Горячая дуга своими руками
Не являясь физиком, я не буду подробно останавливаться на теории, желающие легко смогут найти информацию о дуговых разрядах в справочных, научных изданиях и демонстрационных практикумах по физике.
Электрическая дуга — одна из форм электрического разряда в газах. Она имеет широкое применение в разных областях науки и техники. Для получения электрической дуги нужен источник питания с возможно большей силой тока (от него прямо зависит длина дуги) и обычно небольшим напряжением [k1]. С этой целью часто используют понижающие трансформаторы (вспомните сварочные аппараты).
Однако достать понижающий трансформатор, как и готовый сварочный аппарат для юных химиков часто проблематично: большинство домашних экспериментов они проводят, пользуясь подручными средствами (т.е. без сложного оборудования). Поэтому мы постараемся обойтись простыми и доступными вещами.
Когда-то в школе я увлекся электрической дугой, прочитав о ее свойствах. Особенно привлекла возможность получать с помощью дуги высокие температуры. Решил провести с ней дома несколько экспериментов. Расспросы учителя физики помогли мало. Он сказал только, что нужны графитовые электроды, которые нужно разводить, для получения дуги. Моя первая установка была крайне примитивна и очень опасна, поэтому я опишу усовершенствованный вариант, сделанный несколько дней назад.
Могу предположить, что некоторые читатели уже горят нетерпением получить электрическую дугу. Давайте сразу договоримся:
Не пытайтесь просто подключить электроды к сети — это вызовет короткое замыкание!
Схема «прибора» для получения электрической дуги (если так можно назвать провода, подключенные к сопротивлению) проста: через достаточно мощное сопротивление, которое ограничивает силу тока, подключаем электроды к бытовой электрической сети.
В качестве сопротивления хорошо подходит электрический чайник, т.к. его мощность около 2 кВт, подойдет также электроплитка (не менее 1 кВт). Я использовал старый чайник. Правда, вода в нем быстро закипает, но времени для некоторых опытов хватает, кроме того, часть электроэнергии не пропадает зря. Мощность моего чайника 2.0-2.4 кВт, сила тока в данном случае составляет около 10 ампер.
При таких параметрах тока можно получить дугу в 1.0-2.0 см между заостренными графитовыми электродами от батарейки или немного большую в случае электродов из древесного угля.
Из материалов нам потребуется многожильный медный провод с сечением проводов 1.5 мм 2 , нужно его около 4 метров, но так как опыты лучше делать во дворе или на балконе, учитывайте расстояние до ближайшей розетки. Я использовал дополнительную переноску, чтобы провести провода во двор частного дома. Также потребуется евро-вилка, 2 «крокодила», рассчитанные на большую силу тока, с изоляцией («крокодилы» служат рукоятками), 2 маленьких «крокодила» с изоляцией, служащих для крепления к вилке чайника и 2 «крокодила» без изоляции, которые послужат зажимами графитовых стержней.
Очень желательно предусмотреть предохранитель на случай короткого замыкания. (Например, если вдруг соскользнут «крокодилы» с вилки прибора-сопротивления и цепь замкнет.)
Я по своей лени не включил в цепь предохранитель, чего Вам не рекомендую! Вилка и провод закреплены в штативе во избежание сдвигов провода во время опыта и возможного короткого замыкания, которое может произойти, если маленькие «крокодилы» соскочат с вилки и соприкоснутся. В крайнем случае, не имея штатива, как-то закрепите конец провода. Чайник подключен к цепи последовательно. Предохранитель присоединен тоже последовательно!
Нам также необходим сварочный светофильтр и резиновые перчатки.
Расходы на приобретение всех материалов не превысят 200 рублей.
Кроме того потребуется 2 кусочка жести для «наращивания» ручки крокодила-крепления графитового стержня, жесть крепится к крокодилам загнутыми краями выводов. При опытах стержни сильно накаляются и без жестяных «удлинителей» могут перегреться «крокодилы-ручки». Для экспериментов потребуются графитовые электроды, их можно достать из старых батареек, они годятся, хотя коротковаты, но если представится возможность, достаньте более длинные.
Изготовление установки ясно из фотографий. Тщательно скрепляйте провода, помните, что плохой контакт приведет к местному разогреву.
