Высоким считается напряжение в несколько тысяч вольт. Свойства такого напряжения заметно отличаются от свойств «обычных», низковольтных источников. В первую очередь, высоковольтным установкам (если речь не идет, конечно, о ЛЭП и электростанциях) свойственны маленькие токи. В большинстве самодельных высоковольтных приборов рабочий ток исчисляется единицами миллиампер; в мощных рентгеновских установках он может составлять сотни миллиампер.

Неприятной особенностью высокого напряжения является то, что оно способно ионизировать воздух. В результате воздух начинает неплохо проводить ток - происходит пробой, искра. Расстояние, которое способна проскочить искра, зависит от напряжения и радиусов электродов. Для закругленных проводов, шаров оно больше, для тонких проводов и острых кромок меньше. Для простоты можно считать (несильно ошибемся), что каждый киловольт напряжения способен пробить один миллиметр сухого воздуха без предварительной ионизации. Если же где-то рядом имеется острие, на котором горит коронный разряд, то пробой облегчается в разы.

Нетрудно догадаться, что пробои очень опасны. Ведь высокое напряжение попадет туда, куда попадать не должно. От пробоев есть неплохая защита - замена воздуха на жидкую (масло) или твердую (парафин, полиэтилен, эпоксидная смола) изоляцию. В кустарных условиях неплохая изоляция получается из некоторых силиконовых герметиков и капронового термоклея - надо лишь, чтобы внутри не было никаких пузырей!

Кроме всем хорошо известного искрового разряда, высокое напряжение способно создавать и другие их виды. Основных видов разряда четыре:

• Искровой
• Дуговой
• Тлеющий
• Коронный

Кроме того, существуют высокочастотные разряды.

Искровой разряд происходит в газах при не слишком низком (напр. атмосферном) давлении. Процесс развивается очень быстро, но постепенно. От электрода начинается ионизация, имеющая вид тонких каналов — стримеров. Эти каналы разрастаются подобно ветвям дерева. Рано или поздно один из стримеров достигает противоположного электрода. В этот момент он отбирает на себя весь ток, утолщается и разрастается, образуя канал лидера. Поскольку ток резко возрастает, источник напряжения «просаживается». Как только емкости электродов разрядятся, напряжение резко падает, искра гаснет. Погасанию искры способствует и индуктивность проводов, зачастую приводящая к кратковременной смене полярности напряжения — искра гаснет в момент перехода напряжения через ноль.

Если источник напряжения достаточно мощный и не дает напряжению упасть, искровой разряд переходит в дуговой. Для поддержания дуги достаточно всего нескольких вольт, но токи при этом огромны. Электроды очень быстро разогреваются, с них начинается термоэлектронная эмиссия, поддерживающая ионизацию и проводимость газа. На высоком напряжении дуговой разряд встречается исключительно редко; чаше всего за него по неграмотности принимают быструю серию искровых разрядов или высокочастотный разряд. «Дуги», образующиеся от самодельных высоковольтных источников — всегда быстрые серии искр!

Коронный разряд бывает при атмосферном давлении на уединенных остриях. Внешне он выглядит как светящийся ореол. Он плохо виден на свету; рассматривать его надо в полной темноте. Встречающийся в природе коронный разряд на верхушках мачт кораблей, деревьев, шестов называется огнями святого Эльма.

В технике коронный разряд причиняет массу неприятностей. Во-первых он приводит к стеканию заряда и потерям энергии. Во-вторых, он вызывает ту самую ионизацию, которая облегчает пробои.

При низком давлении (примерно 100 мм. рт. ст.) в газах наблюдается тлеющий разряд. Возникает он, как и искровой, между двумя электродами. Но вместо трещащих стримеров образуется стабильное спокойное свечение. На тлеющем разряде основаны многие газоразрядные лампы. Его можно наблюдать и в кустарных условиях, расположив электроды внутри закрытого шприца и вытянув поршень, чтобы внутри образовалось сильное разрежение. Однако на такой шприц нельзя долго смотреть без очков, защищающих от ультрафиолета, поскольку такой ультрафиолет способен вызвать катаракту и другие серьезные заболевания глаз.

