НПСФ 2010, Специална тема — Задача 2. Трансформатор на Тесла

Национално пролетно състезание по физика, Пловдив, 13 - 14 март 2010 г. — Специална тема · 13 март 2010 г. · 10 т.

Условие

Трансформаторът на Тесла (вж. илюстрацията) е прост уред, с който може да се генерира променливо електрично напрежение с висока честота (103−10610^3 - 10^6 Hz) и голяма амплитуда ( 105−10610^5 - 10^6 V). Първоначално трансформаторът на Тесла е имал многобройни приложения – за излъчване на радиовълни, запалване на газоразрядни лампи и електротерапия в медицината. Днес уредът има повече историческа стойност и се използва за демонстриране на коронен газов разряд.

Оригиналната илюстрация на трансформатор на Тесла.

Устройството на трансформатора е показано на фиг. 1. Състои се от два трептящи кръга, чиито собствени честоти съвпадат. Първичният трептящ кръг е съставен от кондензатор с капацитет C1C_1 и намотка, която се състои от малък брой N1N_1 кръгови навивки. Първичната намотка обхваща вторична намотка, която представлява дълъг соленоид с голям брой N2N_2 (N2≫N1N_2 \gg N_1) навивки. Единият край на вторичната намотка е заземен, а другият й край е свързан към метална сфера с радиус RR, чийто център се намира на височина HH над земната повърхност. Металната сфера и земната повърхност могат да се разглеждат като плочи на кондензатор, включен във вторичния трептящ кръг.

Фиг.1. Пълната схема на трансформатора на Тесла.

А. Параметри на първичния кръг

Известно е, че индуктивността на единична кръгова намотка се дава с израза:

L=μ0r(ln⁡(r/a)−0.230)L = \mu_0 r\left(\ln(r/a) - 0.230\right)

където rr е радиусът на средното сечение на намотката, а aa е радиусът на кръговото напречно сечение на проводника, от който е изработена намотката. Формулата е валидна, когато r≫ar \gg a.

А1. Получете израз за индуктивността L1L_1 на намотка от N1N_1 кръгови навивки, разположени плътно една до друга. Приемете, че дебелината на намотката е много по-малка от нейния радиус: N1a≪rN_1 a \ll r . [1,5 т.]

А2. Пресметнете числено индуктивността L1L_1 на първичната намотка, ако тя е съставена от N1=5N_1 = 5 навивки с радиус r=50r = 50 cm, изработени от проводник с радиус на напречното сечение a=2a = 2 mm. [0,5 т.]

А3. Колко трябва да бъде капацитетът C1C_1 на кондензатора от първичния трептящ кръг така, че собствената честота на кръга да бъде ν=10 kHz\nu = 10\,\mathrm{kHz}? [1 т.]

Б. Параметри на вторичния кръг

Вторичната намотка има дължина l=1,5l = 1,5 m и е съставена от кръгови навивки с площ S=0.2S = 0.2 m2^2. Приемете, че магнитното поле, създадено от тока във вторичната намотка, е еднородно.

Б1) Получете израз за индуктивността L2L_2 на вторичната намотка чрез ll, SS, μ0\mu_0 и броя на навивките N2N_2. [2 т.]

Б2) Ако приемете, че при електромагнитните трептения във вторичния кръг електрическите заряди се разпределят равномерно по повърхността на металната сфера, получете израз за капацитета C2C_2 на системата сфера–Земя чрез RR, HH и електричната константа ε0\varepsilon_0. Пресметнете числената стойност на C2C_2 при R=30R = 30 cm и H=2.0H = 2.0 m. [1,5 т.]

Б3) Колко навивки N2N_2 (с точност до цяло число) трябва да има вторичната намотка така, че собствената й честота на трептене да съвпада със собствената честота ν\nu на първичната намотка? [0,5 т.]

В) Преобразуване на напрежението (3 т.)

Кондензаторът в първичната намотка е зареден от източник на високо постоянно напрежение с ЕДН U1=1000U_1 = 1000 V, след което е изключен от източника и е включен към първичната намотка. В първичния кръг възникват електромагнитни трептения, чиято амплитуда постепенно намалява. Във вторичния кръг също възникват трептения, но тяхната амплитуда постепенно нараства във времето. Получете израз за максималната амплитуда U2U_2 на напрежението между сферата и Земята. Изразете отговора чрез U1U_1 и параметрите N1N_1, N2N_2, rr, aa, ll и SS на вторичната и на първичната намотки. Пресметнете числено U2U_2.

Константи:ε0=8.85×10−12 F/m\varepsilon_0 = 8.85\times10^{-12}\,\mathrm{F/m}; μ0=4π×10−7 H/m\mu_0 = 4\pi\times10^{-7}\,\mathrm{H/m}

Решение


Оригинал в Архива: proletni_2010_STproblems.pdf · официални решения: proletni_2010_STsolutions.pdf