Наждачная бумага

1.4Инструкция по сборке катушки Тесла:

Первое что нужно сделать это намотать вторичную катушку на шприц, предварительно от шприца можно отрезать все лишнее. Самое главное, что проволоку надо наматывать очень аккуратно виток к витку без каких-либо нахлестав, чем аккуратнее вы намотаете вторичную катушку, тем сильнее будет эффект, процесс этот длительный поэтому можно включить фильм или музыку. Остановится можно будет, когда будет намотано около 5 см.

И после намотки нужно оставить кусочек проволоки примерно длиной 6-7 см и с его края счистить прозрачную изоляцию с помощью наждачки. Следующий этап — это создание первичной катушки для этого берём небольшой кусок толстой медной проволоки и ножичком или наждачной бумагой счищаем прозрачный изолирующий лак с концов по 1,5 см, далее обматываем вокруг шприца два раза и получаем готовую первичную катушку. Далее берём транзистор и ножку номер три накручиваем на один из контактов первичной катушки. Затем одну ножку резистора накручиваем на второй контакт первичной катушки, вторую ножку резистора накручиваем на центральную ножку транзистора. Получившееся конструкцию можно спаять. Запомните главное, чтобы не было лишних контактов и соприкосновений! Теперь вдеваем вторичную катушку в первичную и торчащий тоненький провод наматываем на центральную ножку транзистора. Далее отрицательный контакт то беж черный провадочек накручиваем на свободную ножку транзистора, ну а положительный красный накручиваем на контакт первичной катушки к которой подключен резистор. Все наш «карманный» трансформатор Тесла готов!

1.6Эксперименты с катушкой тесла:

Эксперимент №1 «Свечение ламп»

При включении трансформатора Тесла генерируется электромагнитное поле, с помощью которого можно зажигать люминесцентные лампы, при этом без какого-либо вреда для человека.

Эксперимент №2 «Высоко частотный ток»

Стример из конца иглы можно трогать руками, при этом не получая никого урона так как срабатывает скин-эффект*

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе работы над проектом, я лучше ознакомился со свойствами мини трансформатора Тесла и улучшил свои навыки в обработки разный материалов. А также приобрел интересные и в тоже время полезные знания о некоторых электрических процессах.

С её помощью можно зажигать люминесцентные лампы на расстоянии без проводов, лишь подводя их к катушке. Также можно передавать электроэнергию на расстояние без проводов. На его концах выходит напряжение около 1000вольт. Но у этого тока маленькая сила тока и очень большая частота около 20МГц. Поэтому это электричество не приносит никакого вреда. Зато если пустить его через диодный мост и стабилитрон, то можно будет спокойно заряжать телефон без проводов. Но вы скажете, зачем мы не используем эту катушку Тесла. Мы её не используем, так как у неё очень маленький КПД. Около 10%.

Так же данный прибор можно применять на уроках физики как дополнительный материал для объяснения принципа работы трансформатора и электромагнитной индукции. Я надеюсь, что, увидев зажигательные опыты с помощью катушки Тесла, у учащихся нашей школы возрастёт интерес к изучению физики. Еще его можно использовать в больницах или в других помещениях, где должен быть ионизированный воздух.

ВЫВОД

Целью моего проекта была создать рабочую катушку Тесла, для демонстрации опытов, связанных с ней. Я считаю, что мне пригодятся эти навыки в будущем, как в быту, так и в работе над другими изделиями. Проделанная мною работа важный объект моего саморазвития и считаю, что трансформатор изготовленным качественно и хорошо.

Библиография

YouTube канал «Физика от Побединского» https://youtu.be/JoP6q5gGReo

Дмитрий Побединский «Только физика. Только хардкор!»

Никола Тесла: Мои изобретения, 1919

Никола Тесла: Эксперименты с переменными токами высокого напряжения и высокой частоты, 1892.

Приложения

Словарик

Скин-эффект — эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.

Электродинамическая индукция— это явление возникновения тока в замкнутом проводнике при прохождении через него магнитного потока, изменяющегося со временем.

Просмотров работы: 84

Никола Тесла, гений, наэлектризовавший мир и придумавший лучи смерти : ScienceAlert

10 июля — день рождения Николы Теслы, которому сегодня исполнился бы 161 год.