Если полярность напряжения меняется очень быстро (сотни тысяч раз в секунду), то возникший искровой разряд не успевает погаснуть и превращается в совершенно особое явление — высокочастотный разряд. Такие разряды совершенно бесшумны (иногда слегка шипят), подвижны и не погасают. Они могут возникать вокруг всего одного электрода. Именно таковы стримеры катушки Тесла.

Кроме разрядов, высокое напряжение способно вызывать притяжение и отталкивание предметов согласно закону Кулона. На этом основано действие электрофильтров, улавливающих пыль. Еще с помощью такого явления высокое напряжение можно измерить.

Это надо знать, работая с высоким напряжением:

• Не работай один! Работайте вдвоем - если что, второй вызовет скорую.
• Работай одной рукой! Вторую руку держи за спиной, а лучше в кармане.
• Используй изолированный инструмент.
• Не работай на проводящем полу или в носках (босиком). Надень хотя бы тапочки с резиновой подошвой. Не работай во влажном помещении. Все жидкости убери подальше.
• Помни, что высокое напряжение может пробивать изоляцию. И особенно воздух.
• У схемы должен быть легкодоступный выключатель. Лучше всего — большая красная кнопка «стоп». Еще лучше, если не одна.
• Схему должно быть легко выключить, но не должно быть легко нечаянно включить. Идеальный вариант — включается выключателем с ключом, выключается красной кнопкой. Помните, что гости или родственники (особенно дети) могут включить схему, хотя бы и нечаянно.
• В любом более-менее опасном устройстве должно быть нормальное (не на батарею!) заземление и выключатели-интерлоки «от дурака», не позволяющие включить устройство с открытым корпусом.
• Убери все лишнее с рабочего места. Нечаянно сшибленный локтем со стола предмет может натворить много бед. Например, зацепиться за провода и опрокинуть на тебя всю высоковольтную схему.

Эти методы получения высокого напряжения известны всем. Самый простой способ получить электричество — погладить кота. Искры, образующиеся при этом, возникают при напряжении в несколько тысяч вольт. Однако из-за небольшого заряда оно совершенно безопасно. Подобное явление возникает также при ношении и снимании шерстяной и синтетической одежды, при причесывании, при трении бумаги и ткани о пластмассы и т. д. Мой любимый способ электризации трением — бумагой по оргстеклу.

Многие предметы при трении друг о друга и даже о воздух электризуются. В момент контакта электроны переходят с одного вещества на другое благодаря контактной разности потенциалов. При движении расстояние между «электродами» увеличивается, электрическая емкость, соответственно, уменьшается, заряд остается тем же, поэтому напряжение растет.

Даже с такими простыми вещами, как наэлектризованная расческа, можно проделать массу опытов. Можно изучать притяжение и отталкивание зарядов, подвесив на нитках сделанные из фольги от шоколада шарики. Можно наблюдать притяжение бумажек к расческе и «пляску» обрывков бумаги под натираемым оргстеклом (положить оргстекло на спичечные коробки, под него насыпать мелких бумажек, тереть сверху). Можно зажечь в руках неоновую лампочку. Можно получать коронные разряды на иголке. Но практическую пользу можно получить, только собрав особый механизм — электростатический генератор.

Этот механизм в школе видел каждый.

Два диска крутятся в противоположные стороны. Приклеенные к ним алюминиевые обкладки конденсаторов раздвигаются, увеличивая напряжение. Первоначальная электризация возникает от трения. Заряд создается щетками-«натиралками» на расположенной под углом палке (они же выравнивают потенциалы на дисках), а образовавшееся высокое напряжение через коронный разряд передается на щетки по бокам, с которых заряд перетекает в конденсаторы — «лейденские банки», где и накапливается. Хорошая и вычищенная школьная электрофорная машина способна развивать напряжения почти до 100 киловольт.

