Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan)
TESLA-TEKERCS A TREFORTBAN TESLA COIL IN TREFORT 1
Fülöp Csilla1, Paál Dénes2 Trefort Ágoston Kéttannyelvű Fővárosi Gyakorló Szakközépiskola, Budapest az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója 2 Gábor Dénes Főiskola, Budapest, hallgató
ÖSSZEFOGLALÁS Egy budapesti szakközépiskolában elektrotechnikát tanuló diákok megépítettek egy embermagasságú Tesla tekercset, majd ebből kiindulva szélesebb körű fizika témájú pályamunkát készítettek a Lánczos Kornél tanulmányi versenyre. A felkészülés során áttekintették és feldolgozták a vonatkozó szakirodalmat, és népszerűsítő bemutató anyagokat készítettek el. Ezek felhasználásával kísérlettel egybekötött előadásokat tartottak társaiknak többek között azzal a céllal is, hogy saját példájukkal inspirálják őket hasonló munkára. BEVEZETÉS Műszaki szakközépiskolásokat tanítok matematikára és fizikára. Az iskolában informatika, elektrotechnika, és gépészet szakmacsoportos alapozás folyik. Néhány elektrotechnikát tanuló fiú, diák-vezetőjük Paál Dénes, különös érdeklődést mutatott egy Tesla tekercs megépítésére. Már egy kisebb, kísérletek bemutatására alkalmas működő példányon dolgoztak. A középiskolai szaktanárnak az érdeklődő tanulók tehetséggondozása – pl. szakköri foglalkozás, tanulmányi versenyekre való felkészítés- is feladatai közé tartozik. Egy cél kitűzése segíti a közös munkát. Tehát a szakköri foglalkozások egy részén a Lánczos Kornél fizika versenyre készülést tűztük ki célul, melynek mottója aktuálisan a következő volt: „150 éves a transzformátor”. Részfeladatként egy írásos pályamunkát, és egy rövid ismertetőt készítettünk közösen értékelt, válogatott szakirodalmak, és internetes anyagok alapján. Tesla tudományos szempontból kétes köröknek is kiemelt példaképe, és hivatkozási alapja, így bőven volt feladat az anyagok válogatása, értékelése, feldolgozása során. Célul tűztük ki a továbbiakban egy nagyobb, embermagasságú tekercs építését is, ami el is készült. A project egy kreatív felépítésű, fizikát népszerűsítő munkává érett. Erről a munkáról számolunk be a következőkben. A PÁLYAMUNKA, A MI TEKERCSÜNK Nikola Tesla, a fizikus (1. ábra) A középiskolai tananyagban csak a róla elnevezett mértékegység névadójaként szerepel, ezért életéről, munkásságáról rövid összefoglalót állítottunk össze. Kiemeltük a horvátországi születése mellett munkásságának magyarországi vonatkozásait, a „Feszültségek háborúja”-t (, mint fizikatörténelmi vonatkozást), élete nagy vállalkozását, a Wardenclyffetornyot (2. ábra), és különc szokásait is. Nem hagytuk ki a szerb 100 dinároson lévő arcképet, és a kapcsolási rajzot, továbbá a belgrádi múzeum megemlítését sem.