Это хорошее время, чтобы отметить жизнь сербско-американского инженера и физика: без Теслы вы, возможно, не сможете по доступной цене обеспечить свой дом электроэнергией, не говоря уже о том, чтобы прочитать это предложение.

За 86 лет своей жизни Тесла зарегистрировал более 300 патентов, а его изобретения помогли проложить путь к созданию переменного тока (AC), электродвигателей, радиоприемников, флуоресцентных ламп, лазеров и пультов дистанционного управления, среди многих других вещей.

Однако некоторые из его идей в более позднем возрасте кажутся странными даже сейчас. Например, однажды он описал планы луча смерти и сослался на другую идею непроницаемой «стены силы», чтобы блокировать и уничтожать иностранные вторжения.

Вот взгляд на замечательную жизнь одного из самых важных и эксцентричных гениев в истории.

Никола Тесла родился 10 июля 1856 года в Смильяне в Австо-Венгерской империи (современная Хорватия).

Его отец, Милутин Тесла, был сербским православным священником, а мать, Джука Мандич, изобретателем бытовой техники.

В колледже Тесла сначала интересовался изучением физики и математики, но вскоре увлекся электричеством.

В 1873 году он учился в Realschule в Карлштадте, Политехническом институте в Граце, Австрия, и Пражском университете. Он устроился инженером-электриком в телефонную компанию в Будапеште в 1881 году.

Он разработал концепцию асинхронного двигателя, прогуливаясь с другом по парку.

Позже, когда он был в Страсбурге, Франция, в 1883 году, он построил прототип асинхронного двигателя (двигатель переменного тока, работающий от электромагнитной индукции) и успешно его испытал. Поскольку он не мог заинтересовать этим кого-либо в Европе, Тесла приехал в Соединенные Штаты, чтобы работать на Томаса Эдисона в Нью-Йорке.

Детской мечтой Теслы было обуздать мощь Ниагарского водопада.

В 1895 году он спроектировал первую гидроэлектростанцию ​​в Фолс, крупную победу переменного тока. Позже в честь Теслы на Козьем острове была воздвигнута статуя.

При всей своей гениальности Тесла был довольно эксцентричен. В какой-то момент он перестал есть твердую пищу.

Он ел мед, пил теплое молоко и делал зелье из овощей, таких как артишоки и сельдерей.

Он утверждал, что никогда не спал больше двух часов подряд.

Однако Тесла признался, что иногда засыпал, чтобы «подзарядить свои батареи».

Согласно одному отчету, однажды он проработал 84 часа без сна.

В 1882 году Тесла открыл вращающееся магнитное поле, принцип физики, лежащий в основе почти всех устройств, использующих энергию переменного тока.

Он использовал этот принцип для создания асинхронного двигателя переменного тока и многофазной системы для производства, передачи, распределения и использования электроэнергии.

Пока Тесла работал в лаборатории Томаса Эдисона в Нью-Джерси, они вели «войну» за лучшую форму электрического тока.

Эдисон предпочитал постоянный ток или постоянный ток (который течет в одном направлении), в то время как Тесла предпочитал переменный ток или переменный ток (который периодически меняет направление). Это привело к «войне токов», которую Тесла в конечном итоге выиграл благодаря большей эффективности переменного тока.

Тесла также тесно сотрудничал с промышленником и изобретателем Джорджем Вестингаузом, и их партнерство помогло создать электричество по всей Америке.

Тесла написал классическую статью под названием «Новая система двигателей и трансформаторов переменного тока» в 1888 году, в которой представил концепцию своих двигателей и электрических систем.

Эта работа привлекла внимание Westinghouse, и в итоге они объединились для обеспечения электроэнергией остальной части страны.

Система переменного тока Tesla остается мировым стандартом для доставки электроэнергии.

Он также изобрел катушку Тесла, устройство, которое сегодня широко используется в радиоприемниках, телевизорах и другой электронике.

Wikimedia Commons

В 1891 году Тесла разработал индукционную катушку, которая производила высокочастотные переменные токи, теперь известную как катушка Тесла. Он использовал его в экспериментах по производству электрического освещения, рентгеновских лучей и беспроводной связи, и он стал основой для радио и телевидения.