Принцип действия генератора Ван де Граафа очень похож на принцип работы машины Вимсхурста, но вместо вращающихся дисков в ней используется движущийся ремень на двух шкивах. Ремень электризуется от трения о нижний шкив (в больших машинах на него подают дополнительно напряжение от высоковольтного источника, в маленьких хватает трения), а на верхнем конце ремня заряд снимается и накапливается на поверхности шара. Большие генераторы Ван де Граафа способны развивать напряжения в миллионы вольт и имеют в высоту несколько метров.

По высокочастотным преобразователям имеется отдельная статья: Изготовление высоковольтного генератора для начинающих

До появления мощных радиоламп и транизисторов наиболее распространенным, если не единственным, источником питания высоковольтных схем являлся вибропреобразователь, известный также как катушка Румкорфа. Это же устройство использовалось для питания анодных цепей ламп от аккумулятора в радиостанциях времен Второй мировой. Недостатком конструкции являются невысокий КПД, отсутствие стабилизации напряжения, износ и выгорание контактов преобразователя и издаваемый при работе довольно громкий неприятный жужжащий звук контактов.

Устройство катушки Румкорфа очень просто и напоминает конструкцию звонка или зуммера постоянного тока. Катушка с сердечником (электромагнит) притягивает якорь, тем самым размыкая контакты выключателя, через который сама и питается. Таким образом катушка непрерывно включает и выключает сама себя, что сопровождается выбросами самоиндукции на каждом выключении. Для получения напряжения в сотни вольт достаточно выпрямить получившиеся импульсы самоиндукции, а для получения более высоких напряжений используют дополнительную обмотку с большим числом витков, как правило включенную последовательно с основной (автотрансформатором). Возможно и трансформаторное включение обмоток и даже использование отджельного повышающего трансформатора, питающегося через тот же самый или второй, дополнительный контакт преобразователя.

Простейшую катушку Румкорфа можно сджелать на основе любого электромагнитного реле, имеющего группу контактов на размыкание. Обмотку реле следует включить через собственные нормально замкнутые контакты так, чтобы оно выключало само себя. При подаче питания (от батареек или от сетевого адаптера) реле будет «жужжать», контакты — искрить, а провода питания — ощутимо бить током. Это уже катушка Румкорфа, но лучше дополнить ее повышающим трансформатором. Трансформатор включается первичной обмоткой либо параллельно обмотке реле, либо через любую свободную группу контактов реле (неважно, замыкающую или размыкающую) к источнику питания. Источник питания должен быть достаточно мощным, чтобы выдержать нагрузку от почти короткого замыкания, вызываемого подключением обмотки.

Замена механического прерывателя катушки Румкорфа на электронный (на лампах, транзисторах, тиристорах или микросхемах) прерыватель напряжения приводит к конструкции, которая на сегодняшний день является наиболее распространенным источником высокого напряжения. Именно она питает анодные цепи телевизоров и осциллографов, заряжает барабаны ксероксов и создает коронные разряджы в люстре Чижевского.

Строчниками на жаргоне называют трансформаторы строчной развёртки, используемые в телевизорах с ЭЛТ-трубкой. Трансформатор строчной развёртки — самый простой, доступный и относительно безопасный источник высокочастотного высокого напряжения (до 20 кВ при частотах ~20 кГц и выше). Одна из простейших и наиболее надежных схем генератора на строчнике - блокинг-генератор - приведена ниже:

В этой схеме используется переделанный трансформатор от лампового телевизора ТВС-110Л6 или ТВС-110ЛА. Первичную обмотку снимают и заменяют самодельной, с небольшим числом витков.

фото в сборе (by FoX89):

На базе данного преобразователя можно провести свои первые опыты в области высокого напряжения. Это и маленькие лестницы Иакова,ионный двигатель, и получение озона, и электроподжиг, и поджигание дуги, которой можно легко прожечь стекло, и многое другое. При помощи такого источника можно демонстрировать свойство ВЧ-токов, в частности предметы, имеющие ёмкостную связь с электродами оказываются под напряжением. Можно демонстрировать свечение газоразрядных трубок и неонок, при поднесении к ним руки, если вы стоите на спрятанной под покрытием пластине, под высоким напряжением.

