Изготовление качера Бровина, генерирующего искровой газовый разряд, исследование его свойств и определение эксплуатационных характеристик

Введение

В данной работе рассматривается качер Бровина – это вариант генератора электромагнитных колебаний, который может быть собран на различных активных элементах. Этот прибор был изобретен советским инженером Владимиром Ильичом Бровиным в 1987 г в качестве части электромагнитного компаса его конструкции.

Иногда качер Бровина называют катушкой Тесла, которая также является резонансным трансформатором, однако эти устройства сильно отличаются по конструкции, хотя и обладают подобным и близким функционалом.

В настоящий момент чаще всего при сборке качера Бровина используют биполярные или полевые транзисторы, несколько реже – радиолампы.

Целью работы является: исследование возможностей использования качера Бровина для беспроводной передачи энергии, создание прибора для демонстрации искрового газового разряда, ионизации инертного газа и эффекта ионного двигателя в учебных целях

Актуальность темы: изобретатель качера Владимир Ильич Бровин утвкрждал, что с помощью данного устройства возможно будет сделать много полезных улучшений действующей радиоэлектронной аппаратуры и создать на его основе принципиально новые приборы, например:

- трёхкоординатные печатные платы, и подложки микросхем, где информация будет передаваться перпендикулярно плате трансформаторным способом;

- создать разъемы трансформаторного, а не гальванического контакта (например, на петлях откидывающейся части ноутбуков). Это позволит увеличить количество циклов сгибания-разгибания ноутбука;

- получить возможность исследования беспроводной передачи энергии.

Предмет исследования: прибор, способный генерировать высокочастотное, высоковольтное напряжение (10-20 кВ)

Гипотеза: действующий образец качера Бровина возможно изготовить из доступных материалов, не прибегая к большим денежным затратам и использованию специальных приборов.

Задачи проекта:

Создание из доступных материалов модели качера Бровина, способной генерировать искровой газовый разряд.

Изучение свойств полученных приборов методом наблюдения и проведения электрических измерений.

Создание демонстрационного образца для исследования свойств электромагнитных волн в процессе учебной деятельности.

Обобщение полученного опыта работы, разработка и усовершенствование технологий изготовления устройств данного типа.

Кроме того, что наглядная демонстрация эффектов, получаемых с помощью качера Бровина, может заинтересовать учащихся нашей школы и привлечь их к изучению физики

Глава 1. Технологическая часть

Проектирование

Работа по проектированию качера Бровина началась с того, что в открытом доступе, в сети интернет, я нашёл принципиальную электрическую схему этого устройства.

Рисунок 1. Принципиальная электрическая схема качера Бровина

После этого я изучил информацию о размерах самих катушек, вторичной и первичной. Выбрал материалы для изготовления корпуса и закончил проектирование первой модели. В итоге, проектирование устройства стало для меня самой простой и быстрой задачей. Первые трудности возникли при подготовке материалов.

Подготовка материалов, инструмента и оборудования.

Подготовка материалов, инструмента и оборудования началась с покупки тонкого и длинного медного проводника, а именно намоточной проволоки для трансформаторов диаметром 0,2 мм и длиной не менее 300 м, ведь для намотки вторичной катушки трансформатора его потребуется очень много. Так как в нашем городе я его не нашел, пришлось заказывать его в интернете, обошелся он примерно в 250 рублей. Пока доставлялся медный провод, я не терял времени зря и пошел в магазин радиодеталей, благо в нашем городе их много. В магазине я приобрёл: мосфет-транзистор IRFP460, толстый одножильный провод для первичной катушки около 4мм в диаметре, 2 диода 10А10, двунаправленный диод 1,5ке15са, 2 конденсатора на 1 и 10uf 400v, резистор на 47кОм и переменный резистор на 10кОм, всё это обошлось мне примерно в 300₽. Ещё, в я приобрел пластиковый контейнер для еды и две пластиковые трубы для намотки катушек, одна диаметром 11см и 19см высотой, другая диаметром 5см и высотой 35см общая стоимость составила 300 рублей. В итоге на материалы для изготовления качера Бровина мне потребовалось затратить около 800 рублей, без учета проведения экспериментов и опытов.

