TESLA COIL: HISTORIE, HVORDAN DET FUNGERER, HVAD DET ER TIL - FYSISK - 2024

Den Tesla coil er en vikling, der fungerer som en høj spænding, højfrekvente generator. Det blev opfundet af fysikeren Nikola Tesla (1856 - 1943), der patenterede det i 1891.

Magnetisk induktion fik Tesla til at tænke over muligheden for at transmittere elektrisk energi uden ledningers indgriben. Derfor var videnskabsmandens og opfinders idé at skabe en enhed, der kunne tjene til at overføre elektricitet uden at bruge kabler. Imidlertid er brugen af ​​denne maskine meget ineffektiv, så det endte med at blive opgivet kort for dette formål.

Figur 1. Demonstration med Tesla-spolen. Kilde: Pixabay.

Alligevel kan Tesla-spoler stadig findes med nogle specifikke anvendelser, såsom i pyloner eller i fysikforsøg.

Historie

Spolen blev skabt af Tesla kort efter Hertz 'eksperimenter kom frem. Tesla kaldte det selv "apparat til transmission af elektrisk energi." Tesla ønskede at bevise, at elektricitet kunne overføres uden ledninger.

I sit Colorado Springs-laboratorium havde Tesla til rådighed en enorm 16-meters spole fastgjort til en antenne. Enheden blev brugt til at udføre energioverførselseksperimenter.

Eksperimenter med Tesla-spoler.

Ved en lejlighed skete der en ulykke forårsaget af denne spole, hvor dynamoer fra et kraftværk placeret 10 kilometer væk blev brændt. Som et resultat af fiaskoen blev der produceret elektriske buer rundt om dynamoenes viklinger.

Intet af det frarådede Tesla, der fortsatte med at eksperimentere med adskillige spoledesign, som nu er kendt ved hans navn.

Hvordan virker det?

Den berømte Tesla-spole er et af de mange design, som Nikola Tesla lavede for at overføre elektricitet uden ledninger. De originale versioner var store i størrelse og brugte højspændingskilder og høje strømkilder.

Der er naturligvis i dag meget mindre, kompakte og hjemmelavede designs, som vi vil beskrive og forklare i det næste afsnit.

Figur 2. Skematisk den grundlæggende Tesla-spole. Kilde: self made.

Et design baseret på de originale versioner af Tesla-spolen er det, der er vist på figuren ovenfor. Det elektriske diagram i den forrige figur kan opdeles i tre sektioner.

Kilde (F)

Kilden består af en vekselstrømsgenerator og en transformator med høj forstærkning. Kildeproduktionen er typisk mellem 10.000 V og 30.000 V.

Første LC 1 resonanskredsløb

Den består af en switch S, kendt som "Spark Gap" eller "Explosor", som lukker kredsløbet, når en gnist springer mellem dens ender. LC-kredsløbet 1 har også en kondensator C1 og en spole L1 forbundet i serie.

Andet resonanskredsløb LC 2

LC-kredsløbet 2 består af en spole L2 med et drejeforhold på ca. 100 til 1 i forhold til spolen L1 og en kondensator C2. Kondensator C2 forbindes til spolen L2 gennem jorden.

L2-spiralen er normalt en tråd, der er viklet med en isolerende emalje på et rør af ikke-ledende materiale, såsom keramik, glas eller plast. Spole L1, skønt ikke vist sådan i diagrammet, er viklet på spolen L2.

Kondensator C2 består som alle kondensatorer af to metalplader. I Tesla-spiraler er en af ​​C2-pladerne normalt i form af en sfærisk eller toroid kuppel og er i serie forbundet med L2-spolen.

Det andet kort i C2 er det nærliggende miljø, for eksempel en metallisk piedestal færdig i en kugle og forbundet til jorden for at lukke kredsløbet med den anden ende af L2, også forbundet til jorden.

Handlingsmekanisme

Når en Tesla-spole er tændt, oplader højspændingskilden kondensator C1. Når dette når en tilstrækkelig høj spænding, springer det et gnist i switch S (gnistspalte eller eksplosor), hvorved resonanskredsløbet I lukkes.

Derefter udledes kondensatoren Cl gennem spolen L1, hvilket genererer et variabelt magnetisk felt. Dette variable magnetfelt passerer også gennem spolen L2 og inducerer en elektromotorisk kraft på spolen L2.

Da L2 er ca. 100 omdrejninger længere end L1, er den elektriske spænding over L2 100 gange større end den over L1. Og da spændingen i L1 er i størrelsesordenen 10.000 volt, vil den i L2 være 1 million volt.