Разряд в лампе накаливания, первый электрод — палец, второй — спиралька внутри. Внутри колбы не вакуум, а газ аргон, под низким давлением:

Генератор Маркса способен выдавать напряжение в миллионы вольт в виде очень коротких импульсов.

Схема по сути своей очень проста. Собирается лесенка - две цепи из высоковольтных резисторов (можно дросселей), перекладинами конденсаторы. По диагонали между соседними конденсаторами ставятся искровые промежутки, первый (нижний) деляется чуть меньше остальных. С верхнего конца, с того вывода последнего конденсатора, которому не досталось искрового промежутка, снимается выходное напряжение. С нижнего конца между цепочками резисторов подаем питающее напряжение (обычно около 20 кВ, источником служит умножитель или нечто подобное).

Как это все работает: Когда подается питающее напряжение, все конденсаторы начинают заряжаться параллельно через резисторы. К какому-то моменту можно считать, что все конденсаторы более-менее заряжены. Как только это произошло, пробивает первый искровой промежуток (чаще всего у первого промежутка аккуратно подбирают длину, чтобы напряжения источника только-только хватало его пробить, но можно использовать и управляемый промежуток с поджигом отдельным импульсом). Сразу же пробьет и все остальные промежутки - напряжение источника сложится с напряжением первого конденсатора через пробитый промежуток, а на всех остальных промежутках напряжение удвоится. Когда это произойдет, конденсаторы окажутся включены последовательно через пробитые промежутки, и напряжение на них присовокупится к напряжению источника питания. Например, лестница из 50 конденсаторов при питании от 20 киловольт в идеальном случае способна дать 1 мегавольт на выходе.

Два генератора Маркса создают искру в один миллион вольт. http://www.electricstuff.co.uk/

Катушкой Тесла в узком смысле называют резонансный высоковольтный трансформатор определенной формы. Его вторичная обмотка представляет собой цилиндрическую однослойную катушку из очень большого количества витков тонкого провода, расположенную вертикально. Нижний конец катушки заземлен, а верхний оканчивается шаром или другим гладким предметом. Первичная обмотка делается из нескольких витков толстого провода и надета на вторичную в нижней ее части. Обычно первичная обмотка идет либо на конус (витки расширяются кверху), либо вообще намотана в одной плоскости (нечто вроде спирали Архимеда). Делается это, чтобы избежать пробоя между верхними витками первичной обмотки и серединой вторичной, где напряжение уже очень и очень высокое.

Классическая катушка Тесла в действии. Иллюстрация с сайта http://www.mgvolt.com/

Возбуждение первичной обмотки катушки Тесла осуществляется короткими резкими импульсами. При этом за счет очень широкого спектра гармоник этих импульсов всегда возбуждаются колебания на резонансной частоте вторичной обмотки, что приводит к получению очень высокого напряжения. Обычно на первичную обмотку разряжают через искровой промежуток заряженный до высокого (киловольты) напряжения конденсатор. Так делал и сам Тесла. Если напряжение первичной обмотки недостаточно для пробоя искрового промежутка, один из его электродов делают в виде вращающегося колеса с выступами, которые периодически почти задевают второй электрод, вызывая искры. Вместо искрового промежутка можно использовать высоковольтный тиратрон, а при небольших напряжениях даже радиолампу или MOSFET-транзистор.

Колебания, возникающие в катушке Тесла, имеют высокую (от десятков кГц до десятков МГц, в зависимости от конструкции и размеров катушки) частоту. Напряжения на верхнем конце катушки могут достигать миллионов вольт. На таких частотах возникающий разряд имеет ярко выраженный высокочастотный характер, что проявляется в появлении оканчивающихся в воздухе стримеров вокруг шара катушки.

В широком смысле катушкой Тесла называют любой высоковольтный трансформатор, работающий в резонансном режиме.

http://www.electricstuff.co.uk/ - страница человека, который знает о высоком напряжении все.

http://high.h1.ru/ - русский сайт про высокие напряжения. Внимание: много вредных и опасных советов!

http://flyback.org.ru/ - русский сайт про высокие напряжения. Внимание: много вредных и опасных советов!