Из инструментов радиолюбителя для воплощения в жизнь электрической схемы мне нужно было совсем немного, а именно: паяльник, припой, канифоль и, конечно, измерительный прибор - мультиметр.

Для создания корпуса мне понадобились: молоток, дрель, набор свёрл, ручная пила, набор отвёрток и пачка саморезов.

Меры безопасности при выполнении работ.

Качер Бровина, это технологически сложное изделие, для изготовления которого требуется проведение слесарных работ, электромонтажных работ, отладка и тестирование полученного образца с помощью электроизмерительных приборов.

Перед тем, как приступить к работе по сборке и тестированию качера Бровина, необходимо изучить меры безопасности при работе с электроинструментом, меры безопасности при работе с электрооборудованием, а также меры безопасности при работе со слесарным инструментом.

Техника безопасности при работе с электроприборами

Соблюдение требований техники безопасности при работе с электроприборами — важное требование, соблюдение которого исключает возможность поражения электрическим током. Напряжение меньше 36 вольт считается безопасным для жизни человека. Но работы производились с использованием бытовой электросети, где напряжение, как известно, существенно выше — 127 или 220 вольт.

При работе с высоким переменным напряжением необходимо строго соблюдать требования техники безопасности, а именно:

- не касаться оголенных проводов и отключать прибор от сети во время доработок и улучшений;

- для работы оборудования следует использовать только заземленные розетки;

- нельзя браться за провода и работающую технику мокрыми руками;

- не следует выдергивать вилку из розетки за шнур;

- запрещается пользоваться неисправными приборами;

- нельзя разбирать или ремонтировать технику, включенную в розетку;

- запрещается включать одновременно количество электроприборов, превышающее допустимую мощность электросети;

- запрещено касаться металлических поверхностей, держа в руках работающее электрическое устройсвто
Источник: 

Строгое соблюдение мер безопасности при работе со слесарным инструментом поможет избежать травм при выполнении слесарных работ по сборке качера Бровина.

Кроме того, при работе качера, выделяется газ озон (О3), поэтому нужно регулярно проветривать помещение, в котором проводятся опыты.

Соблюдение мер безопасности при проведении работ, это очень важная часть моего проекта, потому, что при неправильном обращении с электричеством можно получить сильные ожоги или даже остановку сердца, что может привести к летальному исходу.

Процесс изготовления

Это был самый долгий и сложный для меня процесс, который длился около трёх месяцев и занял у меня уйму времени.

Вначале я приготовил и спаял первую версию электрической схемы.

Рисунок 2. Начало монтажа устройства

Затем я намотал вторичную катушку, это заняло у меня порядком 3 часов непрерывной намотки. Намотал первичную катушку и закрепил её на трубе. И после этого я начал искать ограничитель тока, ведь в схеме из сети используется большой дроссель для ламп дневного света (дроссель-катушка из медного или алюминиевого проводника намотанная на магнитопровод из железа или феррита.), но в нашем городе его сложно найти, и он дорого стоит.

Вначале я решил использовать 4 мощных 50-ваттных резистора, включенных параллельно, но их мощности не хватило и при первой попытке запуска они все сгорели. После этого у меня возникла идея использовать в качестве ограничителя тока лампы накаливания, ведь им не страшен перегрев, и они могут обеспечить нужную мощность. «Решено!», - подумал я и начал первые испытания своего качера.

Но при испытаниях выяснились первые проблемы использования ламп, а именно: это свет ламп, который освещает искровые газовые разряды, и из-за чего их становится хуже видно. Второй недостаток устройства заключался в том, что не хватало мощности лампы, так как при последовательном соединении потребителей, ток ограничивается самым слабым энергопотребителем, то есть, вторичной катушкой качера Бровина, а в то время мощность моего качера составляла где-то 95ватт.

