ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЛЕСТНИЦЫ ИАКОВА

2.1. Электрическая дуга в приборах

Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом: при увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 — 5 В, а напряжение дугообразования — в два раза больше (9 — 10 В). Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона — до 6 В) [3].

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии. Именно частичное расплавление электрода используется при электродуговой сварке, выплавке стали. Еще одно применение электрической дуги: в дуговых лампах.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с ней осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами.

Как сделать мощную лестницу Иакова из трансформатора от микроволновки своими руками

Желание написать данный пост побудила вот это фотография со студенческой конференции технического ВУЗа.

— Видел, что студенты показывали на конференции? — спросил товарищ, показывая фотографию. — Ничего себе! Это же полный *****! И ты там был? — Да, я к ним подходил, разговаривал, но они не стали меня слушать. Что я мог сделать???

И действительно, а что можно поделать. Поговорив с друзьями было решено написать этот пост, в котором расскажем немного про “Лестницу Иакова”, собственный опыт изготовлении этих установок, и поясним, почему эта фотография вызвала столько эмоций.

Лестница Иакова — установка, состоящая из высоковольтного блока питания и двух электродов, расположенных в вертикальной плоскости под углом друг к другу. Так что снизу расстояние между ними меньше, чем сверху, и было выбрано в зависимости от напряжения источника питания, чтобы пробой воздуха между электродами возникал самостоятельно. Во время ее работы можно наблюдать образование и перемещение электрической дуги с нижней (снизу) к верхней части электродов. Этот эффект объясняется тем, что дуга состоит из плазмы, разогретой до 5000-7000° C, она нагревает воздух вокруг себя и благодаря конвекционным потокам разогретого воздуха поднимается вверх, утягивая за собой дуговой шнур. Если сфотографировать с большой выдержкой взлетающий разряд, можно получить необычную фотографию (см. выше), которая будет напоминать лестницу из библейской истории:

Пейзаж со сном (из сна) Иакова, Михаэль Вильман, ок. 1691
Лестница Иакова эффектно демонстрирует целую цепочку физических явлений. И я не могу оставаться равнодушным к этой установке, поскольку люблю физику, со студенческих времен являюсь убежденным популяризатором науки, а последние годы разрабатываю экспонаты для музеев науки. Некоторые читатели хабра наверное помнят, что нами была сделана самая большая катушка Тесла в Украине. Кто читал статью, заметил, что больше всего внимания было уделено не столько изготовлению самой катушки, сколько вопросам безопасности.

На фотографии в начале поста мы видим, как оголенные электроды находятся в прямом доступе участников конференции. Любой кто случайно (из любопытства) прикоснется к электродам скорее всего умрет. Впрочем, лучше меня о явных и неочевидных опасностях высоковольтных установок расскажет Сергей Александрович, хоббист с огромнейшим опытом изготовления катушек Тесла, лестниц Иакова, ионофонов, умножителей напряжения, и просто большой любитель трансформаторов всех форм и размеров

На хабре он под ником Frost273, это, кстати, он автор самой большой катушки Тесла в Украине. Дальше будет его текст.

Можно уверенно сказать, что каждый современный человек, в той или иной ситуации сталкивался с явлениями электричества, и подчас не тогда, когда сам того желал. Если взять в рассмотрение юных (если уже не телом, то душой) и бородатых (есть здесь девушки увлекающиеся электротехникой?) технарей, а именно их в первую очередь привлечёт заголовок статьи, то не найдётся такого, который не испытал на себе удар электрическим током, будь то разобранный источник питания, или не разрядившийся конденсатор, факт остаётся фактом. А раз ты, друг, сейчас читаешь эту статью, значит ты всё ещё жив, и можешь поведать о своём опыте в комментариях.
Однако с некоторыми работающими электроустановками невнимательность становиться последней допущенной в жизни оплошностью. К подобному опасному классу устройств относиться и эксперимент с изготовлением лестницы Иакова.
Особенно лестницы Иакова, “в сердце” которой находиться высокотоковый источник питания, накшталт трансформатора от микроволновки, который может выдать под 500 мА (0,5 ампера) в зависимости от модели микроволновой печи.
А теперь, на секундочку, таблица, чтобы освежить память по такому всем знакомому предмету как ОБЖ.