Сегодня катушки в основном используются в образовательных и развлекательных дисплеях.

Тесла запатентовал базовую систему радио в 1896 году.

Изобретение радио часто приписывают Гульельмо Маркони, который осуществил первую трансатлантическую радиопередачу в 19 году.01. Но Тесла разработал патенты на основные элементы радиопередатчика , которые позже использовались Маркони – пункт, который привел их к судебной тяжбе.

Тесла также придумал две концепции, которые так и остались чисто теоретическими: «луч смерти» и «непреодолимая стена силы», препятствующая чужеземному вторжению.

ФБР хранило досье на Теслу на протяжении всей его жизни в США, но держало его засекреченным до 2011 года, когда бюро опубликовало 250 страниц.

В 1943 году, когда умер Тесла, инженер-электрик и исследователь военных технологий Джон Г. Трамп – кто апрель 2016 года New Yorker Статья, названная «ядерным» дядей президента Трампа, исследовала влияние Теслы на ФБР и сообщила о своих выводах.

Джон Трамп, как сообщается, сказал Бюро: «Мысли и усилия Tesla в течение по крайней мере последних 15 лет носили в основном спекулятивный, философский и в некоторой степени рекламный характер», но «не включали новые, надежные, работающие принципы или методы для понимая такие результаты.'»

За всю свою жизнь Тесла ни разу не женился, но однажды он заявил, что любит голубя.

Тесла ходил гулять в парк, чтобы покормить голубей. У него сложились необычные отношения с белым голубем, который посещал его каждый день.

«Я любил эту голубку, как мужчина любит женщину, и она любила меня. Пока она была у меня, в моей жизни была цель», — сказал Тесла.

Эта статья была первоначально опубликована Business Insider.

Еще от Business Insider:

Гений Георга Ома

Гений Георга Ома

Многое из гениальности Георга Ома забыто. Его помнят в основном как ученого, который определил взаимосвязь между электрическим сопротивлением, электрической силой и электрическим током. Мало того, что писатели обычно игнорируют многие другие вклады Георга Ома в физику: они дают слишком краткий обзор закона Ома, а затем идут дальше. Таким образом, они упускают возможность объяснить простоту физической реальности и элегантность математики, лежащую в основе закона Ома.

Предыдущие исследователи использовали только расплывчатые термины и неточные измерения для того, чтобы электричество противостояло потоку через проводники. Ом впервые показал, как связать электрическое r сопротивление R, ток i напряженность I и e электродвижущую силу E точным математическим способом, поставив вопрос на прочную научную основу. Математика так же проста, как abc, то есть так же проста, как алгебраическое выражение a = bc. На этом этапе почти каждый писатель продолжает показывать три способа записи закона Ома. На мой взгляд, это затемняет элегантность единственного наиболее важного открытия Ома, недостаток, который я надеюсь исправить здесь.

До исследований Ома экспериментаторы, пытавшиеся установить зависимость между вольтами, током и сопротивлением, имели переменный успех. Проблема заключалась в том, что экспериментальные результаты слишком сильно различались. Проблема изменчивости была решена Омом. Начав с философских и физических основ, он показал, как свойства источника напряжения и измерительных приборов могут варьироваться между экспериментаторами и между экспериментами. Исключив источники этих вариаций или учтя их в своих расчетах, ему удалось установить, что физическая связь между электрическим давлением, электрическим током и сопротивлением была красивой и интуитивно простой.

Георг Ом правильно сделал вывод, что сообщаемая экспериментальная изменчивость была вызвана факторами, присущими физике и конструкции гальванического столба и гальванометра, о которых подробнее ниже, и что изменчивость не была связана с физическими процессами в проводнике при постоянной температуре. . Соответственно, он сформулировал гипотезу о том, что сопротивление любой электрической цепи или любой ее составной части определяется физическими свойствами используемых материалов. Затем он продемонстрировал с помощью философских аргументов и физической реальности экспериментов, что его гипотеза верна: что это теория, подтвержденная доказательствами. Как и многие новые идеи в физике, его теория сначала была отвергнута академическими кругами. Поскольку все более точные экспериментальные приборы давали все большую точность измерения сопротивления, вскоре наступило время, когда теория Ома была не просто принята: она была принята как закон физики.

