Как Тесла встретился с Ландау, или Гайд по строительству комнаты высоких энергий
В старших классах нам рассказывали об электрическом токе и магнитах. Говорили, что постоянное электрическое поле порождает постоянное магнитное поле, а переменное магнитное поле создает переменное электрическое. Мы дружно кивали, записывали это в тетради и шли домой, попутно забывая тему урока. Мы не знали, как выглядят эти поля, как работает электричество и где вообще можно применить эти знания.
Если бы тогда было место, где эти принципы демонстрируются наглядно, — возможно, некоторые из нас запомнили бы, что говорили учителя, и попробовали себя в науке. Приблизительно так мы размышляли, когда начали строить комнату высоких энергий.
Осторожно — много интересных фото под катом.
О «ЛандауЦентре»
Комната высоких энергий — это образовательный проект для детей. Мы запустили его в первом украинском приуниверситетском центре интерактивной науки — «ЛандауЦентре» Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина.
«ЛандауЦентр» находится в северном корпусе ХНУ — довоенном здании, в котором раньше размещалась Военная инженерная радиотехническая академия ПВО имени Л.А. Говорова. В 2004 академию реорганизовали и передали здание университету Каразина. В 2013 году на 1-м этаже правого крыла было выделено несколько помещений под создаваемый университетским сообществом «ЛандауЦентр». Позже, уже после успешного начала работы в 2014 году, центр получил несколько аудиторий на 2-м этаже и подвальные помещения.
«ЛандауЦентр» напоминает многие европейские центры науки: варшавский «Коперник», гданьский «Эксперимент» или тартуский «АХХАА». У таких центров общие цели. Одна из них — обучение естественным наукам в игровой форме. Например, в «ЛандауЦентре» дети пробуют поднять гирю в 32 килограмма на коротком и на длинном плече рычага и понимают: если сделать плечо достаточно длинным, можно развить любое усилие. Еще древние египтяне применяли рычаг Архимеда, чтобы двигать куски мрамора.
Все экспонаты создают сотрудники и студенты университета своими руками. Так постепенно заполнился основной зал на первом этаже, поэтому для своего проекта мы выбрали одну из свободных комнат на втором.
О команде
Над проектом работали два архитектора, три строителя, два физика-консультанта, два электрика, один координатор и много неравнодушных к науке людей.
Архитекторы сделали проект и рендеры помещения. Строители воплотили проект в жизнь примерно за полгода. Физики построили «Лестницу Иакова» и самую большую катушку Теслы в Украине. Электрики помогли с проводкой и реализацией системы запуска этих приборов. Координатор сделал так, чтобы работа шла гладко и без регулярных приемов валерьянки.
Планирование
Мы подумали, что можно использовать одно из пустующих помещений центра для интересного проекта, который заинтересует детей наукой и техникой. Но не знали, что конкретно можно реализовать. Хотелось сделать что-то полезное, но в тоже время зрелищное, вроде комнаты Эймса или комнаты RGB.
Ученые из «ЛандауЦентра» уже давно мечтали построить большую катушку Теслы. Они рассказали, что у них есть мини-катушка, и устроили небольшую демонстрацию. Нам очень понравилось, и мы решили осуществить эту идею.
В начале 2016 года мы приехали в «ЛандауЦентр», чтобы еще раз осмотреть и измерить помещение.
Для нашего проекта комната не годилась: пластиковый подвесной потолок мог легко загореться, было слишком светло, стены нужно было приводить в порядок — снимать облицовочный слой и, возможно, делать новый.
Чтобы посетителям было интересно, нужно дать им возможность запускать приборы –, но так, чтобы не было опасности для их жизни и здоровья. Мы посоветовались с архитекторами и физиками и решили разделить комнату на 2 зоны: для посетителей и для экспонатов.
Мы решили, что зона для посетителей будет вмещать 25 человек. Для безопасности разделим зоны клеткой Фарадея. Расположим её так, чтобы она попадала во внешнее электрическое поле, которое излучают приборы.
Клетка Фарадея работает так: свободные электроны двигаются вокруг нее и концентрируются определенным образом. За счет этого противоположные стороны клетки получают разные заряды, которые создают новое поле, направленное противоположно внешнему. В итоге происходит компенсация заряда, и внутри клетки он отсутствует — то есть клетка полностью поглощает электромагнитные волны от катушки.
Кроме клетки, вторую зону изолирует от посетителей еще и стекло, о котором расскажем чуть позже.
Теперь у нас были чертежи, и мы начали строительство.
Решили оставить паркет. Хотели, чтобы комната напоминала университетскую аудиторию, и сдать проект в срок. Сняли верхний слой древесины вместе со старым лаком и покрыли новым.
Электрические разряды лучше всего видны в темноте. Мы решили отбить штукатурку до кирпича, а потом покрасить стены и потолок в черный.
Вот как это выглядело на рендерах:
К счастью, стены были в хорошем состоянии.
Тестируем черную краску. Выглядит неплохо:
Что вышло в итоге:
Работа
Пока строители демонтировали последнюю шпаклевку, физики из «ЛандауЦентра» собирали катушку Теслы и «Лестницу Иакова».
Никола Тесла запатентовал катушку еще в 1891 году. С тех пор ее конструкция практически не изменилась. Вы можете построить простой вариант трансформатора по этому видео:
Физики из Ландау спорят о первичном контуре катушки:
Теперь посмотрим, как работает трансформатор Теслы:
Есть источник напряжения — 220 вольт. Ток подается через лампочку накаливания в 200 ватт, которая служит токоограничивающим резистором. Если бы лампочки не было, при включении катушки Теслы выбивало бы автоматические выключатели.