Воздействие электрического тока на человека
И я готов подтвердить, что даже столь малые величины протекающего по пальцам переменного тока величиной в 0,001 ампер (1 мА) мало кому способны показаться приятным ощущением. И тем больше неприятным будет это ощущение, чем внезапнее оно возникнет. Это я выяснил в свою бытность преподавателем в высшем учебном заведении, когда имел желание и дерзость уразнообразить уроки электротехники для студентов 3 курса путём проведения прикладных экспериментов с электричеством.
Возвращаясь к таблице, можно увидеть, что при любом протекающем по телу переменном токе больше 15 мА имеется угроза здоровью и жизни здорового человека. Человек же, у которого имеются пороки сердца уже находиться в группе риска при меньших величинах.
Хочу также заметить, что разброс величин в таблице, к примеру, для токов неотпускания (10…15 мА), зависит от совокупности дополнительных пяти факторов, помимо величины самого тока:
напряжение;
сопротивление кожного покрова человека (здесь также влияет наличие повреждений кожи и площадь контакта);
длительность воздействия (счёт идёт на доли секунды);
частота электрического тока;
путь протекания по телу.
Из последнего пункта следует, что ток будет протекать по телу и жизненно важным органам только в том случае, когда есть две точки контакта с разным потенциалом. В качестве примера думаю вы все можете вспомнить как видели птиц, сидящих на проводах линий электропередач, при том что там может быть напряжение как 380 В, так и 10 кВ, и выше. Такая неуязвимость объектов животного мира, находящихся в прямом контакте с проводами, объясняется тем, что они приобретают электрический потенциал проводов и ток через них самих не протекает. Да и в связи с габаритами птиц величина тока утечки через поверхность их тел в окружающую среду безопасно мала. Смертность наступает только тогда, когда птичке захочется почистить клюв о траверсу. Увы, подобные происшествия имеют устрашающие масштабы. Чёт отвлеклись…
Я хотел донести мысль, что в этой теме нет места романтизации смерти от удара электрическим током. Экспериментатор с вероятностью 100% не станет доктором Манхэттеном.
Да и скорее уже никем не станет, хотя это не точно. Поскольку шанс остаться живым, хоть и мал, но есть. А вот большая вероятность чего имеется, так это:
Испытать нарушения в работе сердечно-сосудистой системы, органов дыхания, нервной системы…
Получить электроожог (гармоничное сочетание теплового и химического ожогов). При ударе электрическим током сопротивление нашего тела играет нам не на руку, поскольку достаточно большая величина протекающего тока в тканях превращается в тепло, которое вызывает коагуляционный некроз в точках входа и выхода на коже, а также в мышцах и кровеносных сосудах, по которым протекает ток. Что в свою очередь приводит к развитию тромбоза, часто в местах, удалённых от поверхности тела, что значительно замедляет процесс регенерации тканей. Да ещё и сама плазма крови подвергается электролизу при протекании тока, что делает её непригодной для выполнения своих прямых функций транспортировки кислорода.
К тому же есть опасность воспламенения одежды при контакте с электрической дугой. А уж представьте как неудобно тушить свою одежду парализованными конечностями.
Фотография поражённого электрическим током участка тела человека (присутствует цензура)
Не следует ожидать, что электрическая дуга оставит на поверхности тела красивый ожог в форме фигуры Лихтенберга, поскольку такая форма поражения возможна только при ударе статическим электричеством, по примеру грозовой молнии.
Хочу напомнить, что уровень напряжений, используемых в эксперименте “лестница Иакова” изначально ориентирован на образование электрической дуги.
Получить ожоги сетчатки глаз, вследствии воздействия жёсткого ультрафиолетового излучения, производимого электрическим разрядом.
Должен признаться, что я и сам дома баловался данным устройством, конечно же с соблюдением мер безопасности, и с дополнительно экипированными очками с защитой от УФ, но вот незащищённые участки моего лица, которое не видело солнце на протяжении долгих зимних месяцев, осталось покрыто совершенно неэстетичным пятнистым загаром.
Как-то так.
Теперь, читатель, взвесь на одной чаше весов своё любопытство, а на второй перечисленные выше особенности лестницы-Иакова-строения. Не безопаснее ли посмотреть видосик с электричеством на уютном ютубчике?

Подготовка к сборке

Если ты все же твердо намерен попробовать свои силы в изготовлении этой замечательной установки, то вот первые необходимые пункты:
Пункт 0 (главный). Не использовать MOT
Пункт добавлен по рекомендации Neuromantix, lorc и Firelander
МОТ (Microwave Oven Transformer, или трансформатор от микроволновой печи) — невероятно опасное устройство. Не используй его никогда!