Как Ом измерял сопротивление

Во времена Георга Ома почти все электрические приборы изготавливались специально экспериментатором или помощником. Единственным предметом, который можно было купить в готовом виде, был гальванометр. Сегодня термин «гальванометр» применяется ко многим различным формам измерительных приборов. Во времена Ома гальванометр состоял из одного или нескольких витков проволоки, окружавшей то, что фактически было маленькой стрелкой компаса. Стрелка будет отклоняться пропорционально току, протекающему по проводу. Ом правильно сделал вывод, что гальванометры, сделанные разными людьми, будут использовать провода разной длины и состава и, следовательно, будут иметь разное сопротивление. Он показал, что гальванометры, изготовленные в соответствии с согласованными спецификациями, будут давать стабильные результаты.

Гальванометр начала 1900-х годов.

Другим важным компонентом, используемым экспериментаторами, была вольтова батарея, ранее известная как батарея Вольта, названная в честь ее изобретателя Алессандро Вольта. Это была вертикальная куча пар цинка и меди, каждая пара была разделена бумагой, смоченной серной кислотой. Георг Ом, несомненно, опираясь на электрохимическую теорию Теодора Гроттуса и опираясь на известные в то время основные принципы электростатики, пришел к выводу, что на котел будет действовать пониженное напряжение из-за движения химических носителей тока. Другими словами, положительные и отрицательные носители заряда будут двигаться внутри жидкости и иметь тенденцию к скоплению там, где они встречаются с поверхностью металла, и, таким образом, иметь тенденцию противодействовать отталкиванию потока других носителей.

Химические вещества в ячейке расщепляются на носители заряда при замыкании внешней цепи.
(Гроттус, а вслед за ним и Ом ясно представляли эти химические вещества и ионы как то, что мы сегодня назвали бы молекулами и ионами.)

В котле также происходят химические изменения, которые постоянно изменяют его электрические характеристики. Говоря современным языком, мы бы сказали, что внутреннее сопротивление батареи не является фиксированной величиной. Опять же, из-за примесей в металлах возникают локальные вариации химического действия. Чтобы избежать проблемы изменчивости напряжения между разными батареями и разных экспериментов с одной и той же батареей, Ом использовал другой источник напряжения: термопару. Томас Иоганн Зеебек продемонстрировал в 1821 году, что приложение градиента температуры к соединению двух разных металлов вызывает появление напряжения между двумя соединениями. Ом использовал тот факт, что если градиент температуры поддерживается постоянным, то и напряжение остается постоянным.

Пример термоэлектрического источника.

Работая теперь с последовательным и легко воспроизводимым оборудованием для производства и измерения электрических сил, Ом смог продемонстрировать факты о резистивных цепях, которые мы сегодня принимаем как должное. Теперь я пройдусь по методам и доказательствам Ома, используя современный английский язык, но надеясь сохранить существенную точность оригинальной публикации Ома: Die galvanische kette, mathematisch (1827 г.), переведенной на английский язык, со многими интересными примечаниями других ныне известных ученых, таких как Гальваническая цепь исследована математически (1891).

Принято считать, что поток электричества от источника напряжения через цепь и обратно к источнику идет от положительной клеммы к отрицательной. Какой бы простой или сложной ни была внешняя цепь, количество энергоносителей, выходящих из батареи, будет равно количеству возвращающихся в батарею, поэтому протекание электрического тока через источник тождественно протеканию через всю цепь.

В простой цепи, имеющей и параллельных путей, не имеет значения, сколько различных отрезков провода соединено вместе, какой они толщины и из какого материала. И не имеет значения, в каком порядке они появляются в цепи: ток, протекающий через все точки цепи, будет везде одинаковым.

Если источник напряжения подключить к цепи, состоящей из одного однородного провода, то напряжение между концами провода будет таким же, как напряжение батареи. При постоянной температуре ток, протекающий по проводу, зависит исключительно от физических свойств провода и напряжения между его концами.