Если вы не работали с электричеством раньше, вы можете попросить помочь собрать установку отца или другого человека, который в этом разбирается. Уверен, что людей, не способных присоединить провод к вилке, среди химиков-любителей нет. Но если вы чего-то не знаете, помните, что обратиться за советом к знающему человеку не зазорно. Такая необходимость время от времени возникает не только у юных химиков, но и у химиков с большим стажем.
| Прибор для получения электрической дуги (вид сверху) |
| Крепление электродов «крокодилами» Испытание прибора и простейшие опыты с электрической дугой Опыты с дугой потенциально опасны для жизни из-за возможности поражения электрическим током. Не забывайте: используются оголенные электроды! Существует также вероятность получить ожог, устроить возгорание и даже пожар. Во время экспериментов с дугой образуется дым и продукты сгорания с неприятным запахом. Рекомендуется проводить опыты на открытом воздухе. Графитовые электроды от батареек перед опытами хорошо прокалите в пламени горелки или паяльной лампы, иначе они будут «выгорать», образуя дым. Концы стержней заострите ножом. Электроды должны находиться на сухом негорючем основании. Не допускайте контактов оголенных проводников с влажной землей или предметами, проводящими электрический ток. В качестве основания подойдет кусок мела, в нем можно выдолбить углубление, служащее для сбора расплавленных металлов. Также можно сделать печь Муассана, но об этом напишу позже, пока у меня нет возможности побывать за городом и набрать подходящих для нее кусков известняка [1]. Всегда работайте в резиновых перчатках, помните, удар тока бытовой сети может быть смертелен! При плавлении проволоки летят горячие искры, которые могут вызвать возгорание и повредить глаза. Работайте в защитных очках! Смотреть на пламя дуги без сварочного светофильтра вредно для глаз! При работе с дугой в бытовой сети наблюдаются перепады напряжения из-за большой мощности нагрузки (лампы накаливания слегка «мигают».) Это не опасно. Итак, прибор собран, электроды закреплены. Вначале получим дугу и понаблюдаем за ее горением (через светофильтр.) Для получения дуги слегка коснитесь одним электродом к другому и разведите их вначале на 1-1.5 мм. Подождите 5-7 секунд, чтобы края прогрелись. Концы графитовых стержней раскаляются добела. Затем медленно разводите. Дуга с жужжанием горит ослепительно-белым светом. Развести удастся не более чем на 20 мм. При больших расстояниях между электродами, из-за перемещения кратера, дуга самопроизвольно разрывается. Смотреть на дугу следует через светофильтр. Пламя дуги чрезвычайно яркое и богато ультрафиолетовыми лучами, непосредственно смотреть на нее нельзя! Разве что одну-две секунды. Электрическая дуга имеет чрезвычайно высокую температуру. Даже на некотором расстоянии кожа чувствует исходящее от дуги инфракрасное излучение. В такой небольшой дуге можно легко расплавить толстую железную проволоку, я брал проволоку толщиной 2 мм. _________________________________ |
| Электрическая дуга сквозь светофильтр |
| Температура плавления железа довольно высока — 1535°С, однако несмотря на потери тепла через излучение, проволока плавится достаточно быстро. В устойчиво горящую дугу (длина около 10-15 мм) аккуратно внесем железную проволоку. Предварительно конец проволоки обмотайте изолентой или берите ее пассатижами с изолированными ручками. Проволока на конце раскалится, оплавится в шарик, который при достаточном размере оторвется от проволоки. При этом железо горит, разбрасывая искры, как в известном опыте — при сжигании в кислороде. Легко можно сварить два куска проволоки: скрутим их концы и внесем в пламя дуги до оплавления, после охлаждения проволока окажется сваренной. В пламени дуги таким способом можно изготовить спаи термопар. |
| Первый опыт. Оплавленная проволока и слиток железа, полученный на куске мела Можно повторить опыты русского естествоиспытателя Василия Петрова, первым получившего дугу от батареи гальванических элементов. Он использовал электроды из древесного угля. Зажмем «крокодилами-держателями» два куска древесного угля, например, головешки от прогоревшего костра. Дуга между такими электродами зажигается очень легко: коснемся одним электродом к другому и сразу разведем их. Удастся получить дугу в 20 мм и даже немного больше. Однако горение ее неустойчиво: дуга легко разрывается. Уголь при этом быстро сгорает. Большие размеры дуги связаны со сгоранием окиси углерода, образующейся при горении древесного угля; кроме того, концы электродов из древесного угля моментально раскаляются, в отличие от графита. Если взять электрод из древесного угля, можно легко получить дугу между проволокой и углем. При этом металл проволоки плавится. |
| Куски древесного угля в качестве электродов К1 Вообще говоря, проблема заключается не столько в силе тока, сколько в свойствах самого дугового разряда. В обычных условиях (в воздухе при давлении и температуре близких к нормальным, обычных материалах электродов) вольтамперная характеристика дугового разряда имеет достаточно широкую область отрицательного дифференциального сопротивления: чем больше ток дугового разряда, тем меньше падение напряжения на промежутке между электродами. Это означает, что для поддержания установившегося разряда с заданными свойствами источник питания должен работать в режиме стабилизации тока, а не напряжения. По такому принципу строят источники тока для электродуговой сварки. Описанный в статье источник питания (подключенное к сети балластное сопротивление) такими свойствами не обладает. Источник Ионофон или поющая дуга из строчного трансформатораПриветствую, радиолюбители-самоделкины, а также все любители красивых высоковольтных разрядов!