Ток идет в 4 трансформатора. Они находятся в пластиковом контейнере и залиты синтетическим машинным маслом. Масло — диэлектрик и защищает от электрического пробоя, а также охлаждает трансформаторы во время работы.
На выходе из трансформаторов мы получаем 8 400 вольт. Ток замыкается через воздушный промежуток между двумя контактами, которые вращаются на двигателе.
При работе двигателя контакты замыкаются, и образуется колебательный контур. Первичная обмотка имеет индуктивность, а конденсаторы, в которых накапливается энергия, — емкость.
После этого в первичном контуре начинает резонировать ток частотой свыше 200 килогерц, и часть энергии поглощается вторичной обмоткой.
В результате мы получаем самую большую катушку в Украине и почти полмиллиона вольт. Для катушки высотой 80 сантиметров результат достойный. Но чтобы вызвать какой-нибудь тунгусский метеорит, этого, конечно, недостаточно.
«Лестница Иакова» — это 2 медных электрода, длина каждого — 2 метра. По ним тоже протекает ток высокого напряжения — около 18 000 вольт. Между электродами возникает пробой воздуха и электрическая дуга, которая поднимается вверх.
Электрическая дуга в воздухе превращается в плазму, температура которой — 5000 ºС. Теплый воздух легче холодного, поэтому за счет конвекции он поднимается вверх, увлекая за собой дугу. Когда дуга достигает самого широкого промежутка между электродами, она обрывается. В этот же момент внизу электродов зажигается новый дуговой разряд, и процесс повторяется.
На фото «Лестница Иакова» справа:
Она называется «Лестницей Иакова» из-за разрядов, которые напоминают ступеньки. Это отсылка к библейской истории о патриархе Иакове, который во сне увидел лестницу, ведущую в небо.
«Лестница» состоит из:
- Двух дуг, которые наверху закреплены на клетке Фарадея через изоляторы.
- Четырех неоновых трансформаторов. Они не находятся в масле, как для катушки Теслы, а залиты твердой эпоксидной смолой еще на заводе.
- Платы управления продолжительностью пусков.
Тестирование
Специалисты «ЛандауЦентра» закончили приборы за 2 месяца до открытия. Будущие экспонаты нужно было тщательно проверить.
Ток от катушки обладает скин-эффектом — электричество проходит по поверхности кожи и никак не вредит человеку. Но всё же мы решили поставить перед клеткой Фарадея еще и стеклянный защитный экран. Лишний уровень защиты не помешает: когда посетители комнаты — дети, лучше перестраховаться.
Строители заканчивали отделку и устанавливали сетку. Мы думали над графиком работы экспонатов. Остановились на том, что катушка и «Лестница» будут работать около минуты, а потом почти на 5 минут отключаться. Это поможет избежать износа трансформаторов и других составляющих. А сотрудник центра в это время расскажет посетителям об электричестве — или отдохнет.
Экспонаты включаются кнопками, которые находятся в щитках рядом с клеткой Фарадея. В одном щитке кнопка для катушки, в другом — для «Лестницы». Дети всё время норовят нажать кнопки, пока сотрудник центра не смотрит. Но после окончания сеанса работы экспонатов нажатие на кнопку ничего не даст. Когда прибор снова готов к запуску, зажигаются лампочки над щитками. Если они горят зеленым — можно снова устраивать шоу!
После работы катушки в помещении очень легко дышать, как будто вышел на улицу после грозы. Это происходит из-за того, что после разряда молний образуется много озона. В больших количествах озон может вызывать головные боли, поэтому в комнате постоянно работает вытяжка.
Мы установили клетку Фарадея и приступили к монтажу защитного стекла, которое поможет бороться с переизбытком озона. На фото его хорошо видно.
Работа катушки и лестницы абсолютно безопасна. Но есть исключения: когда работает катушка, в комнате нельзя находиться людям с кардиостимуляторами и слуховыми аппаратами. Магнитное поле, которое вырабатывает катушка, влияет на работу этих устройств — они могут начать сбоить.
Разрядник катушки Теслы очень сильно шумит. Сотрудники центра купили несколько десятков шумоизоляционных наушников, чтобы дети чувствовали себя комфортно.
Включенная катушка Теслы обладает сильным электромагнитным полем. Люминесцентная лампа рядом с ней начнет светиться. Мы закрепили на клетке Фарадея несколько таких ламп.
Открытие
Пятого января комната открылась для всех желающих.
Теперь сотрудники «ЛандауЦентра» проводят интерактивные лекции и наглядно объясняют, как работает электричество. Например, рассказывают, почему нельзя в грозу гулять на открытой местности. У поверхности земли возникает сильное электромагнитное поле. Напряженность этого поля очень велика возле острых проводников: деревьев, телевышек, молниеотводов, одинокого человека в степи. Поэтому в них может ударить молния.
Чтобы продемонстрировать это, мы поставили в клетку Фарадея вешалку, которая принимает на себя заряды катушки.
Plarium — техническая компания и мы хотим популяризировать технологии любыми доступными способами. В прошлом году провели серию мероприятий для разработчиков uDev, в этом открыли комнату высоких энергий вместе с «ЛандауЦентром». Мы убеждены, что заинтересовать людей можно только через их собственный опыт. Что наука и техника двигают человечество вперед, даже если оно сильно сопротивляется и всё еще заваривает чай бабушкиными кипятильниками.
Экспериментируйте и учитесь новому. Тесла ведь говорил: «Действие даже самого крохотного существа приводит к изменениям во всей вселенной».