Если длину провода, упомянутого в приведенном выше заявлении, уменьшить наполовину, а напряжение остается постоянным, ток удвоится. И наоборот, если длину провода удвоить, ток уменьшится вдвое. Если вместо замены провода к источнику напряжения параллельно первому проводу подключить второй такой же провод, то ток во втором проводе будет равен току в первом проводе, и, таким образом, ток, подаваемый и проходящий по через источник удвоится.

Максимальное напряжение на одном конце однородного провода и нулевое на другом конце. Ток, протекающий через все точки провода, постоянен. Из этого следует, что напряжение равномерно спадает вдоль провода, так что в средней точке провода напряжение, измеренное относительно нулевой или отрицательной клеммы, будет равно половине приложенного напряжения.

Если цепь состоит из двух или более секций провода разного диаметра или состава, градиент напряжения будет одинаковым на каждой секции, но не обязательно будет одинаковым по всей цепи. Поскольку напряжение постоянно, а ток один и тот же во всех точках цепи, отсюда следует, что эффект ряда секций с различным сопротивлением, соединенных последовательно, может быть воспроизведен с помощью одного провода одинакового состава и диаметра, выполненного с подходящим сечением. длина. (Ом назвал этот эквивалентный провод «укороченной длиной» цепи. Сегодня мы бы просто указали общее сопротивление цепи как определенное число Ом.)

Напряжение в любой точке цепи, по которой протекает постоянный ток, можно рассчитать, если известны сопротивления всех компонентов цепи. В случае однородного провода, по которому течет однородный ток, напряжение между любыми двумя точками можно рассчитать по расстоянию между этими двумя точками. (Это наблюдение легло в основу широко используемого потенциометра, устройства, которое снимает определенное напряжение вдоль резистивного элемента, через который протекает ток.) ​​

Сопротивление провода или цепи физически постоянно при постоянной температуре. Любое изменение тока, проходящего через него, полностью связано с изменением приложенного напряжения. И наоборот, если ток через участок цепи или провода изменяется, то напряжение, измеренное на этом участке, также будет изменяться.

Учитывая, что сопротивление проводника постоянно при постоянной температуре, всегда обнаруживается, что при приложении напряжения между концами проводника ток, вызванный этим напряжением, полностью определяется сопротивлением проводника.

Сопротивление проводника можно измерить, определив, какое напряжение вызовет протекание определенного тока, или путем измерения тока, протекающего при приложении определенного напряжения.

Теперь мы подошли к элегантности и простоте физической реальности резистивных цепей. Чтобы определить значение сопротивления в Омах, просто приложите источник напряжения к резистору. Теперь измерьте напряжение на резисторе и ток через него. Нет необходимости использовать прецизионный источник напряжения или тока: каким бы ни был источник питания, если напряжение и ток измеряются в один и тот же момент, то сопротивление равно напряжению, деленному на ток в стандартных единицах.

Предположим, что напряжение 1,5 Вольта измерено при силе тока 0,75 Ампер. Интуиция подсказывает, что каждые полвольта увеличивают мощность на четверть ампера, следовательно, 2 вольта дадут 1 ампер. Так случилось, что 1,5 разделить на 0,75 равно 2. Как упоминалось выше, на этом этапе большинство авторов, занимающихся законом Ома, продолжают показывать три способа выражения взаимосвязи между вольтами, амперами и сопротивлением. Таким образом, простое изящество открытия Ома упускается. Если вы определяете напряжение на сопротивлении и ток через него, вы можете выразить сопротивление как силу, необходимую для проталкивания каждого ампера через сопротивление: количество вольт на ампер. Если результат выражается в вольтах, которые потребуются для подачи 1 ампера, то сопротивление в омах будет идентично этому напряжению.

Это действительно так просто: сопротивление цепи или компонента равно количеству вольт, которое потребуется, чтобы пропустить через него 1 ампер. Гипотетически говоря. В реальном мире компоненты очень чувствительны к количеству энергии, с которой они должны работать. Электрическая мощность в чисто резистивной цепи равна вольтам на компоненте, умноженному на проходящие через него амперы. Гипотетически, если вы возьмете типичный резистор 1/4 Вт на 1000 Ом и подключите к нему 1000 Вольт, он будет проходить 1 Ампер. Негипотетически он почернеет, будет плохо пахнуть и разобьется. Долгое время! Для бедного резистора, и математически изящного, было бы гораздо лучше подать на него 1 Вольт и доказать значение его сопротивления в Омах, увидев протекание тока всего в 1 тысячную часть Ампера, то есть: 1 миллиампер.