Неотъемлемой частью любого кинескопного телевизора или монитора является высоковольтный трансформатор, служащий в схеме телевизора для создания высокого анодного напряжения для кинескопа. Строчные трансформаторы бывают двух видов — ТДКС и ТВС. Первые расшифровываются как трансформаторы диодно-конденсаторные строчные, они имеют в своём составе встроенный умножитель, а потому имеют на выходе большее напряжение, чем ТВС. ТВС же, в свою очередь, расшифровывается как трансформатор высоковольтный строчный, конструктивно он представляет собой ферритовый сердечник, на котором расположена высоковольтная обмотка, а также одна или несколько первичных. Напряжение на выходе такого трансформатора переменное, в отличие от ТДКС, который автоматически выпрямляет высокое напряжение на выходе за счёт встроенного умножителя. И те и другие трансформаторы представляют довольно большой интерес для всех любителей пускать высоковольтные дуги. Однако рано или поздно обычное пускание плазменных дуг надоедает, и хочется какого-то разнообразия. Здесь самое время вспомнить про ионофон — устройство, которое модулирует плазменную дугу аудиосигналом. Таким образом, с помощью ионофона можно воспроизводить, например, музыку с помощью. самой плазменной дуги. В некоторых литературных источниках такие устройства называются плазменными громкоговорителями. Конечно, громкость такого «громкоговорителя» будет совсем небольшой, но зато, в отличие от воспроизведения музыки на привычных динамиков, здесь нет никаких искажений, вызванных механическим перемещением диффузора — ионофон вообще не содержит каких-либо подвижных элементов. Одним словом, такое устройство стоит собрать как минимум для того, чтобы убедится, что это действительно работает. Наглядная схема для сборки представлена ниже.
В левой части схемы можно увидеть два разъёма, красный — плюс питания, чёрный — минус питания, напряжение должно составлять 12В. Схема в процессе работы будет потреблять довольно значительный ток, вплоть до 1-2А, а потому нужно выбрать источник питания с запасом по мощности, например, на 30-50Вт. На схеме также можно увидеть единственную микросхему — таймер NE555, которая служит для генерации прямоугольных импульсов заданной частоты. Эти микросхемы продаются в любом магазине радиодеталей и стоят в районе 10-30 рублей. В верхней левой части схемы можно увидеть радиатор, на котором закреплён мощный полевой транзистор — это важный элемент схемы, ведь именно он будет непосредственно управлять работой строчного трансформатора. Здесь можно использовать любые полевые транзисторы с током как минимум 5-7А и напряжением 100В, например, прекрасно подойдут IRF740, IRF630, IRFZ44, IRF3808 и другие аналогичные. Выводы транзистора обозначены как » G, D, S» что означает затвор, сток, исток соответственно. При подключении транзистора важно соблюдать цоколёвку, иначе схема не заработает. Транзистор нарисован на схеме на радиаторе не с проста — в процессе работы он будет довольно значительно разогреваться, а потому его необходимо разместить на радиаторе при первом же включении схемы. Радиатор не должен быть слишком маленьким, иначе он не справится с отводом тепла. В процессе работы допускается нагрев транзистора до 40-50°C, это безопасно. Между 7 и 8 выводами микросхемы можно увидеть подключенный подстроечный резистор, он нужен для настройки ионофона на максимальную эффективность, то есть максимальную длину высоковольтной дуги. Здесь можно применить любой подстроечный резистор или потенциометр сопротивлением 10 кОм, при этом одна из крайних его ножек соединяется со средней. Также на схеме можно увидеть два резистора, на 50 Ом и 1 кОм, от последнего зависит частота работы схемы, а потому важно соблюдать номинал. Резистор 50 Ом может варьироваться в пределах 10-100 Ом. Оранжевые конденсаторы на схеме — любые керамические или плёночные. При этом конденсатор, обозначенный как 103 имеет ёмкость 10 нФ, а 104 — 100 нФ, важно не перепутать. В правой нижней части схемы показан вход для аудиосигнала, то есть музыки. К схеме для воспроизведения можно подключать плеер, компьютер или телефон, при этом громкость будет регулироваться с самого источника звука, в целях упрощения схемы ионофон не содержит собственного регулятора громкости. Самая интересная часть конструкции — строчный трансформатор. Для этой схемы не подойдут трансформаторы ТДКС, так как их умножитель не позволит воспроизводить звук. Подойдут только ТВС, например ТВС-110ПЦ15 или другие подобные. Отличить по внешнему виду ТДКС и ТВС не составляет труда. Перед установкой ТВС