Применение других источников высокого напряжения с меньшим током, значительно снизит вероятность кого-то убить. Тем не менее опасность нанести непоправимый вред здоровью сохраняется.

Пункт 1. Подбираем изоляцию

Это может быть не очевидно, но привычные изоляционные материалы, которые прекрасно справятся с напряжениями до 500 В перестают работать при киловольтах. При высоких напряжениях проводниками может стать бумага, дерево, фанера, ДСП, ДВП, картон, и даже пыль на поверхности текстолита! Провода также необходимо подбирать с изоляцией рассчитанной на соответствующие напряжения. Так, кабель от удлинителя категорически не подходит!

Пункт 2. Подготавливаем помещение

Собирать установку необходимо на сухом не горючем не токопроводящем полу. Вокруг установки должно быть пустое пространство, чтобы в случае падения электродов никто и ничто не пострадало. Вот поучительное видео, где установка собиралась на столе и упала прямо на экспериментатора:

К счастью из-за хлипкого крепления электродов, цепь разорвалась и герой ролика не успел умереть. Впрочем так везет не всем, совсем недавно проскакивала новость, как школьника убило при самостоятельной сборке лестницы Иакова в гараже. Также помещении не могут находиться ни кошки, ни собаки, ни птицы, ни другие животные. Они могут в самый неподходящий момент зацепить/завалить установку, отвлечь, или банально полезть к проводам.

А самое главное

, чтобы никто из посторонних не имел физической возможности попасть в помещение, и не только на период работ, но и на время, пока там находится установка.

Пункт 3. Корпус

Необходимо заранее продумать корпус конструкцию так, чтобы никто физически не смог прикоснуться к электрическим компонентам работающей установки, особенно к электродам. Когда мы делали первую лестницу Иакова для центра науки, то поместили ее и за решеткой с замком и за стеклом:

Когда нет отдельного помещения, мы собираем установку в защищенном корпусе, с выполнением следующих правил:

Используется источник с током до 30 мА.
Установка удалена от наблюдателей, они не могут прикоснутся к корпусу.
Рядом с установкой всегда присутствует ответственное лицо.

Пункт 4. Не работать в одиночку

Во-первых необходимо, чтобы при всех тестовых запусках присутствовал человек готовый обесточить установку и квалифицированно оказать неотложную медицинскую помощь. Во-вторых должно быть совершеннолетнее лицо, готовое взять на себя ответственность за пожар, увечья, или даже смерть, которые могут возникнуть при неблагоприятном стечении обстоятельств. Возможно, это не полный список, приглашаю дополнять его в комментариях, важные пункты я добавлю в статью.

Схемы, и инструкции по сборке

Прости дорогой читатель, я обманул тебя — никаких инструкций и схем не будет, и мне совсем не стыдно. Уверен, что это все ты легко найдешь на просторах интернета. Конструкция настолько проста, что ее сможет собрать любой школьник. Однако, прежде чем приступать к сборке, спроси себя, готов ли ты к тому, что может пострадать твой близкий человек?
P.S.

Да, заголовок желтый, а пост не несет новой информации для целевой аудитории Хабра. Тем не менее, надеюсь, что статья займет достойное место в поисковой выдаче и будет прочитана многими энтузиастами, а возможно даже спасет от смерти начинающего экспериментатора.

UPD 1: Первые выводы по опросу и комментариям

По состоянию на 23:59 14.06 результаты опроса следующие:

Может показаться, что не так все и страшно — людей бьет высоким напряжением и все живы здоровы, тем более, что это подтверждает. Однако, это не совсем так. Потому что имеет место ошибка выжившего, ведь только выжившее смогли рассказать о своем опыте. Более того, я внимательно прочитал комментарии и не смог найти ни одного случая, когда кого-то ударило высоким напряжением по-настоящему. В подавляющем большинстве в комментариях делятся опытом контакта с 100-220 В. Только некоторые испытали очень кратковременный удар от разряда конденсатора, что не так страшно, как непрерывный контакт с вторичкой МОТа. Добавлю, что только один знакомый мне человек имел опыт взаимодействия с высоким напряжением. Когда мы были детьми, он пробрался на подстанцию… … Он умирал очень болезненно от огромного количества ожогов в течении минут 15. И выглядело это ужасно. Возможно, поэтому я болезненно отношусь к жесткому нарушению ТБ.

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.

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 изолируем от посетителей еще и стеклом, о котором расскажем чуть позже. В ней будут катушка Теслы, лестница Иакова, несколько флуоресцентных ламп и большой вентилятор.

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.