Если вы можете себе представить, что сопротивление в Омах равно числу Вольт, необходимому для того, чтобы через резистор протекал ток силой 1 А, то вы лучше поймете простоту закона Ома. Где E обозначает электродвижущую силу в вольтах, I обозначает индуцированный ток в амперах, а R обозначает сопротивление в Омах, тогда:

R = E / I
I = E / R
E = I x R

, а в особом случае, когда I = 1, R ≡ E

Теперь, когда вы полностью понимаете Ом, вы понимаете, не так ли? — вы готовы строить на этом фундаменте, чтобы узнать больше об искусстве электротехники и электронной техники. Это действительно искусство, и поскольку оно основано на открытиях Ома, вполне уместно сказать, что Ом находится там, где искусство.

Наследие Ома

Менее чем за 80 лет после открытий Ома распределенная электроэнергия – сетевое электричество – стала обычным явлением, и для инженеров-электриков и техников стали производиться различные виды счетчиков. По сравнению с разбросанными спагетти проводами на лабораторном столе они действительно были тем, что заявляли производители: компактными.

Некоторые «компактные» измерительные приборы начала 1900-х годов.

Эти тестовые наборы содержат набор резисторов для использования в качестве шунтов. Использование амперметра — амперметра — шунта непосредственно следует из открытия Ома о том, что низкое значение сопротивления будет отводить большую часть тока мимо гальванометра 9 .0073, но не повлияет на его пропорциональную реакцию на изменения тока в цепи, частью которой является счетчик.

Как счетчик подключается к шунту.

(шунт имеет значительно меньшее сопротивление, чем измеритель, поэтому, хотя эта комбинация может использоваться для измерения сильного тока, сам измеритель не должен проводить этот ток.  Это важно, поскольку чувствительность связано с тонкостью его конструкции. Тонкая проволока, используемая в подвижной катушке большинства аналоговых счетчиков, была бы такой же плавкой проволокой для сильного тока.

Ранняя конструкция расходомера с подвижной катушкой.
(Современные измерители имеют ту же базовую конструкцию, но, как правило, меньше и/или более чувствительны.) некоторые из которых упомянуты ниже.

Электрический ток, представленный альтернативными путями, разделится так, что основная часть тока пройдет по пути наименьшего сопротивления. Это означает, что общее сопротивление ряда сопротивлений, включенных параллельно, всегда будет меньше значения наименьшего сопротивления. Это также означает, что если вы позволите себе стать путем наименьшего сопротивления для высоковольтного электричества, вам грозит смерть. Имейте в виду!

Будьте также предупреждены об эффекте рождественских / праздничных / волшебных огней, который очень умно доказал Георг Ом задолго до изобретения электрической лампы. Если цепь разорвана в любом месте по ее длине, то все напряжение источника появляется на открытых концах. В случае цепочки гирлянд, работающих от сети, даже если это обычно низковольтные лампочки, все сетевое напряжение 110 или 220 Вольт появится в открытой розетке или на оборванных концах проводов , готовых убить вас , если вы не отключите фары перед попыткой ремонта.

Когда несколько элементов должны быть подключены в качестве источника питания для цепи, необходимо учитывать тот факт, что каждый элемент имеет внутреннее сопротивление. Если внешняя цепь имеет высокое сопротивление, то более высокое напряжение обеспечивается рядом последовательно соединенных элементов. И наоборот, если цепь имеет низкое сопротивление, то параллельно подключенные элементы лучше всего соответствуют потребности цепи в токе, поскольку параллельно соединенные элементы обеспечивают такое же напряжение, но больший ток. Ячейки, подключенные параллельно, имеют меньшее общее сопротивление, чем любая отдельная ячейка. Это согласование многоячеечных устройств с требованиями схемы известно сегодня как согласование импеданса. Согласование импеданса имеет жизненно важное значение во многих приложениях электротехники и электронной техники.

Демонстрация Омом градиента напряжения вдоль провода привела к изобретению ползункового потенциометра, предшественника всех видов потенциометров — одной из форм переменного резистора.