Поэтому было решено использовать две лампы по 300ватт, соединенные параллельно, для того чтобы поднять мощность до 600ватт. Хоть разряды стали и больше, но проблема со освещением дуги стала еще выше. Сначала я подумал, что можно закрыть свет ламп какой-нибудь шторкой из жести, но эта идея себя не оправдала, так как из-за этого лампы быстро перегревались и выходили из строя. Поэтому я продолжил поиски ограничителя дальше.

Долгое время никаких идей не было, но потом я посмотрел на бытовые приборы, которые были дома и меня осенило! Фен- это то, что нужно. Ведь он сочетает в себе все необходимые для моего проекта свойства, а именно: большая потребляемая мощность, около двух киловатт, отсутствие света и, что самое интересное, благодаря фену появилась возможность во время работы качера менять его мощность, с помощью встроенных в него кнопок. Итак, ограничитель тока найден и готов к использованию.

Перед тем, как приступить к отладке схемы, необходимо было решить проблему охлаждении транзистора, который при работе сильно нагревался. Я быстро нашел решение, прикрутив его на небольшой алюминиевый радиатор и подключив к радиатору вентилятор, который я запитал от блока питания на 7 вольт. Теперь предстояли отладка и настройка электрической схемы качера, как как длина искровых газовых разрядов ещё была недостаточной, для качественной и наглядной демонстрации и я хотел достичь больших результатов. Я долго экспериментировал с ёмкостями конденсаторов и сопротивлением резисторов и в итоге достиг нужного мне результата. И длина разрядов стала достигать 7-8 см против 4-5 см ранее.

Рисунок 3. Демонстрация стримера

Рисунок 4. Демонстрация коронного искрового разряда

Рисунок 5. Демонстрация стримеров

Рисунок 7. Свечение газоразрядной лампы в электромагнитном поле, созданном работающим качером Бровина

После завершения всех испытаний и отладки я установил качер в корпус, привел его вид в порядок и завершил этап постройки. И на этом очень долгий, сложный и, что самое главное, интересный процесс создания модели качера Бровина с возможностью демонстрации газового разряда был завершён!

Глава 2. Исследования качера Бровина.

Процесс исследований качера Бровина я начал с изучения литературы по данной теме и различных источников из сети интернет.

В начале ответим на вопрос: почему данное устройство называется «качером» и как оно работает?

История создания качера возникла в 1987 году, когда советский инженер Владимир Ильич Бровин занимался проектированием компаса, позволяющего пользователю определять стороны света не посредством зрения, а при помощи слуха. Он планировал использовать генератор звуковой частоты, изменяющий тон в соответствии с расположением устройства относительно магнитного поля планеты. В качестве основы использовал блокинг-генератор, усовершенствовав его, и полученный прибор впоследствии получил название качер Бровина.

Звуковой компас срабатывал при изменении ориентации, как и было задумано. Сейчас же качер Бровина собирают, в основном, радиолюбители.

Объясняется работа устройства примером с качелями: Если давать качелям небольшой импульс, в то время, когда они находятся в крайнем верхнем положении, то амплитуда постепенно начнёт возрастать. Качер Бровина работает именно по такому принципу, в результате колебаний тока во вторичной катушке по проводам подаются сигналы на затвор транзистора, который, в свою очередь, открывается и подаёт импульс на первичную катушку, тем самым запуская процесс «качелей».

Технические исследования я начал с самого простого, а именно с наблюдения явления свечения газоразрядной лампы в руках без подключения к сети. В общем то, это и есть беспроводная передача энергии, но КПД (коэффициент полезного действия) крайне мал. Этот опыт объясняется тем, что в лампе, попадающей в высокочастотное электромагнитное поле, излучаемое качером, начинает ионизироваться и светиться газ, находящейся в ней. Точно такой же опыт можно провести и с обычной лампой накаливания, но свет будет другого цвета.