419
Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan)
1. ábra: Nicola Tesla
2. ábra: Wardenclyffe-torony
A Tesla tekercs definíciója: A Tesla tekercs egy nagyfrekvenciás rezgőkörökből álló, nagyfeszültségű generátor. Alapvetően két tényezőben különbözik a transzformátortól: egyrészt abban, hogy a primer és szekunder áramköre is rezonanciában van az üzemi frekvenciával (vagyis a bevezetett feszültség frekvenciáját megváltoztatja), valamint abban, hogy légmagos kialakítású. A klasszikus tekercsben a rendszer áll egy nagyfeszültségű transzformátorból, egy rákötött kondenzátorból, egy vele sorban lévő szikraközből, primer és szekunder tekercsből, és egy tetőkapacitásból. Működési elve: Az első rezgőkör a primer tekercs és a kondenzátor. Ennek a kapcsolgatását a szikraköz végzi. Amikor megkapja a transzformátor a feszültséget, elkezdi tölteni a kondenzátort. Mikor eléri a kondenzátor feszültsége a szikraköz átütéséhez szükséges feszültséget, a szikraköz két elektródája közötti nagy térerősség ionizálja a levegő gázmolekuláit, így annak ellenállása drasztikusan lecsökken. Ezzel, az eddig szakadással tekinthető áramkör záródik, és a primer tekercsen áram folyik. A primer tekercsben meginduló áram hatására mágneses tér indukálódik, ami áttevődik a második rezgőkörre, azaz a szekunder tekercsre, és a tetőkapacitásra, ahol köráram indul meg a mágneses fluxus-változásból adódó feszültség hatására. Az ionizáció megszűnésével a zárt áramkör megszakad, és újra kezdődik a kondenzátor töltése. A tekercsek önindukciója, és a felhasznált kondenzátor kapacitása a megszakításokkal adott időállandót határoz meg, és rezonancia lép fel, amely biztosítja, hogy a frekvencia nem a tápláló hálózat frekvenciájától függ. A működő tekercs jelenségei és veszélyei: Zavarhatja a rádiót, TV-t, és bármilyen más rádiófrekvenciás adást a saját-frekvenciáján. Ez akár 100 méteres körzetben is érzékelhető egy nagyteljesítményű tekercs esetében. A magas frekvenciás részek érintése életveszélyes, halálos is lehet. Tehát gondoskodni kell, hogy a személy a földpotenciáltól elszigetelt legyen. A szikraköz, és a magasfeszültségű koronakisülés tartós nézése szemfájást eredményezhet a nagy kibocsátott ultraibolya fény miatt. A tekercs működése közben mérgező gázok (ózon, és nitrogénoxid) termelődik, így kisebb zárt helyiségben csak korlátozott ideig működtethető. A tekercs közelében világítani kezdenek a fénycsövek, a Glimm-lámpa világít, egymáshoz közeli fémtárgyak elkezdhetnek szikrázni. A tekercs elkészítése A gyakorlati munkához sok segítséget kellett kérnünk a szakközépiskolában tanító villamosmérnök kollégáktól. Az alábbi kapcsolási rajz alapján dolgoztunk (3. ábra): 420
Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan)
3. ábra: Tesla-tekercs kapcsolási rajz A berendezésünk paraméterei: Transzformátor: 2db mikrohullámú sütőből kiszerelt, sorban kötve, kimeneti feszültsége 5kV Kondenzátor (4.ábra): 65µF kapacitású, poliuretán és alufólia felhasználásával házilag tekercselve (próbáltuk leideni palackokkal is, de ez célszerűbbnek bizonyult) Szikraköz (5.ábra): a forgó szikraköz típusát választottuk, 8 darab 8-as csavar egy sarokcsiszolóra erősített tárcsán, így aszinkron szikraközt kaptunk Primer tekercs (6.ábra): 13 menetben spirálisan tekecselt sárgaréz szalag Szekunder tekercs (7.ábra): 15 cm átmérőjű PVC csőre kézzel tekercselt 0,4mm-es rézhuzal 2000 menetben Tetőkapacitás (8. ábra): alumínium csőből készített toroid
5. ábra
7. ábra
8. ábra
4. ábra 6. ábra FELHASZNÁLÁSI LEHETŐSÉGEK AZ OKTATÁSBAN, ISMERETTERJESZTÉSBEN Az iskolában olyan, ismeretterjesztésre is alkalmas anyagot is kidolgoztunk, valamint alkalmaztunk a tanulók széles körében, mely tudományos igényességgel mutatta be a fizika ezen érdekes szeletét. Ennek gerincét Paál Dénes fizikát népszerűsítő bemutatója alkotta. (9. ábra) Változatosan juthatott el a tanulótársakhoz ez az anyag: éjszakai fizikaóra, bemutató,