на схему его нужно подготовить — удалить штатные первичные обмотки, их может быть несколько. Должен остаться лишь голый ферритовый сердечник на месте первичной обмотки, а вот высоковольтную вторичную наоборот нужно постараться не повредить. После этой процедуры на место родной первичной обмотки наматываем свою — она должна содержать 10-15 витков медного провода диаметров около 1 мм. Можно использовать как провод в изоляции, так и медный эмалированный провод. Важной намотать катушку аккуратно, чтобы витки не расходились в стороны, а плотно прилегали к сердечнику — это обеспечит максимальную эффективность. При необходимости обмотку можно зафиксировать термоклеем. К двум выводам новой самодельной обмотки подключается плёночный конденсатор на напряжение как минимум 100В, подойдут конденсаторы типа К73-17, ёмкость должна быть равна 330 нФ. Вместе с конденсатором обмотка подключается к схеме. Один вывод — к плюсу питания, второй — к стоку транзистора. Со штатной высоковольтной обмотки трансформатора снимается дуга, для зажигания и поддержания дуги нужно сделать разрядник — два электрода из толстой проволоки, расположенные на расстоянии 5-10 мм друг от друга. В процессе горения дуги эти два электрода будут сильно нагреваться, поэтому они должны быть тщательно очищены от лака или изоляции.
Всю схему можно собрать навесным монтажом, тем более, что на схеме в начале статьи наглядно показаны все соединения. При сборке схемы таким способом желательно соединять все компоненты как можно более компактно, не используя длинные отрезки проводов — это обеспечит стабильный запуск и работы схемы. Но также можно и изготовить плату, например, методом ЛУТ. Файл печатной платы для открытия в программе Sprint-Layout выложен в конце статьи.
Полевой транзистор можно установить на плату, не забыв прикрутить к нему радиатор, либо вывести с платы на проводах, как показано на фото выше. Также к плате подключается питание 12В двумя проводами и сам трансформатор — ещё два провода. Плёночный конденсатор можно расположить непосредственно около трансформатора, на выводах первичной обмотки. При размещении всех элементов конструкции важно следить за тем, чтобы высоковольтная обмотка трансформатора была подальше отнесена от остальных частей схемы — ведь попадание высоковольтной дуги, например, на микросхему непременно приведёт к выходу её из строя.
Несмотря на то, что высоковольтная обмотка ТВС не обладает достаточной мощностью, чтобы причинить вред человеку, пальцы совать в дугу категорически нельзя — это приведёт к моментальному ожогу, ведь температура плазменной дуги примерно равна температуре пламени. Желательно при касании высоковольтных проводов вторичной обмотки пользоваться пассатижами с диэлектрической ручкой. На картинке ниже можно увидеть собранный разрядник — он представляет собой изогнутую буквой «П» медную проволоку с разрывом по середине. Вся конструкция размещается на небольшой деревянной подставке.
Несколько слов о первом включении и настройке. При первом включении нужно контролировать нагрев полевого транзистора — если он нагревается быстро и слишком сильно даже на радиаторе, значит, где-то в схеме есть ошибка. Узнать о работоспособности схемы можно по характерному шелесту высокого напряжения, который будет исходить от трансформатора. При сближении высоковольтных выводов вторичной обмотки загорится дуга, которую можно будет «растянуть» на некоторое расстояние. Подключать источник аудиосигнала желательно только после того, как схема будет налажена. Также при это нужно следить за тем, чтобы выводы вторичной обмотки были подальше отнесены от аудиокабеля, ведь попадание высокого напряжения гарантированно выведет из строя любой телефон, компьютер или плеер. Единственная наладка схемы заключается в подстройке частоты работы — вращением подстроечного резистора нужно добиться максимальной длины дуги, производить эту настройку нужно лишь один раз после сборки схемы.
На картинке выше показаны импульсы, которые генерирует микросхема NE555, в данному случае они имеют частоту около 20 кГц. Если получится так, что частота будет лежать в слышимом диапазоне (меньше 20 кГц), то возможен лёгкий свист, исходящий от трансформатора — это нормально.
Собрав такую конструкцию можно запросто удивить друзей — ведь им будет очень трудно поверить, что звук воспроизводит всего лишь горящая плазменная дуга. Кроме того, данную конструкцию можно использовать как весьма антуражную зажигалку, ведь температуры дуги достаточно, чтобы поджечь бумагу или другие материалы. Удачной сборки! Источник |