Den magnetiske energi, der er akkumuleret i L2, overføres som elektrisk energi til kondensatoren C2, som når den når maksimale spændingsværdier i størrelsesordenen en million volt ioniserer luften, frembringer en gnist og udledes pludseligt gennem jorden. Udledninger sker mellem 100 og 150 gange i sekundet.

LC1-kredsløbet kaldes resonans, fordi den akkumulerede energi i kondensatoren C1 går til spolen L1 og vice versa; det vil sige, der opstår en svingning.

Det samme sker i resonanskredsløbet LC2, hvor den magnetiske energi i spolen L2 overføres som elektrisk energi til kondensatoren C2 og vice versa. Det vil sige, at i kredsløbet produceres en tur / returstrøm vekselvis.

Den naturlige svingningsfrekvens i et LC-kredsløb er

Resonans og gensidig induktion

Når energien, der leveres til LC-kredsløbene forekommer med samme frekvens som den naturlige frekvens af svingning i kredsløbet, er energioverførslen optimal, hvilket giver en maksimal forstærkning i kredsløbsstrømmen. Dette fænomen, der er fælles for alle svingende systemer, er kendt som resonans.

LC1- og LC2-kredsløbene er magnetisk koblet, et andet fænomen kaldet gensidig induktion.

For at energioverførslen fra LC1-kredsløbet til LC2 og omvendt skal være optimal, skal de naturlige svingningsfrekvenser for begge kredsløb stemme overens, og de skal også matche frekvensen for højspændingsskilde.

Dette opnås ved at justere kapacitans- og induktansværdierne i begge kredsløb, så svingningsfrekvenserne falder sammen med kildefrekvensen:

Når dette sker, overføres strøm fra kilden effektivt til LC1-kredsløbet og fra LC1 til LC2. I hver svingningscyklus forøges den elektriske og magnetiske energi, der akkumuleres i hvert kredsløb.

Når den elektriske spænding over C2 er høj nok, frigives energi i form af lyn ved at udlede C2 til jorden.

Tesla-spiral bruger

Teslas oprindelige idé i sine eksperimenter med disse spoler var altid at finde en måde at overføre elektrisk energi over lange afstande uden ledningsføring.

Den lave effektivitet af denne metode på grund af energitab ved spredning gennem miljøet gjorde det imidlertid nødvendigt at kigge efter andre midler til transmission af elektrisk energi. I dag bruges stadig ledninger.

Plasma lampe, som hjalp med at udvikle Teslas eksperiment.

Imidlertid er mange af Nikola Teslas originale ideer stadig til stede i nutidens kabelførte transmissionssystemer. For eksempel blev step-up-transformere i elektriske transformatorstationer til transmission over kabler med færre tab og step-down-transformere til hjemmefordeling beregnet af Tesla.

På trods af at de ikke har stor brug, fortsætter Tesla-spoler fortsat med at være nyttige i højspændingselektrisk industri til test af isoleringssystemer, tårne ​​og andre elektriske apparater, der skal fungere sikkert. De bruges også i forskellige shows til at generere lyn og gnister samt i nogle fysikeksperimenter.

Det er vigtigt at tage sikkerhedsforanstaltninger i højspændingseksperimenter med store Tesla-spoler. Et eksempel er brugen af ​​Faraday-bure til beskyttelse af observatører og metalliske mesh-dragter til kunstnere, der deltager i shows med disse hjul.

Hvordan laver man en hjemmelavet Tesla-spole?

komponenter

Ingen højspændings AC-kilde vil blive brugt i denne miniatyrversion af Tesla-spolen. Tværtimod vil strømkilden være et 9 V batteri, som vist i diagrammet i figur 3.

Figur 3. Skematisk for at opbygge en mini Tesla-spole. Kilde: self made.

Den anden forskel fra den originale Tesla-version er brugen af ​​en transistor. I vores tilfælde vil det være 2222A, som er en lavsignal NPN-transistor, men med en hurtig respons eller høj frekvens.

Kredsløbet har også en afbryder S, en 3-trins primær spole L1 og en sekundær spole L2 på mindst 275 omdrejninger, men den kan også være mellem 300 og 400 omdrejninger.

Den primære spole kan bygges med en fælles tråd med plastisolering, men den sekundære spole kræver en tynd tråd, der er dækket med isolerende lak, hvilket er den, der normalt bruges i viklinger. Opviklingen kan udføres på et karton eller et plastrør, der er mellem 3 og 4 cm i diameter.