421
Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan) fordított óra, fizika-show. A bemutatót tartó személy - diáktárs lévén - saját, támogatással elvégzett munkáját mutatja be, a kortársaknak elérhető célokat kínál, ami erős motiváló tényező lehet. Kísérleteink a kisebb tekercs használatával: A bemutató kísérletei nemcsak látványosak, a résztvevők részt vehetnek azokban, sőt némelyik kifejezetten vállalkozó-szellemű diákokat igényel. 1.A kis áramú, nagyfeszültségű (60- 80kV) szikra megérinthető. 2. A Glimm-lámpa világít. Több tanuló „lánc”-án túl is működik. 3. Gázkisülési csövek világítása, spektrumok bemutatása 4. Plazmagömböt egy izzóból! 5. Csúcshatás bemutatása 6. Elektromos Segner-kerék 6. „Lézerkard” kísérlet: kontakt nélkül is világít a fénycső
9. ábra: Dénes bemutató közben Egy egyszerű feladat A nagy tekercs működésének bemutatását megelőzheti egy jól megválasztott feladat előzetes megbeszélése. Ennek során a tekercs működésének elmélete feleleveníthető. Jó példája lehet a kísérletekkel kísért feladatmegoldásokra tett javaslatoknak. 1. Gondold át, mit tudsz a transzformátorokról! 2. Becsüld meg, mekkora szikrákat látsz a megépített, és ismertetett tekercs működésekor! 3. Szakirodalmi adatok szerint a levegő átütési szilárdsága laboratóriumi körülmények között 20kV/cm körüli érték. Mit jelenthet ez az érték? Mi lehet az átütési szilárdság fogalma? Néhány adat, amire szükség lehet: A berendezés a hálózatról működik. A mikrohullámú sütőből kiszerelt transzformátorok sorban vannak kapcsolva, kimeneti feszültségük így 5kV. A primer tekercs réz szalagból 13 menetet, a szekunder rézdrótból 2000-et tartalmaz.” Könnyen kiszámolható a 770kV feszültség, és ebből a 38cm-es várható szikrahossz adódik. Nagyon látványosak, és érintésvédelmi okokból egyszerűen nem mérhetőek a megjelenő, valóban kb. 35cm hosszúságú kialakuló szikrák. VÉGEZETÜL A pedagógiai munka feltétlen szükséges része az elismerés, pozitív megerősítés. A munkánk a 2010-es Lánczos Kornél versenyen kísérleti különdíjban részesült. Iskolánk igazgatója, és vezetősége többször igazgatói dicséretben részesítette lelkes, kitartó szertárosi munkájáért, és versenyeken is szép elismeréseket hozó Tesla tekercsének elkészítése mellett a fizika, társai körében végzett népszerűsítő munkájáért is Paál Dénest. Az iskola alapítványa
422
Fizika – Új utak keresése (szakmódszertan) ajándékcsomaggal fejezte ki támogatását az értékrend közvetítéséért. Egy közösen, a volt diákommal vezetett szakkörre jelentős érdeklődést tapasztalunk. A Tesla tekercs felé mutatott érdeklődés, példaértékű, partnerként együttműködés, a szakmai lépéseket együtt felfedező tanulási folyamatot, tehetséggondozó, és népszerűsítő munkát is eredményezett. A peripatetikus pedagógiai modell működése értéket teremtett. „… amit megmagyarázunk, megtanítunk, az igazán a miénk”[1] A tanulói kísérletezésen, és tevékenységeken is túllépve vált a tanulók, (főleg Dénes) életének (, és az én életemnek is) kedves részévé Tesla, a fizika egy aprócska szelete. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönetünket fejezzük ki a munkánkat segítő, támogató tanároknak, barátoknak: dr. Illy Judit (ELTE_TTK), Trefort Ágoston Kéttannyelvű Fővárosi Gyakorló Szakközépiskola, Bp., különösen: Bartha Ottília (tanárnő), Csíkja Rudolf (mérnök tanár), Horváth Norbert (volt tanuló), Szabó Ádám (volt tanuló), Sturcz Gergő (volt tanuló), volt Kolos Richárd Kéttannyelvű Fővárosi Gyakorló Szakközépiskola, Bp., különösen: Pámer Éva (tanárnő), Huszár István (tanár), valamint akikre mindig számíthattunk: Paál Ákos (mérnök), Fülöp András (mérnök). IRODALOMJEGYZÉK 1. Máthé M.: Szabadtéri fizika in: Fizikatanítás tartalmasan és érdekesen, Juhász András, Tél Tamás (szerk.), 420. o., ELTE Fizika Doktori Iskola, Budapest, 2010
423