Второй зрелищный опыт- это прикосновения к разрядам исходящих из качера. В процессе исследования было обнаружено, что качер Бровина может генерировать несколько видов различных газовых разрядов:

- дуговой разряд, который возникает во многих случаях. Он характерен для ламповых трансформаторов;

-коронный разряд, который является свечением воздушных ионов в электрическом поле повышенного напряжения, образует голубоватое красивое свечение вокруг элементов устройства с высоким напряжением, а также вокруг элементов, имеющих большую кривизну поверхности;

- спарк, который по-другому ещё называют искровым разрядом. Он протекает от терминала на землю, либо на заземленный предмет в виде пучка ярких разветвленных полосок, быстро исчезающих или меняющихся;

- стримеры – это тонкие слабо светящиеся разветвляющиеся каналы, содержащие ионизированные атомы газа и свободные электроны. Они не уходят в землю, а протекают в воздух. Стримером называют ионизацию воздуха, образуемую полем трансформатора высокого напряжения.

Кроме того, был проведён опыт с касанием газового разряда пальцами рук. Это оказалось абсолютно безопасно. Безопасность проведения опыта с касанием газового разряда рукой объясняется высокой частой тока, при которой электрический ток не проникает к внутрь организма и распространяется только по поверхности кожи.

При этом микро-ожоги всё же могут появляться, но не от прикасания к газовому разряду. Дело в том, что работе качера Бровина выделяется газ озон (О3), который является сильным окислителем и при больших концентрациях может причинить вред здоровью человека. Появление и наличие озона в окружающем воздухе мы можем определить огранолептически по характерному запаху, используя органы обоняния человека.

Поэтому при эксплуатации качера Бровина необходимо регулярно проветривать помещение.

Озон вырабатывается за счет воздействия на кислород электрических разрядов. Цитата: «Образование озона возможно во всех известных формах электрического разряда в среде, содержащей кислород. При этом диссоциация молекул кислорода в разрядах в газовой среде в основном осуществляется за счет столкновений молекул с ускоренными в электрическом поле электронами (диссоциация электронным ударом). Дополнительными факторами могут быть ультрафиолетовое излучение самого разряда и столкновения молекул кислорода с возбужденными атомами или молекулами, в том числе с атомами или молекулами примесей.»

Есть ещё один интересный опыт, связанный с качером это создание ионного двигателя, принцип действия которого основывается на интересном явлении, вызванном проявлением электрического ветра (электрический ветер, ионный ветер – воздушный поток, вызванный электростатическими силами, связанными с коронным разрядом, возникающим на заостренных концах проводников). КПД ионного двигателя составляет около 60-80%, но в моём случае меньше, из-за простоты конструкции.

Опыты с качером очень интересны и с первого раза даже кажутся какими-то волшебными.

Выводы.

Для меня создание качера- большой путь, который я преодолевал, справляясь с технологическими и физическими сложностями и в итоге достигнув желаемого результата. Ведь начинал я с маленькой катушки, питающейся от 9-ти вольтовой батарейки и даже не имеющей разряды. После чего, решил сделать модельку побольше и посложнее, сделав еще одну катушку на 12 вольт. Она была уже с небольшими разрядами, около 0,5-1см. Но на этом я не остановился и пошел дальше, соорудив большой сетевой качер, с которым можно было проводить интересные и занимательные эксперименты. В данное время работы по усовершенствованию конструкции качера Бровина продолжаются, и я до сих пор исследую возможности качера и изучаю что-то новое.

Список используемых источников и литературы:

1. А. В. Перышкин ФИЗИКА 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации ВЕРТИКАЛЬ Москва изд. Дрофа 2013 год

2. А. В. Перышкин, Е. М. Гутник, ФИЗИКА 9 класс. Учебник Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации ВЕРТИКАЛЬ Москва, изд. Дрофа 2014 год

3. Г. Я Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. Физика 10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. Базовый уровень. Москва, издательство «Просвещение» 2010 год

4. Г. Я Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин. Физика 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций. Базовый уровень. Москва, издательство «Просвещение» 2020 год

5. https://ohranatryda.ru/tehnika-bezopasnosti/pri-rabote-s-elektropriborami.html

6. https://ohranatruda.ru/ot_biblio/instructions/166/149366/