Brug af transistor

Det skal huskes, at i Nikola Teslas tid var der ingen transistorer. I dette tilfælde erstatter transistoren "gnistgab" eller "eksplor" i den originale version. Transistoren vil blive brugt som en port, der tillader eller ikke passering af strøm. For dette polariseres transistoren som følger: samleren c til den positive terminal og emitteren e til batteriets negative terminal.

Når basen b har positiv polarisering, tillader den passering af strøm fra kollektoren til emitteren, og ellers forhindrer den det.

I vores skema er basen forbundet med det positive i batteriet, men der er indsat en 22 kilo ohm-modstand for at begrænse den overskydende strøm, der kan brænde transistoren.

Kredsløbet viser også en LED-diode, der kan være rød. Dets funktion vil blive forklaret senere.

I den frie ende af sekundærspolen L2 anbringes en lille metalkugle, som kan fremstilles ved at dække en polystyrenkugle eller en pin-pongkugle med aluminiumsfolie.

Denne sfære er pladen på en kondensator C, hvor den anden plade er miljøet. Det er det, der kaldes parasitkapacitet.

Sådan fungerer Mini Tesla-spolen

Når afbryder S er lukket, er transistorens base positivt forspændt, og den øverste ende af den primære spole er også positivt forspændt. Så der vises pludselig en strøm, der passerer gennem den primære spole, fortsætter gennem opsamleren, forlader emitteren og vender tilbage til batteriet.

Denne strøm vokser fra nul til en maksimal værdi på meget kort tid, hvorfor den inducerer en elektromotorisk kraft i den sekundære spole. Dette frembringer en strøm, der går fra bunden af ​​L2-spiralen til bunden af ​​transistoren. Denne strøm ophører pludselig den positive polarisering af basen, så strømmen strømmer gennem de primære stop.

I nogle versioner fjernes LED-dioden, og kredsløbet fungerer. Imidlertid forbedrer placering af det effektiviteten ved at skære transistorbase-forspænding.

Hvad sker der, når strømmen cirkulerer?

Under cyklussen med hurtig strømvækst i det primære kredsløb blev der induceret en elektromotorisk kraft i den sekundære spole. Da forholdet mellem svingninger mellem primær og sekundær er 3 til 275, har den frie ende af spolen L2 en spænding på 825 V med hensyn til jord.

På grund af ovenstående produceres et intensivt elektrisk felt i kondensatorens sfære, der er i stand til at ionisere gassen ved lavt tryk i et neonrør eller en lysstofrør, der nærmer sig sfæren C og accelerere de frie elektroner inde i røret. som at begejstre de atomer, der producerer lysemissionen.

Da strømmen pludselig ophørte gennem spolen L1 og spolen L2, der udledes gennem luften, der omgiver C, mod jorden, genstartes cyklussen.

Det vigtige punkt i denne type kredsløb er, at alt sker på meget kort tid, så du har en højfrekvensoscillator. I denne type kredsløb er den flagrende eller hurtige svingning, der produceres af transistoren, vigtigere end resonansfænomenet beskrevet i det foregående afsnit og henviser til den originale version af Tesla-spolen.

Foreslåede eksperimenter med mini Tesla-spiraler

Når Tesla-minispolen er bygget, er det muligt at eksperimentere med den. Det er klart, lynet og gnisterne fra de originale versioner produceres ikke.

Imidlertid kan vi ved hjælp af en lysstofrør eller et neonrør observere, hvordan den kombinerede virkning af det intense elektriske felt, der genereres i kondensatoren ved enden af ​​spolen og den høje svingningsfrekvens af dette felt, gør lampen tænd bare ved at nærme kondensatorsfæren.

Det stærke elektriske felt ioniserer lavt trykgas inden i røret og efterlader frie elektroner i gassen. Den høje frekvens af kredsløbet får således de frie elektroner inden i lysrøret til at accelerere og begejse det lysstofrør, der klæber til rørets indre væg, hvilket får det til at udsende lys.

Du kan også bringe en lysende LED tættere på kugle C, og se, hvordan den lyser, selv når LED-stifterne ikke er tilsluttet.

Referencer

1. Blake, T. Tesla spoleteori. Gendannes fra: tb3.com.
2. Burnett, R. Betjening af Tesla-spolen. Gendannes fra: richieburnett.co.uk.
3. Tippens, P. 2011. Fysik: koncepter og applikationer. 7. udgave. MacGraw Hill. 626-628.
4. University of Wisconsin-Madison. Tesla spiral. Gendannes fra: wonders.physics.wisc.edu.
5. Wikiwand. Tesla spiral. Gendannes fra: wikiwand.com.